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Le protocole Spanning Tree

protocole spanning tree

Introduction

STP (Spanning Tree Protocol) est défini dans la norme IEEE 802.1d.

Cela fonctionne, bien sûr, au niveau de la couche 2 pour maintenir une topologie exempte de boucles physiques, au prix dun routage de trames mal géré.

À moins de parler dun réseau local fortement encombré, les inconvénients de lutilisation de STP sont imperceptibles, tout en parlant des avantages, la libération des boucles infinies évite de gros problèmes, problèmes qui peuvent conduire à rendre le réseau complètement inutilisable en raison de linondation générée par la diffusion. tempêtes, boucles de trafic inconnu transmises à linfini et multidiffusion folle.

Les chemins redondants, tout en garantissant la fiabilité et la reprise sur panne, posent de nombreux problèmes à nos amis commutateurs. Parmi les fondamentaux, Cisco rappelle les Broadcast Storms (où le Broadcast et le Multicast, ce dernier traité de la même manière que le premier au niveau 2, sont mis dans un cercle vicieux et délétère et retransmis en permanence), linstabilité dans lorganisation du Table CAM (les trames sont reçues sur plusieurs ports, les redondants, et les adresses sources relatives appris plusieurs fois causant des problèmes dindécision au commutateur) et de plus, la transmission de plusieurs trames identiques, même si ces dernières, sont rejetées une fois que vous atteignez les couches supérieures et plus ou moins contrôlées par les protocoles plus intelligents qui y résident.

Rappelons quà la couche 2, il ny a pas de méthodes qui contrôlent la durée de vie de la trame, comme cela arrive par exemple à la couche 3 en routage avec Time To Live (TTL), qui tue le paquet après quelques passages en diminuant la valeur TTL à chaque étape sur un saut.

Cela dit, on comprend mieux à quel point il est nécessaire davoir un remède aux multiples maux du switch redondant : le STP est le remède.

STP ne fait rien dautre que mettre les ports du commutateur dans létat BLOCKING ou FORWARDING. Ce que signifient ces deux états, cela semble évident et compréhensible daprès le nom.

Les ports dans létat FORWARDING sont considérés comme appartenant au même Spanning Tree. Ce nest rien de plus quun chemin propre, sans liens redondants, avec un seul chemin pour atteindre nimporte quelle destination. Les portes en BLOCAGE sont celles qui, selon lalgorithme, sont les itinéraires les plus gênants pour atteindre la même destination.
Les liens rendus inopérants par STP restent en attente ; lorsquun chemin échoue en raison dun problème, ils agissent pour garantir la continuité de service de manière transparente et rendent la redondance utile et intelligente.

Comme nous lavons mentionné au début, STP rend le réseau commuté exempt de boucles physiques. Ceux-ci sont donnés uniquement par trois types de trafic :

  • Diffuser
  • Inconnue
  • Multidiffusion
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Exemple

Nous avons 4 commutateurs :

A envoie une émission, B la reçoit et comme prévu lenvoie par la porte e0 / 2, arrive à D qui fait de même, et C fait de même. La balle retourne à A qui voit une émission et la renvoie. cette trame fonctionnera indéfiniment avec toutes les autres générées. La même chose se produira pour la multidiffusion et pour le trafic de type inconnu. Résultat : le réseau sera inutilisable ou fortement congestionné en peu de temps.

Notre ami STP calcule à la place grâce à la coopération de tous les commutateurs et décide que le lien entre A et C peut être sacrifié, car les commutateurs peuvent très bien communiquer entre eux en utilisant le chemin restant, éliminant le problème que nous avons vu.

Imaginez la situation davant, et réalisez que nous avons fait table rase du trafic anormal.

Et si le lien entre A et B est perdu ? Ne vous inquiétez pas, STP calcule et active le lien AC. Lutilisateur final ne saura même pas ce qui sest passé, ou presque.

Opération

STP décide quelles interfaces sont actives ou non. Tracez un itinéraire, calculé sur une base solide, comme nous le verrons plus tard. Si une interface nest pas dans le chemin choisi, elle est mise dans létat BLOQUANT.

STP élit un pont principal appelé pont racine, sur lequel tous les ports sont à létat FORWARDING. Tous les autres ponts, en revanche, se contentent dun port racine, choisi parmi ceux à moindre coût dans le chemin vers le pont racine. Le port racine passe en FORWARDING. Et larbre prend forme.

Sur chaque segment du réseau commuté, STP sélectionne un port désigné qui réside toujours sur le commutateur avec le coût le plus bas dans le chemin vers le pont racine, où tout commence. Le port désigné est dans létat FORWARDING et transmettra le trafic sur ce segment.

Tout le reste passe à létat BLOCAGE. Afin de ne pas créer de fausses images mentales, un port dans cet état ne peut pas transmettre de trafic, mais il peut toujours en recevoir.

De plus, vous devez être très prudent : les informations qui circulent entre les commutateurs de notre arbre sont reçues par tous les commutateurs et ports dans nimporte quel état. Il est essentiel que chacun continue de recevoir en permanence des informations fraîches afin que nous puissions être prêts et avoir des références fiables lorsquil est nécessaire de changer le Spanning Tree.

Lorsquun lien échoue, le jeu daffectation recommence et il en va de même lorsquun nouveau commutateur entre dans le réseau.

