RSTP -- Rapid Spanning Tree Protocol

R ► RSTP RSTP Rapid Spanning Tree Protocol Autor: Prof. Dr.-Ing. In Ethernet-Netzwerken werden oft Ethernet Switches (ESW) als Anatol Badach sog. Access Switches bzw. Distribution Switches eingesetzt. Weil deren Aufgabe in der Weiterleitung empfangener MAC-Frames1 – auch Ethernet-Frames genannt – besteht, bezeichnet man sie auch als Layer-2-Switches (kurz L2-Switches). Um eine hohe Verfügbarkeit von Netzwerkdiensten erreichen zu können, müssen einige Netzwerkkomponenten (Links, Switches) redundant auslegt werden. Werden in einem Ethernet-Netzwerk aber mehrere L2-Switches eingesetzt und einige von ihnen bzw. einige der Links sind redundant, so können unerwünschte Effekte im Netz- Auszug aus dem werk entstehen. Wenn beispielsweise mehrere redundante Wege zu Werk: einem Zielrechner führen, kann dieser eventuell mit mehreren Kopien ein und desselben MAC-Frames überflutet werden oder einige MAC-Frames können sogar im Netzwerk zirkulieren, also sog. Loops, oft auch als logische Schleifen bezeichnet, bilden. Die negativen Auswirkungen eines solchen Überflutens eines Zielrech- ners mit mehreren Kopien eines MAC-Frames und eventueller Loops lassen sich jedoch nicht vorhersehen. Um redundante Wege und Loops in Netzwerken mit L2-Switches zu entdecken und alle redundanten Netzwerkkomponenten, die diese negativen Effekte verursachen, zu „sperren“, damit automatisch eine neue äquivalente Netzwerkbaumtopologie, die sog. aktive Topologie Herausgeber: (active Topology), generiert werden kann, wurde bereits Ende der Heinz Schulte Achtzigerjahre das Spanning Tree Protocol (STP)2 entwickelt und WEKA-Verlag später im Standard IEEE 802.1D des IEEE3 spezifiziert. ISBN 978- 3824540662 1 Media Access Control 2 Für eine Beschreibung des STP siehe: Schulte, Heinz (Hrsg.): Protokolle und Dienste der Informationstechnologie, WEKA Verlag, 978-3824535017. 3 Institute of Electrical and Electronics Engineers 1 R ► RSTP Das STP berücksichtigt jedoch nicht die Eigenschaften moderner Netzwerke und ist noch an ursprüngliche, kollisionsbehaftete Ether- net-Netzwerke angepasst und nicht an Netzwerke mit Ethernet Swit- ches und Vollduplex-Ethernet-Links zwischen ihnen. Demzufolge hat das STP einen Nachteil und zwar: Die Konvergenzzeit zu einer aktiven (Netzwerkbaum-)Topologie, während der die STP-fähigen Switches im Netzwerk außer Frames mit STP-Paketen keine Frames mit Nutzdaten weiterleiten dürfen, ist relativ lang. Sie kann sogar mehr als 30 s dauern.4 Demzufolge führt beim STP die Konvergenz bei einer aktiven Topologie de facto zu einer kurzen Unterbrechung der Netzwerkfunktion. Aus diesem Grund, also um die Konvergenzzeit zu reduzieren, war eine Modifikation des STP notwendig. Als Ergebnis dieser Modifi- kation ist das Rapid Spanning Tree Protocol (Rapid STP, RSTP) entstanden. Es kann in einem Netzwerk parallel zum STP eingesetzt werden. Das heißt, einige Switches können nur STP und andere nur RSTP unterstützen. Man kann im Fall von RSTP daher von einer Abwärtskompatibilität zu STP sprechen. Das RSTP wurde zuerst 2001 von der IEEE als Standard IEEE 802.1w unter dem Titel: Rapid Reconfiguration of Spanning Tree veröffentlicht. Im Jahr 2004 wurde es aber in seiner neuen Fassung im Kapitel 17 des Standards 802.1D beschrieben, also im gleichen Standard, in dem das STP spezifiziert wird. L2-Switch und Bridge als Synonyme Als das STP konzipiert wurde, verwendete man in Ethernet- basierten Netzwerken, um mehrere Ethernet-Segmente miteinander zu koppeln, noch die sog. Transparent Bridges (TBs) – kurz Bridges. Der Einsatz mehrerer Prozessoren in Multiport Bridges (d.h. mit mehr als zwei Ports) führte zur Entstehung von L2-Switches. Diese werden auch als Ethernet Switches bezeichnet. Demzufolge ent- 4 Wird ein Switch Port beim STP als designierter Port ausgewählt, dann muss er die zwei Zeitintervalle Forward Delay (standardmäßig: 15 s) abwarten, bevor er in den Zustand Forwarding gesetzt wird, also bevor er Frames mit Nutzdaten senden darf (siehe auch das Bild 004677a). 