Im Internet gibt es viele Materialien zum RSTP-Protokoll. In diesem Artikel möchte ich das RSTP-Protokoll mit dem proprietären Protokoll von vergleichen – Extended Ring Redundancy.
Details zur Implementierung von RSTP
Allgemeine Informationen
Konvergenzzeit – 1-10 s
Mögliche Topologien – beliebig
Es ist weit verbreitet, die Meinung zu vertreten, dass RSTP Switches nur in Ringen verbinden kann:
Aber RSTP ermöglicht es, Switches beliebig zu verbinden. Zum Beispiel kann RSTP mit einer solchen Topologie umgehen.
Beginnen wir mit der Frage: Was ist ein VLAN?
RSTP reduziert jede Topologie auf einen Baum. Einer der Switches wird zum Zentrum der Topologie – dem Root-Switch. Der Root-Switch leitet die meisten Daten weiter.
Der Funktionsprinzip von RSTP lautet:
- Strom wird zu den Switches geliefert;
- Der Root-Switch wird ausgewählt;
- Die restlichen Switches bestimmen den schnellsten Weg zum Root-Switch;
- Die verbleibenden Kanäle werden blockiert und werden zu Backup-Kanälen.
Auswahl des Root-Switches
Switches mit RSTP tauschen BPDU-Pakete aus. BPDU ist ein Serviciertes Paket, das Informationen über RSTP enthält. BPDU gibt es in zwei Typen:
- Configuration BPDU.
- Topology Change Notification.
Die Configuration BPDU wird verwendet, um die Topologie zu erstellen. Sie wird nur vom Root-Switch gesendet. Die Configuration BPDU enthält:
- die Sender-ID (Bridge ID);
- die ID des Root-Switches (Root Bridge ID);
- die Port-ID, von der dieses Paket gesendet wurde (Port ID);
- die Kosten des Pfades zum Root-Switch (Root Path Cost).
Die Topology Change Notification kann von jedem Switch gesendet werden. Sie werden bei Änderungen in der Topologie versendet.
Nach dem Einschalten betrachten sich alle Switches als Root. Sie beginnen, BPDU-Pakete zu senden. Sobald ein Switch eine BPDU mit einer niedrigeren Bridge ID als seiner eigenen erhält, hört er auf, sich als Root zu betrachten.
Die Bridge-ID besteht aus zwei Werten – der MAC-Adresse und der Bridge-Priorität. Die MAC-Adresse kann nicht geändert werden. Die Bridge-Priorität beträgt standardmäßig 32768. Wird die Bridge-Priorität nicht geändert, wird der Switch mit der niedrigsten MAC-Adresse zum Wurzel-Switch. Der Switch mit der niedrigsten MAC-Adresse ist der älteste und möglicherweise nicht der leistungsfähigste. Es wird empfohlen, den Wurzel-Switch in der Topologie manuell festzulegen. Dazu muss auf dem Wurzel-Switch eine niedrige Bridge-Priorität (zum Beispiel 0) konfiguriert werden. Außerdem kann ein redundanter Wurzel-Switch definiert werden, indem ihm eine etwas höhere Bridge-Priorität (zum Beispiel 4096) zugewiesen wird.
Weg zum Wurzel-Switch wählen
Der Wurzel-Switch sendet BPDU-Pakete an alle aktiven Ports. BPDU hat ein Feld für die Path Cost. Die Path Cost bezeichnet die Kosten des Weges. Je höher die Path Cost, desto länger benötigt das Paket für die Übertragung. Wenn BPDU über einen Port läuft, wird die Kostenhöhe im Feld Path Cost addiert. Die hinzugefügte Zahl wird Port Cost genannt.
Der Path Cost fügt einen bestimmten Wert hinzu, wenn ein BPDU über einen Port geleitet wird. Der Wert, der hinzugefügt wird, wird als Portkosten (Port Cost) bezeichnet und kann sowohl manuell als auch automatisch festgelegt werden.