Logique Spanning Tree

Voyons maintenant en détail comment les informations sont échangées et comment elles sont utilisées dans la désignation des bureaux. Chaque commutateur envoie des trames appelées BPDU (Bridge Protocol Data Units) convenablement formatées pour contenir les informations usuelles. Au début du processus, chaque commutateur indique aux autres quil sagit du pont racine. Les BPDU contiennent diverses informations, notamment :

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- BID (Bridge ID) = lidentification de lappareil, constituée de la concaténation de la valeur « prioritaire », par défaut 32768 avec une plage de 0 à 65535 et dune des adresses MAC, cette dernière valeur pouvant également être spécifié à la main. La valeur BID est meilleure la plus basse.

- Coût = cette valeur est 0 pour linstant, car elle indique la distance de lappareil au pont racine. Étant convaincu que vous êtes le pont racine, réglez le coût sur 0.

Le Root Bridge est élu sil a le BID le plus bas. Lélection dépend en pratique de la priorité qui peut être attribuée par ladministrateur. Ce nest quen cas dégalité de priorité que lon vérifie le MAC le plus bas pour décider qui sera élu. Dès quun switch reçoit un Hello BPDU contenant un BID inférieur, il arrête de se proclamer root, tant quil nen reste plus quun. Le perdant narrête pas denvoyer Hello, mais continue plutôt, spammant le BID du pont gagnant pour le LAN.

Comme déjà mentionné, le leader du Spanning Tree met tous les ports en FORWARDING. Pendant ce temps, les autres commutateurs choisissent un port racine, celui qui reçoit au moindre coût les BPDU du pont racine et les met en FORWARDING. Le commutateur désigné et le port désigné sont choisis dans les segments selon lesquels on se trouve dans le chemin au moindre coût, toujours vers la racine du Spanning Tree.

Le coût est lunité de mesure fondamentale dans la construction de larbre. Il peut toujours être défini par ladministrateur, afin quil puisse influencer le processus délection à sa guise, ou il peut être laissé aux valeurs par défaut établies par lIEEE (Cisco utilise ces valeurs dans Catalysts), établies dans les années 1980 et révisées dans le 1990 avec lavènement du Gigabit Ethernet. En effet, le type de média influence le coût par défaut.

Le coût total dun chemin est donné par la somme du coût contenu dans la BPDU reçue par un commutateur et celui du chemin de réception.
Télé réalité

Toutes les deux secondes, par défaut, un Hello BPDU est lancé et le coût ajouté par le commutateur récepteur qui à son tour lance son propre Hello. Lorsquun pont ne reçoit plus Hello, il pense que quelque chose ne va pas et commence le processus de réélection pour rétablir un chemin de travail. Les options qui affectent la vitesse de réaction sont le Hello Time, qui est le temps dattente, 2 secondes par défaut, quun pont passe entre un BPDU et lautre et le MAx Age, par défaut 20 secondes et généralement multiple du Hello time, qui établit combien de temps un commutateur doit attendre sans recevoir Hello avant de réagir et dessayer de modifier le Spanning Tree.

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Lorsquune liaison tombe en panne et quun commutateur sen aperçoit, il peut réagir et transférer le trafic avant que la convergence ne soit terminée sur lensemble du réseau. Cela peut créer, bien que pour une courte période, des doubles chemins et les boucles physiques habituelles, anciennes et redoutées. Pour éviter cela, le commutateur place les ports dans deux états transitoires avant de passer de BLOCKING à FORWARDING. Ces états sont LISTENING et LEARNING et la transition est régulée par le paramètre Forward Delay. Le premier état écoute les BPDU contenant de meilleures solutions tandis que le second apprend le nouvel emplacement des adresses MAC pour écrire la nouvelle table CAM. Pendant 50 secondes au total, le commutateur attend 20 secondes pour sassurer quil a cessé de recevoir Hello, 15 secondes sont passées en ÉCOUTE et 15 autres en APPRENTISSAGE pour apprendre les adresses physiques et leur position par rapport au nouveau chemin. Après cela, la porte passe en TRANSMISSION. Dans létat LISTENING, le pont racine envoie une trame appelée TCN, ou Topology Change Notification, où il indique aux autres membres de larbre couvrant de temporiser les anciennes adresses MAC en mémoire. La convergence nous coûte donc 50 secondes. De nombreux! Les remèdes extrêmes sont donc indispensables.

Etherchannel et Portfast

Deux à huit liaisons fonctionnent en parallèle entre deux commutateurs et sont considérées par STP comme une seule. Lavantage est que si un lien tombe en panne, STP continue dutiliser les autres et ne recalcule pas larbre couvrant tant quau moins un des liens est actif. Un autre avantage évident dEtherchannel est que tous les liens sont FORWARDING ou BLOCKING et, par conséquent, la bande passante disponible augmente à mesure que les liens dun seul canal augmentent.
La mise en œuvre de plusieurs liens sans utiliser etherchannel entraînerait le blocage de tous les liens sauf un par STP.

Portfast est utile lorsque lappareil connecté nest pas un commutateur ou un pont appartenant au Spanning Tree. Essentiellement, cela vous permet de mettre un port en transfert sans attendre lexpiration des temporisateurs STP.

Il est utile pour Layer Access ou partout où des périphériques dutilisateur final sont connectés qui ne sont pas des créateurs potentiels de boucles physiques.

Enfin… la norme IEEE 802.1w définit RSTP, le petit frère rapide de STP, qui résout le problème de convergence lente et introduit quelques innovations. Fondamentalement, un allié plus fiable pour les réseaux modernes. RSTP est implémenté dans les images IOS et CatOS qui contiennent les initiales EI. Bien que le concept reste le même, quelques astuces permettent de mieux gérer le protocole, et de meilleurs temps de réponse et convergence.

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