2 R ► RSTP spricht ein L2-Switch der Funktion nach vollkommen einer Multi- port Bridge. Um mit dem IEEE-Standard 802.1D im Einklang zu bleiben, wird in diesem Text – stellenweise und nur, wenn es unbedingt sein muss – auch bei der Beschreibung des RSTP der Begriff „Bridge“ verwen- det. Bei der Darstellung von praktischen Beispielen werden als Bridge-Synonyme allerdings die aktuellen Begriffe „Ethernet Switch“ bzw. „L2-Switch“ verwendet. Bemerkung: Weil es sich hier ausschließlich um L2-Switches han- delt, werden diese im Weiteren kurz auch als Switches bezeichnet. Neue Arten von Links beim RSTP Das RSTP wurde hauptsächlich für den Einsatz in ausschließlich auf L2-Switches basierten Netzwerken konzipiert, kann aber auch in Netzwerken mit L2-Switches und traditionellen Hubs eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden beim RSTP neue Arten von Links definiert. Bild 004668 illustriert diese. Bild 004668: Neue Arten von Links beim RSTP in einer Netzwerk- struktur: a) mit L2-Switches, b) mit L2-Switches und SM-Hubs P2P: Point-to-Point SM: Shared Media Beim RSTP werden die Verbindungen zwischen L2-Switches als Links und die Verbindungen zu Endsystemen (Client, Server) als Edges bezeichnet. Die Links zwischen L2-Switches als Point-to- Point Links (P2P-Links) sind Vollduplex-Ethernet-Verbindungen. Bei Links zwischen SM-Hubs und L2-Switches handelt es sich um 3 R ► RSTP sog. Shared Links (SLs), also um Halbduplex-Ethernet- Verbindungen. In den meisten Netzwerken werden heute keine SM-Hubs mehr eingesetzt. Deswegen wurde bei der Entwicklung des RSTP nicht versucht, das Protokoll für den Einsatz in Netzwerken mit SM-Hubs zu optimieren. Somit bringt der Einsatz des RSTP in klassischen Netzwerken mit SM-Hubs im Vergleich zum STP keine beachtli- chen Gewinne bezüglich der Reduzierung der Konvergenzzeit. Notwendigkeit des RSTP Um die an Netzwerke gestellten Anforderungen, wie z.B. die Garan- tie der Skalierbarkeit, zu erfüllen, werden heutige Netzwerke struk- turiert aufgebaut5, und zwar vollkommen unabgängig davon, ob ein Netzwerk ein oder mehrere Gebäude umfasst. Bild 004669 zeigt ein Beispiel für ein typisches Ethernet-Netzwerk mit redundant ausge- legten Komponenten. Bild 004669: Beispiel für ein Ethernet-Netzwerk mit redundanten Komponenten; unerwünschte Effekte infolge von Loops sind hier möglich SW: Switch 5 Für Näheres darüber siehe den Abschnitt 4/2 „Netzwerkdesign – Grundla- gen und Komponenten“ in: Schulte, Heinz (Hrsg.): Vom LAN zum Kommu- nikationsnetz – Netze und Protokolle, WEKA Verlag, 978-3824535017. 4 R ► RSTP Zur Anbindung von Arbeitsplatzrechnern (sog. Clients) an das Netzwerk, werden in diesem Fall L2-Switches als Access Switches eingesetzt. Um die Kommunikation zwischen den an verschiedenen Access Switches angebunden Clients zu unterstützen, werden die Access Switches untereinander über sog. Distribution Switches6 vernetzt. Der Zugang zu Servern erfolgt über leistungsfähige Swit- ches, sog. Server Switches. Um die Bedeutung des RSTP zum Ausdruck zu bringen, wird im Weiteren angenommen, dass im Netzwerk auf Bild 004669 alle Arten von Switches – also Access Switches, Distribution Switches und Server Switches – L2-Switches sind. In diesem Netzwerk sind die Distribution Switches und die Server Switches redundant ausge- legt. Somit sind auch die Links B, I, J. K und L als redundant zu betrachten. Infolge dieser Redundanz existieren mehrere „Wege“ von jedem Client zu jedem Server. Dadurch kann ein Server von einem Client mehrere Kopien desselben Frames erhalten und außer- dem können einige Frames unendlich zirkulieren, also logische Schleifen (Loops) entstehen. Dies kann zu unerwünschten Effekten führen, deren Folgen sich nicht voraussagen lassen. Um diese Effek- te auszuschließen, ist der Einsatz des RSTP notwendig. Festlegungen für den Einsatz des RSTP Für den Einsatz des RSTP müssen aber – ebenso wie beim STP – bestimmte Festlegungen getroffen werden; zu diesen gehören u.a.: • Jeder Switch hat eine eindeutige Identifikation (ID) – in IEEE- 802.1D als Bridge-ID bezeichnet. Die IDs der Switches in Bild 004668 sind: 1, 2, ..., 8. • Jedem Switch Port (Bridge Port) muss sowohl eine eindeutige Identifikation – Port ID genannt – als auch eine entsprechende 6 Die Funktion der Distribution Switches hängt von der Größe eines Netz- werks ab. In einem kleinen Netzwerk – ohne Bildung von IP-Subnetzen – kann ein L2-Switch als Distribution Switch dienen. In großen Netzwerken mit VLANs (Virtual LANs) ist im Distribution Switch eine Routingfunktion nötig. Daher werden oft sog.