Wege zur besten Baumstruktur
Evolution des Spanning Tree Protocols
Eine praktische Anwendung des Spanning-Tree-Algorithmus ist das Spanning Tree Protocol (STP) für Computernetzwerke. Weiterentwicklungen von STP beheben seine Schwächen und lösen spezifische Probleme. Dazu zählen beispielsweise das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) und Entwicklungen der Hersteller Oring, Ruggedcom, Moxa und Hirschmann.Die theoretische Grundlage zum Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1d) bildet der Spannbaum (Spanning Tree) aus der Graphentheorie. Beispiele für die praktische Umsetzung des Spannbaums finden sich bei Telefonnetzen oder in Computernetzwerken. In Computernetzwerken kommen das Spanning Tree Protocol und seine Abkömmlinge unter anderem zum Einsatz, um eindeutige Kommunikationswege zwischen den einzelnen Bridges (Brücken) zu gewährleisten. Brigde und Switch sind in diesem Kontext synonym verwendbar, da ein Switch als Multi-Port-Brigde fungiert. Innerhalb des OSI-Schichtenmodells baut das STP auf der Sicherungsschicht (Data Link Layer) auf. Diese zweite Schicht des insgesamt siebenschichtigen Modells garantiert die möglichst fehlerfreie Übertragung. Im Zentrum des Spanning Tree Protocols steht das Vermeiden von redundanten Pfaden beziehungsweise Schleifen im Netzwerk, damit Datenpakete (Frames) nicht dupliziert werden und dadurch Fehler in höher liegenden Schichten verursachen. Das Prinzip des Spanning Tree Protocols ist eine zentrale Bridge, die so genannte Root Bridge, die von jedem Netzwerkteilnehmer (Knoten) über einen einzigen Kommunikationsweg (Pfad) zu erreichen ist. Die Pfade können hardwareseitig doppelt vorhanden sein. In diesem Fall ist der zweite Pfad als Backup oder Backup Path temporär blockiert. Über wenige Schritte lässt sich die Topologie des Netzwerks berechnen: Dazu gehört das Ermitteln der Root Bridge sowie das Bestimmen des günstigsten Wegs jeder Bridge zur Root Bridge, anschließend bindet das System jede Komponente in die Netzwerkstruktur ein und vervollständigt die Topologie. Um eine Bridge als Root Bridge festzulegen, ist zunächst die Bridge ID (Brückenkennung) auszuwerten. Je kleiner die Bridge ID, desto höher ist die Priorität und umso höher die Chance, Root Bridge zu werden. Bei gleicher Bridge ID wertet das System zusätzlich die MAC-Adresse (Media Access Control) aus. Auch dabei gilt: Je kleiner der numerische Wert, desto höher die Priorität. Ist die Root Bridge berechnet, folgt der nächste Schritt: Das Bestimmen des Root Ports (Root-Anschluss). Der Root Port ist die günstigste Verbindung zur Root Bridge. Die Root Bridge selbst hat keinen Root Port. Die Berechnung dieser günstigsten Verbindung erfolgt über die so genannten Wegkosten. Derjenige Port mit den geringsten Wegkosten zur Root Bridge wird zum Root Port. Die Wegkosten berechnen sich aus der Summe der Geschwindigkeiten jedes einzelnen Ports von der jeweiligen Bridge zur Root Bridge. Diese Geschwindigkeiten sind virtuelle Werte und IEEE-genormt. Sind die Wegkosten für mehrere Kommunikationswege gleich, wertet das System zusätzlich die Bridge ID und die jeweilige Port ID (Anschlusskennung) aus. Der kleinere numerische Wert genießt die höhere Priorität und wird damit zum Root Port. Nun folgt die Einbindung in die gesamte Baumstruktur. Die Root Bridge baut zunächst eine Baumstruktur zu allen Bridges auf und berechnet anschließend die Baumstruktur mit den jeweils geringsten Wegkosten. Diese berechnete Struktur propagiert die Root Bridge an die übrigen Bridges im Netzwerk weiter. Redundante Pfade werden temporär deaktiviert und nur ein eindeutiger Pfad zwischen den jeweiligen Bridges und der Root Bridge bleibt aktiv, um Schleifen im Netz zu verhindern. Die Kommunikation zwischen den Bridges ist über so genannte Bridge Protocol Data Units (BPDU) realisiert. Das Spanning Tree Protocol kennt zwei verschiedene Typen der BPDUs: die Configuration BPDU und die Topology Change Notification