Wenn ein nicht-wurzeliger Switch mehrere alternative Pfade zur Wurzel hat, wählt er den schnellsten aus. Er vergleicht die Path Costs dieser Pfade. Der Port, von dem das BPDU mit dem niedrigsten Path Cost kam, wird zum Wurzelport (Root Port).
Die automatisch zugewiesenen Portkosten können in der Tabelle eingesehen werden:
Übertragungsgeschwindigkeit des Ports
Portkosten
10 Mbit/s
2 000 000
100 Mbit/s
200 000
1 Gbit/s
20 000
10 Gbit/s
2 000
Rollen und Status der Ports
Die Ports eines Switches haben verschiedene Status und Rollen.
Portstatus (für STP):
- Deaktiviert – nicht aktiv.
- Blocking – hört BPDU, sendet aber nicht. Daten werden nicht übertragen.
- Listening – hört und sendet BPDU. Daten werden nicht übertragen.
- Learning – hört und sendet BPDU. Bereitet sich auf die Datenübertragung vor – füllt die MAC-Adressentabelle aus.
- Forwarding – überträgt Daten, hört und sendet BPDU.
Die STP-Konvergenzzeit beträgt 30-50 Sekunden. Nachdem der Switch eingeschaltet wurde, durchlaufen alle Ports alle Status. Jeder Status dauert einige Sekunden. Aufgrund dieses Funktionsprinzips hat STP eine so lange Konvergenzzeit. RSTP hat weniger Portstatus.
Portstatus (für RSTP):
- Discarding – inaktiv.
- Discarding – empfängt BPDU, sendet jedoch nicht. Daten werden nicht gesendet.
- Discarding – empfängt und sendet BPDU. Daten werden nicht gesendet.
- Learning – hört und sendet BPDU. Bereitet sich auf die Datenübertragung vor – füllt die MAC-Adressentabelle aus.
- Forwarding – überträgt Daten, hört und sendet BPDU.
- Bei RSTP sind die Status Disabled, Blocking und Listening in einem Status – Discarding – zusammengefasst.
Portrollen:
- Root Port – der Port, über den Daten übertragen werden. Er ist der schnellste Weg zum Root-Switch.
- Designated Port – der Port, über den Daten übertragen werden. Festgelegt für jedes LAN-Segment.
- Alternate Port – der Port, über den keine Daten übertragen werden. Er ist der alternative Weg zum Root-Switch.
- Backup Port – der Port, über den keine Daten übertragen werden. Er ist der Reservenweg für das Segment, in dem bereits ein RSTP-unterstützender Port verbunden ist. Der Backup Port wird verwendet, wenn zwei Switch-Ports mit demselben Segment (z. B. einem Hub) verbunden sind.
- Disabled Port – RSTP ist für diesen Port deaktiviert.
Die Auswahl des Root-Ports wurde oben beschrieben. Wie wird der Designated Port ausgewählt?
Zunächst sollten wir definieren, was ein LAN-Segment ist. Ein LAN-Segment ist eine Kollisionsdomäne. Hosting. Für einen Switch oder Router bildet jeder Port eine separate Kollisionsdomäne. Ein LAN-Segment ist der Kanal zwischen Switches oder Routern. Bei einem Hub befinden sich alle Ports in einer einzigen Kollisionsdomäne.
Es kann nur ein Designated Port pro Segment zugewiesen werden.
Im Falle von Segmenten mit bereits vorhandenen Root-Ports ist alles klar. Der zweite Port des Segments wird zum Designated Port.
Aber es gibt auch Backup-Kanäle, die einen Designated Port und einen Alternate Port haben. Wie werden diese ausgewählt? Der Designated Port wird der Port mit den geringsten Path Cost zum Root-Switch. Wenn die Path Costs gleich sind, wird der Designated Port der Port sein, der sich auf dem Switch mit der niedrigsten Bridge ID befindet. Wenn auch die Bridge IDs gleich sind, wird der Designated Port der Port mit der niedrigsten Nummer. Der zweite Port wird Alternate.
