Spanning Tree Protocol (STP)

• Spanning Tree Protocol (STP) ist ein Netzwerkprotokoll zur Vermeidung von Schleifen in Ethernet-Netzwerken.
• Schleifen entstehen durch mehrfache Pfade zwischen Netzwerkgeräten, was zu Broadcast-Stürmen und Netzwerkinstabilität führen kann.
• STP blockiert redundante Pfade logisch, während ein Pfad aktiv bleibt, um Konnektivität zu gewährleisten.
• Bei Ausfall des aktiven Pfads aktiviert STP automatisch einen blockierten Pfad zur Wiederherstellung der Netzwerkverbindung.
• Hauptziele von STP sind die Vermeidung von Schleifen, Gewährleistung der Netzwerkkonnektivität und Minimierung von Ausfallzeiten.

Funktionsweise von STP

• STP basiert auf dem Spanning-Tree-Algorithmus (STA) zur Berechnung eines schleifenfreien Pfads durch das Netzwerk.
• Der Algorithmus wählt eine Root-Bridge als Bezugspunkt für alle Pfadberechnungen.
• Die Root-Bridge ist in der Regel die Bridge mit der niedrigsten Bridge-ID (BID), bestehend aus Bridge-Priorität und MAC-Adresse.
• Jede andere Bridge berechnet ihren optimalen Pfad zur Root-Bridge basierend auf den Pfadkosten.
• Pfadkosten werden durch die Bandbreite der Verbindung bestimmt; höhere Bandbreite bedeutet niedrigere Kosten.
• STP wählt für jedes Segment einen Designated Port mit den geringsten Root Path Cost aus.
• Der Root Port einer Bridge hat die geringsten Kosten, um die Root-Bridge zu erreichen.
• Designated Ports leiten Frames weiter und Root Ports bieten den besten Pfad zur Root-Bridge.

BPDU (Bridge Protocol Data Unit)

• Bridges tauschen BPDU-Nachrichten aus, um Informationen über die Netzwerkstruktur auszutauschen.
• BPDUs werden zur Ermittlung der Root-Bridge, Auswahl von Root-Ports und Bestimmung von Designated Ports verwendet.
• Es gibt zwei Haupttypen von BPDUs: Configuration BPDUs und Topology Change Notification (TCN) BPDUs.
• Configuration BPDUs enthalten Informationen über Bridge-ID, Root-Pfadkosten und Designated Bridge-ID.
• TCN BPDUs melden Änderungen in der Netzwerktopologie, wie z. B. Linkausfälle oder -wiederherstellungen.

STP-Portzustände

• STP definiert verschiedene Portzustände, um den Status eines Ports im Spanning Tree widerzuspiegeln.
• Blocking: Der Port empfängt BPDUs, leitet aber keine Daten weiter, um Schleifen zu verhindern.
• Listening: Der Port hört auf BPDUs und nimmt an der Wahl der Root-Bridge und der Designated Ports teil.
• Learning: Der Port lernt MAC-Adressen von Frames, die er empfängt, leitet aber noch keine Daten weiter.
• Forwarding: Der Port leitet Daten weiter und nimmt am normalen Netzwerkverkehr teil.
• Disabled: Der Port ist administrativ deaktiviert und nimmt nicht am STP-Prozess teil.

STP-Timer

• STP verwendet verschiedene Timer, um den Übergang zwischen Portzuständen zu steuern und Netzwerkkonvergenz sicherzustellen.
• Hello Time: Das Intervall, in dem Bridges Configuration BPDUs senden (standardmäßig 2 Sekunden).
• Max Age: Die maximale Zeit, die eine Bridge auf eine BPDU warten sollte, bevor sie die Verbindung als ausgefallen betrachtet (standardmäßig 20 Sekunden).
• Forward Delay: Die Zeit, die ein Port im Listening- und Learning-Zustand verbringt (standardmäßig 15 Sekunden).

STP-Konvergenz

• Konvergenz bezieht sich auf den Prozess, bei dem STP nach einer Topologieänderung einen neuen schleifenfreien Pfad erstellt.
• Die STP-Konvergenzzeit kann durch Anpassen der STP-Timer beeinflusst werden, was aber die Netzwerkstabilität beeinträchtigen kann.
• Rapid STP (RSTP) und Multiple STP (MSTP) wurden entwickelt, um die Konvergenzzeiten zu verbessern und eine feinere Steuerung des Spanning Tree zu ermöglichen.

Varianten von Spanning Tree Protokoll

Common Spanning Tree (CST)

• Ursprüngliche STP-Implementierung, die einen einzigen Spanning Tree für das gesamte Netzwerk erstellt.
• Behandelt das gesamte Netzwerk als eine einzige Bridge, was zu einer suboptimalen Pfadwahl in komplexen Topologien führen kann.
• Sendet und empfängt BPDUs über das gesamte VLAN.

Per-VLAN Spanning Tree (PVST)

• Erstellt eine separate Spanning-Tree-Instanz für jedes VLAN im Netzwerk.
• Ermöglicht eine bessere Lastverteilung und optimierte Pfadwahl pro VLAN.
• Proprietär für Cisco.

Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+)

• Eine Erweiterung von PVST, die die Interoperabilität mit CST unterstützt.
• Kann CST-BPDUs verstehen und mit CST-Bridges in einem Netzwerk koexistieren.
• Proprietär für Cisco.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)

• Eine aktualisierte Version von STP, die schnellere Konvergenzzeiten bietet.
• Verwendet neue BPDU-Formate und -Mechanismen, um Topologieänderungen schneller zu erkennen und zu beheben.
• Kann Topologieänderungen viel schneller erkennen und darauf reagieren als STP.
• Definiert neue Portrollen, z. B. Alternate- und Backup-Ports, um die Konvergenz zu beschleunigen.
• IEEE-Standard 802.1w.

Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)

• Erweitert RSTP, um mehrere Spanning-Tree-Instanzen in einem Netzwerk zu unterstützen.
• Ermöglicht das Gruppieren von VLANs in MST-Instanzen, wodurch die Ressourcennutzung optimiert und die Komplexität reduziert wird.
• Bietet eine feinere Steuerung des Spanning Tree und ermöglicht die Lastverteilung über mehrere Pfade.
• IEEE-Standard 802.1s.
• MSTP ist mit RSTP abwärtskompatibel.

Vorteile von STP

• Verhindert Netzwerkschleifen und Broadcast-Stürme.
• Bietet automatische Pfadredundanz und Failover.
• Verbessert die Netzwerkstabilität und -zuverlässigkeit.
• Einfach zu konfigurieren und zu verwalten.

Nachteile von STP

• Kann zu suboptimalen Pfadwahl und Lastverteilung führen (insbesondere bei CST).
• Langsame Konvergenzzeiten können zu Ausfallzeiten führen (insbesondere bei STP).
• Zusätzliche Komplexität bei der Konfiguration und Fehlerbehebung (insbesondere bei MSTP).

Das Spanning Tree Protocol (STP) verhindert Schleifen in Ethernet-Netzwerken, die durch redundante Pfade entstehen. STP blockiert logisch redundante Pfade und aktiviert bei Bedarf einen blockierten Pfad, um die Netzwerkkonnektivität wiederherzustellen. Ziel ist es, Schleifen zu vermeiden, die Konnektivität zu gewährleisten und Ausfallzeiten zu minimieren.