Поддержка алгоритма Spanning Tree

Алгоритм покрывающего дерева - Spanning Tree Algorithm (STA) позволяет коммутаторам автоматически определять древовидную конфигурацию связей в сети при произвольном соединении портов между собой. Для нормальной работы коммутатора требуется отсутствие замкнутых маршрутов в сети. Эти маршруты могут создаваться администратором специально для образования резервных связей или же возникать случайным образом.

Рис. 6.10. Влияние замкнутых маршрутов на работу мостов

Результаты наличия петли перечислены ниже.

1. «Размножение» кадра, то есть появление нескольких его копий (в данном случае – двух, но если бы сегменты были соединены тремя мостами – то трех и т.д.)
2. Бесконечная циркуляция обеих копий кадра по петле в противоположных направлениях, а значит, засорение сети ненужным трафиком.
3. Постоянная перестройка мостами своих адресных таблиц, так как кадр с адресом источника 10 будет появляться то на одном порту, то на другом. Древовидные структуры гарантируют наличие только одного пути между любыми двумя сегментами. Тогда кадры от каждой станции будут поступать в мост всегда с одного и того же порта, и мост сможет правильно решать со стороны какого порта действительно находится станция.

Алгоритм Spanning Tree описан в стандарте IEEE 802.1D, который определяет принципы работы прозрачных мостов. Коммутаторы находят покрывающее дерево адаптивно, с помощью обмена служебными пакетами. Реализация в коммутаторе алгоритма STA очень важна для работы в больших сетях – если коммутатор не поддерживает этот алгоритм, то администратор должен самостоятельно определить, какие порты нужно перевести в заблокированное состояние, чтобы исключить петли. К тому же при отказе какого-либо кабеля, порта или коммутатора администратор должен, во первых, обнаружить факт отказа, а во вторых, ликвидировать последствия отказа, переведя резервную связь в рабочий режим путем активации некоторых портов. При поддержке коммутаторами сети протокола Spanning Tree отказы обнаруживаются автоматически, за счет постоянного тестирования связности сети служебными пакетами. После обнаружения потери связности протокол строит новое покрывающее (еще называется ”остовное”) дерево, если это возможно, и сеть автоматически восстанавливает свою работоспособность. Алгоритм Spanning Tree определяет активную конфигурацию сети за три этапа.

1. Сначала в сети определяется корневой коммутатор (root switch), от которого строится дерево. Корневой коммутатор может быть выбран автоматически или назначен администратором. При автоматическом выборе корневым становится коммутатор с меньшим значением МАС – адреса его блока управления (если коммутатор поддерживает удаленное управление, то соответствующий блок имеет свой МАС – адрес, тогда как стандартно ни сам коммутатор, ни его порты МАС – адресов не имеют).

2. Затем, на втором этапе, для каждого коммутатора определяется корневой порт (root port) – это порт, который имеет по сети кратчайшее расстояние до любого из портов корневого коммутатора.

3. И наконец, на третьем этапе для каждого сегмента сети выбирается так называемый назначенный порт (designated port) – это порт, который имеет кратчайшее расстояние от данного сегмента до корневого коммутатора. Корневой и назначенный порт могут выбираться не по маршруту с минимальным расстоянием, а по маршруту с максимальной пропускной способностью.

После определения корневых и назначенных портов каждый коммутатор блокирует остальные порты, которые не попали в эти два класса портов. Можно математически доказать, что при таком выборе активных портов сети исключаются петли и оставшиеся связи образуют покрывающее дерево (если оно может быть построено при существующих связях в сети).

Основным недостатком протокола STA 802.1D является достаточно большое время реконфигурации сети после отказа связи (около 50 с). Для ускорения работы протокола принят новый стандарт IEEE 802.1W.