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10. Das Spanning Tree Protokoll (STP)

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10Wir stecken nun die redundanten (roten) Verbindungen in unserem Netz mit den vier Catalyst-Swit-ches, das Spanning Tree-Protokoll ist auf den Switches aktiviert. Nach einer kurzen Wartezeit stellt sich folgender Zustand ein:Die Portstatus-LEDs der grünen Switchverbindungen leuchten an beiden Enden grün. Die Portsta-tus-LEDs der roten Switchver-bindungen leuchten am Switch 2 grün und an den Switches 3 und 4 orange, s. Abbildung 10-1. Die Farbe Orange der Portstatus-LEDs der Switches 2 und 4 sig-nalisiert inaktive oder blockierte Ports, die redundanten Verbindun-gen werden durch die Switches selbsttätig blockiert.

Das Spanning Tree-Protokoll (STP)

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10. Das Spanning Tree Protokoll (STP)

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Fällt die Verbindung von Port 23 am Switch 1 zu Port B von Switch 3 aus, z.B. durch Entfer-nen des gekreuzten Patchkabels, wechselt die Kontroll-LED von Port A des Switch 3 von oran-ge nach grün. Der Port A des Switch 3 hat vom inaktiven in den aktiven Zustand gewechselt, s. Abbildung 10-2.

Mit Hilfe des Spanning Tree-Pro-tokolls können wir die redundan-te Pfade stecken. Die Switches erkennen selbsttätig diese redun-danten Pfade und aktivieren nur im Fehlerfall einen redundanten Pfad.

Abb. 10-1: Geswitchtes Ethernet mit redundanten Verbindungen, Spanning Tree ist aktiviert

Abb. 10-2: Geswitchtes Ethernet mit redundanten Verbindungen nach Ausfall einer Verbindung, Spanning Tree ist aktiviert

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10. Das Spanning Tree Protokoll (STP)

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10.1 Erläuterung der Hintergründe zu den Abbildungen 10-1 und 10-2

Mit Hilfe des Spanning Tree-Protokolls nach IEEE 802.1d tauschen die Switches BPDUs (Bridge Protocol Data Units = Brücken-Protokolldateneinheiten) aus. Zunächst geht jeder Switch davon aus, dass er eine Rootbridge (Wurzel-Bezugsbrücke) ist. Die Rootbridge stellt den Bezugs-punkt für das geswitchte Netz dar. Alle Switches konkurrieren darum, Rootbridge zu sein. Der Switch mit der niedrigsten Bridge-ID wird Rootbridge. Die Bridge-ID besteht aus acht Bytes. Die zwei höchstwertigen Bytes sind die Bridgepriorität (Bridge Prio-rity), die sechs niederwertigen Bytes sind die MAC-Adresse des jeweiligen Switches, s. Abbildung 10.1-1.

Im Fabrikauslieferungszustand (Factory Defaults) haben alle Catalyst Switches die Bridgepri-orität 8000H = 32.768dez. Bei Gleichheit der Bridgepriorität ent-scheidet die MAC-Adresse des Switches. Da die MAC-Adresse auf der Welt eindeutig ist, wird auch die Entscheidung, welcher Switch Rootbridge wird, eindeutig entschieden. In unserem Beispiel ergeben sich folgende Bridge-IDs:

Die niedrigste MAC-Adresse hat Switch 1, er wird zur Rootbridge. Die nächst höhere MAC-Adresse hat Switch 2, er wird zur Ersatz-rootbridge. Dann folgen die Swit-ches 3 und 4. Nach einem Ausfall der Rootbridge übernimmt die Ersatzrootbridge deren Funktion.

Abb. 10.1-1: Zusammensetzung der Bridge-ID

Bridge-IDBridgepriorität MAC-Adresse

Switch 1 Catalyst 2950T-24 32.768 00-06-52-5C-6D-C0

Switch 2 Catalyst 2950T-24 32.768 00-08-E3-73-D9-40

Switch 3 Catalyst 1912 32.768 00-30-80-B3-AD-40

Switch 4 Catalyst 1924 32.768 00-D0-BA-CE-3B-80Abb. 10.1-2: Zuordnung der Bridge-ID zu den Switches

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10. Das Spanning Tree Protokoll (STP)

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10.2 Konfiguration der Bridgepriorität