Es bleibt der letzte Moment: Wann wird dem Port die Rolle Backup zugewiesen? Wie bereits oben erwähnt, wird der Backup-Port nur verwendet, wenn zwei Switch-Kanäle mit demselben Segment verbunden sind, also mit einem Hub. In diesem Fall wird der Designated Port nach denselben Kriterien ausgewählt:
- Die niedrigste Path Cost zum Root-Switch.
- Die niedrigste Bridge ID.
- Die niedrigste Port ID.
Maximale Anzahl der Geräte im Netzwerk
Der Standard IEEE 802.1D stellt keine strengen Anforderungen an die Anzahl der Geräte in einem LAN mit RSTP. Der Standard empfiehlt jedoch, nicht mehr als 7 Switches in einem Branch (nicht mehr als 7 Hops) zu verwenden, d.h. nicht mehr als 15 in einem Ring. Bei Überschreitung dieses Wertes beginnt die Zeit der Netzwerkkonvergenz zu steigen.
Details zur Implementierung von ERR.
Allgemeine Informationen
Konvergenzzeit
Die Konvergenzzeit von ERR beträgt 15 ms. Bei der maximalen Anzahl von Switches im Ring und der Existenz von Ringverbindungen – 18 ms.
Mögliche Topologien
ERR erlaubt nicht das freie Zusammenfügen von Geräten wie RSTP. ERR hat klare Topologien, die verwendet werden können:
- Ring
- Duplizierter Ring
- Verbindung von bis zu drei Ringen
Ring
Wenn in ERR alle Switches zu einem Ring verbunden sind, müssen an jedem Switch die Ports konfiguriert werden, die am Aufbau des Rings teilnehmen.
Doppelter Ring
Switches können zu einem doppelten Ring kombiniert werden, was die Zuverlässigkeit des Rings erheblich erhöht.
Einschränkungen des doppelten Rings:
- Ein doppelter Ring kann nicht zur Verbindung von Switches mit anderen Ringen verwendet werden. Dazu muss Ring Coupling eingesetzt werden.
- Ein doppelter Ring kann nicht für die Ringkopplung verwendet werden.
Ringkopplung
Bei der Ringkopplung dürfen im Netzwerk nicht mehr als 200 Geräte vorhanden sein.
Die Ringkopplung bedeutet, dass die übrigen Ringe zu einem weiteren Ring zusammengefasst werden.
Wenn ein Ring über einen Switch mit einer Ringkopplung verbunden wird, nennt man das Ringkopplung über einen Switch. Wenn zwei Switches aus dem lokalen Ring mit der Ringkopplung verbunden werden, nennt man das Kopplung über zwei Switches.
Beim Anschluss über einen Switch werden beide Ports des Geräts verwendet. Die Zeit für die Verbindung beträgt in diesem Fall etwa 15-17 ms. In diesem Setup wird der Verbindungsswitch zu einem Ausfallpunkt, da beim Verlust dieses Switches das gesamte Ringnetz verloren geht. Der Anschluss über zwei Switches ermöglicht es, dies zu vermeiden.
Es ist möglich, redundante Ringe zu verbinden.
Path Control
Die Funktion Path Control ermöglicht die Konfiguration der Ports, über die Daten im regulären Betrieb übertragen werden. Wenn der Kanal ausfällt und das Netzwerk auf die Ersatztopologie umschaltet, wird das Netzwerk nach der Wiederherstellung des Kanals zurück zur festgelegten Topologie umgestellt.
Diese Funktion ermöglicht Einsparungen bei redundanten Kabeln. Darüber hinaus wird die verwendete Topologie immer bekannt sein, was die Fehlersuche erleichtert.
Die Haupttopologie wechselt innerhalb von 15 ms zur Ersatztopologie. Die Rückumschaltung bei Wiederherstellung des Netzwerks dauert etwa 30 ms.
Einschränkungen:
- Kann nicht zusammen mit Dual Ring verwendet werden.
- Die Funktion muss auf allen Switches im Netzwerk aktiviert sein.