Da die Festlegung der Rootbridge über die MAC-Adressen durch den Zukauf eines weiteren Swit-ches geändert werden kann, ist es sinnvoll die Festlegung der Rootbridge und der Ersatzroot-bridge über die Bridgepriorität vorzunehmen. Die Bridgepriorität kann man konfigurieren. Ein Vorschlag für eine Ände-rung der Bridgeprioritäten:Switch 1 wird über die Bridge-priorität 2048 zur Rootbridge bestimmt. Der Switch 2, der zweite Catalyst 2950, wird durch die Bridgepriorität 4096 zur Ersatzrootbridge. Bei Ausfall von Switch 1 wird so Switch 2 automatisch zur Rootbridge. Die Bridgepriorität der beiden Cata-lyst 1900 wird im Fabrikausliefe-rungszustand 32.768 belassen. Durch die Umkonfiguration der Bridgepriorität wird an der Rang-folge der Switches im bestehen-den Netz nichts geändert. Der resultierende Vorteil der Fest-legung der Rootbridge über die Konfiguration der Bridgepriorität ist:

• Wird ein neuer Switch mit niedrigerer MAC-Adresse der Ebene 2 hinzugefügt, stört die-ser die bisherige Rangfolge der Switches nicht. Durch die Än-derung der Bridgepriorität der Switches 1 und 2 ergeben sich folgende Bridge-IDs:

10.3 Wie werden in Abbildung 10-1 (siehe Seite 71) die aktiven und die redundanten Pfade ermittelt?

Aktive Pfade sind zunächst die Pfade der Switches zur Root-bridge. Gibt es von jedem Switch zur Rootbridge nur einen Pfad, ist die Entscheidung gefallen. So genannte Rootports sind die Ports an den Switches, die den jewei-ligen Switch mit der Rootbridge verbinden. Am anderen Ende der Verbindung, an der Rootbridge, haben wir designierte Ports (Designated Ports). Designierte Ports und Rootports sind aktiv geschaltet, dies wird durch eine grüne Kontroll-LED am jeweiligen Port angezeigt.

Die verbliebenen zwei Pfade, Port 24 Switch 2 zu Port A Switch 4 und Port 23 Switch 2 zu Port A Switch 3, sind redundante Pfade. Redundante Pfade haben auf der einen Seite einen desig-nierten Port und auf der anderen Seite einen inaktiven (blockierten) Port. Eine Seite muss inaktiv sein, damit keine Datenframes übertra-gen werden können und es nicht zu Broadcaststürmen kommt.

Der designierte Port kommu-niziert mit der Rootbridge mit BPDUs. Beide Enden des redun-danten Pfades konkurrieren dar-um, designierter Port zu werden. Designierter Port wird der mit den geringsten Pfadkosten zur Rootbridge.

10.4 Pfadkosten

Die Pfadkosten sind im Allgemei-nen umso geringer, je höher die Datenübertragungsrate auf dem Pfad ist. Bei den Catalyst 1900-Switches werden die Pfadkosten ermittelt, indem 1000 durch die Datenübertragungsrate in Mbit/s dividiert wird (IEEE 802.1D). Das Ergebnis der Division muss immer ganzzahlig sein. Für Ethernet und Fast Ethernet ist dies der Fall:

• Pfadkosten für Ethernet: 1.000/10 = 100

• Pfadkosten für Fast Ethernet: 1.000/100 = 10

Bridge-ID

Bridgepriorität MAC-Adresse

Switch 1 Catalyst 2950T-24 2.048 00-06-52-5C-6D-C0

Switch 2 Catalyst 2950T-24 4.096 00-08-E3-73-D9-40

Switch 3 Catalyst 1912 32.768 00-30-80-B3-AD-40

Switch 4 Catalyst 1924 32.768 00-D0-BA-CE-3B-80Abb. 10.2-1: Zuordnung der geänderten Bridge-ID zu den Switches

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Probleme mit den Pfadkosten gibt es z.B. für 10 Gbit/s-Ether-net. Die 10 Gbit/s-Ethernet-Norm, IEEE 802.3ae, wurde 2002 verabschiedet. Der nach dieser Rechenvorschrift ermit-telte Wert für die Pfadkosten (0,1) ist unzulässig. Die IEEE hat deshalb für die Pfadkosten eine Tabelle herausgegeben, die der Entwicklung der Datenübertra-gungsraten Rechnung trägt, s. Abbildung 10.4-1 (IEEE 802.1t).