- Einer der Switches wird als Master für Path Control konfiguriert.
- Der automatische Wechsel zur Haupttopologie nach einer Wiederherstellung erfolgt standardmäßig nach 1 Sekunde (dieser Parameter kann über SNMP im Bereich von 0 bis 99 Sekunden geändert werden).
Beginnen wir mit der Frage: Was ist ein VLAN?
Funktionsweise von ERR
Betrachten wir zu Illustrationszwecken sechs Switches – 1-6. Diese Switches sind in einem Ring verbunden. Jeder Switch nutzt zwei Ports zur Anbindung an den Ring und speichert deren Status. Die Switches tauschen Statusinformationen der Ports untereinander aus. Diese Daten verwenden die Geräte, um den Ausgangszustand der Ports festzulegen.
Die Ports haben lediglich zwei Rollen – Blockiert und Weiterleiten.
Der Switch mit der höchsten MAC-Adresse blockiert seinen Port. Alle anderen Ports im Ring übertragen Daten.
Wenn ein blockierter Port ausfällt, wird der nächste Port mit der höchsten MAC-Adresse blockiert.
Nach dem Booten beginnen die Switches, Ring Protocol Data Units (R-PDU) zu senden. R-PDU wird über Multicast übertragen. R-PDU ist eine Servicemeldung, ähnlich wie BPDU im RSTP. R-PDU enthält die Statusinformationen der Ports des Switches und dessen MAC-Adresse.
Handlungsalgorithmus bei einem Kanalversagen
Wenn ein Kanal ausfällt, senden die Switches R-PDU, um über die Statusänderung der Ports zu informieren.
Handlungsalgorithmus bei der Wiederherstellung eines Kanals
Wenn ein ausgefallener Kanal wieder in Betrieb genommen wird, senden die Switches R-PDU zur Benachrichtigung über die Statusänderung der Ports.
Der Switch mit der höchsten MAC-Adresse wird zum neuen Root-Switch.
Der ausgefallene Kanal wird zum Backup.
Nach der Wiederherstellung bleibt einer der Ports des Kanals blockiert, während der andere in den Zustand forwarding wechselt. Der blockierte Port ist der mit der höchsten Geschwindigkeit. Bei gleichen Geschwindigkeiten wird der Port des Switches mit der höchsten MAC-Adresse blockiert. Dieses Prinzip ermöglicht es, den Port zu sperren, der mit maximaler Geschwindigkeit von blocked zu forwarding wechselt.
Maximale Anzahl der Geräte im Netzwerk
Die maximale Anzahl von Switches in einem ERR-Ring beträgt 200.
Interaktion zwischen ERR und RSTP
RSTP kann in Kombination mit ERR verwendet werden. Der RSTP-Ring und der ERR-Ring sollten jedoch nur über einen Switch verbunden sein.
Zusammenfassung
ERR eignet sich hervorragend für die Einrichtung standardisierter Topologien. Zum Beispiel ein Ring oder ein redundanter Ring.
Solche Topologien werden häufig zur Redundanz in industriellen Anlagen eingesetzt.
Darüber hinaus kann mit ERR eine zweite Topologie weniger zuverlässig, aber kostengünstiger umgesetzt werden. Dies kann durch ein doppeltes Ringnetz erfolgen.
ERR ist jedoch nicht immer anwendbar. Es gibt durchaus exotische Konfigurationen. Mit einem unserer Kunden haben wir folgende Topologie getestet.
In diesem Fall ist die Anwendung von ERR nicht möglich. Für ein solches Schema haben wir RSTP verwendet. Der Kunde hatte strenge Anforderungen an die Konvergenzzeit – weniger als 3 Sekunden. Um diese Zeit zu erreichen, mussten die Root-Switches (hauptsächlich und redundant) sowie die Portkosten manuell genau definiert werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ERR in Bezug auf die Konvergenzzeit deutlich überlegen ist, jedoch nicht die Flexibilität bietet, die RSTP ermöglicht.
Quelle: habr.com