Die Pfadkosten der Ports der Catalyst 1900-Switches lassen sich auf die Tabellenwerte konfigurieren, so dass eine stö-rungsfreie Zusammenarbeit mit künftigen Switches möglich ist (Investitionsschutz).

10.5 Netz nach Ausfall von Switch 1

Nach Ausfall von Switch 1 werden die vormals redundanten Verbin-dungen von Switch 2 zu Switch 3 und 4 durch das Spanning Tree-Protokoll automatisch aktiviert. Die grünen Portstatus-LEDs zei-gen uns die aktive Verbindung an. Die Portstatus-LEDs an den Verbindungen von Switch 1 zu den Switches 2, 3 und 4 sind erlo-schen, hier besteht keine physika-lische Verbindung mehr zwischen den Switches (kein Link).

Das verbliebene Netz ist sternför-mig mit Switch 2 im Sternpunkt, es ist schleifenfrei, s. Abbil-dung 10.5-2. Die Verbindungen sind alle aktiv.

Abb. 10.5-1: Portzustände nach Ausfall von Switch 1

Catalyst 192400-D0-BA-CE-3B-80

Ebene 2

Ebene 1

Switch4 Switch3Catalyst 1912

00-30-80-B3-AD-40

Switch2Catalyst 2950

00-08-E3-73-D9-40

Abb. 10.5-2: Sternförmiges geswitchtes Netz

Abb. 10.4-1: Pfadkosten gemäß neuer IEEE-Tabelle nach IEEE 802.1t

Datenübertragungsrate STP-Kosten

4 Mbit/s 250

10 Mbit/s 100

16 Mbit/s 62

45 Mbit/s 39

100 Mbit/s 19

155 Mbit/s 14

622 Mbit/s 6

1 Gbit/s 4

10 Gbit/s 2

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10.6 Einrichten einer redundanten Verbindung zwischen Switch 3 und 4

Es wird zusätzlich zu den Verbin-dungen von Switch 2 zu Switch 3 und 4 eine redundante Verbin-dung von Switch 4 zu Switch 3 gesteckt, s. Abbildung 10.6-1. Die Portstatus-LEDs signalisieren zwei aktive Verbindungen, von Port 24 an Switch 2 zu Port A an Switch 4 und von Port 23 an Switch 2 zu Port A an Switch 3. Die Verbindung von Switch 3 zu Switch 4 zeigt grün am Port B von Switch 3 und orange am Port B von Switch 4. Dies signa-lisiert, die Verbindung zwischen Switch 3 und Switch 4 befindet sich im Standby-Zustand (Bereit-schaftszustand).

Zur Erklärung sehen wir uns in Abbildung 10.6-2 die Switches und ihre MAC-Adressen an. Switch 2 hat auf Grund der nied-rigsten MAC-Adresse die nied-rigste Bridge-ID und wird deshalb zur Rootbridge. Die Ports A von Switch 3 und 4 sind Rootports, die Ports 23 und 24 von Switch 2 sind designierte Ports, diese Ports sind aktiv (grüne LED). Jetzt kon-kurrieren die Ports B von Switch 3 und 4 darum, welcher von beiden designierter Port wird. Beide haben Portkosten zur Rootbridge

von 10 (100 Mbit/s-Verbindung). Bei Gleichheit der Portkosten ent-scheidet die Bridge-ID. Switch 3 hat die niedrigere Bridge-ID, des-halb wird Port B von Switch 3 designierter Port (grüne LED) und Port B von Switch 4 inaktiv geschaltet (orange LED). Die Ver-bindung Port B von Switch 3 zu Port B von Switch 4 ist standby geschaltet. Bei Ausfall einer akti-ven Verbindung wird sie durch das Spanning Tree-Protokoll aktiviert.

Abb. 10.6-1: Sternförmiges Netz mit redundanter Verbindung in Bereitschaft

Abb. 10.6-2: Struktur eines stern-förmigen Netzes mit redundanter Verbindung in Bereitschaft, alle Pfade mit gleichen Kosten

Catalyst 192400-D0-BA-CE-3B-80

Ebene 2

Ebene 1

Switch4 Switch3Catalyst 1912

00-30-80-B3-AD-40

Switch2Catalyst 2950

00-08-E3-73-D9-40

Rootbridge