BPDU (TCN). Configuration BPDUs sind für die Berechnung der Netzwerktopologie zuständig und die Topology Change Notification für Mitteilungen über Änderungen innerhalb der Netzwerktopologie. Die TCN enthält im Vergleich zur Configuration BPDU nur die ersten Felder mit den Inhalten Protocol ID (Protokollkennung), Protocol Version ID (Protokollversionskennung) und BPDU-Typ. Die Configuration BPDU enthält weitere Felder, zum Beispiel mit der Root Bridge ID, den Wegkosten zur Root Bridge, der ID des versendenden Ports und dem Alter der BPDU. Nachdem die Netzwerkstruktur vollständig aufgebaut ist, tauschen die Bridges untereinander BPDUs aus, um zu überprüfen, ob die benachbarte Bridge erreichbar ist. In regelmäßigen Zeitintervallen, der so genannten Hello-Zeit, senden die Bridges die Pakete an die jeweils benachbarte Bridge. Trifft für die dreifache Hello-Zeit die erwartete BPDU nicht ein, nimmt das System einen Fehler oder Defekt an und initiiert eine Neuberechnung der Netzwerktopologie. Durch verschiedene Konventionen innerhalb des STP, zum Beispiel das Abwarten der dreifachen Hello-Zeit, können vom Ausfall einer Komponente bis zur Wiederherstellung des Netzwerks 30 Sekunden vergehen. Das Netzwerk ist für diese Zeit nicht verfügbar. Folglich waren Verbesserungen des Spanning Tree Protocols gefragt. Verschiedene Hersteller suchten daher nach Lösungen, die im Nachfolger Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w) zusammenflossen. Beim RSTP erfolgt eine Neuorganisation der Netzwerktopologie, sobald ein deaktivierter Port in einen aktiven Status wechselt. Dies hat den Vorteil, dass die Wartezeit der dreifachen Hello-Zeit entfällt. Die einfache Hello-Zeit beträgt etwa zwei Sekunden. Zusätzlich kann jede Bridge TCNs an benachbarte Bridges schicken, ohne vorher eine entsprechende Nachricht von der Root Bridge erhalten zu haben, wie es noch beim STP der Fall war. Unterbrochene Verbindungen lassen sich so schneller lokalisieren und die Neuberechnung des Netzwerks initiieren. Die Dauer vom Auftreten des Fehlers bis zur Wiederherstellung beträgt beim RSTP nur noch einige hundert Millisekunden Aber nicht nur Defekte oder Fehler können eine Topologieänderung hervorrufen, sondern auch das Hinzufügen einer neuen Bridge oder manuelle Eingriffe, zum Beispiel, um die Prioritäten zu verändern, wenn ein bestimmter Pfad zu bevorzugen ist. Ein weiterer Nachfolger ist das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP, IEEE 802.1s). Es unterstützt mehrere voneinander unabhängige Spannbauminstanzen und gewährleistet eine Lastverteilung zwischen VLANs (Virtual Local Area Network). Neben den Standards entwickelten verschiedene Hersteller proprietäre RSTP-Varianten, zum Beispiel Open-Ring von Oring, Hiper-Ring von Hirschmann, ERSTP von Ruggedcom und Turbo Ring von Moxa. Das Open-Ring-Protokoll von Oring unterstützt laut Hersteller neben den STP-Standards sämtliche proprietären Varianten. Für den professionellen Anwender bedeutet dies: Er kann in einer Umgebung Switches von Oring mit denen jeglicher Hersteller kombinieren. Dadurch sind die Oring-Switches problemlos in ein bestehendes Netzwerk zu integrieren. Die Hirschmann-Switches verwenden den Hiper-Ring als proprietäre Variante des RSTPs. Zentrales Prinzip des Hiper-Rings ist die Aufteilung eines Netzwerks in Ringe, die wiederum redundant miteinander verbunden sind. Der Hersteller garantiert nach eigenen Angaben eine Wiederherstellungszeit von unter 500 ms in einem Netzwerk mit bis zu 50 Switches und einem Leitungsweg von bis zu 3.000 km. Ruggedcom erweiterte das RSTP-Protokoll in zweierlei Hinsicht: Der Hersteller verkürzt die Wiederherstellungszeit auf wenige Millisekunden zwischen zwei Switches und erhöht die mögliche Zahl der im Netzwerk beteiligten Switches von 40 (RSTP) auf 160. Moxa entwickelte als eigene RSTP-Variante das Protokoll Turbo Ring. Laut Hersteller liegen die Wiederherstellungszeiten in einem Netzwerk mit bis zu 250 Switches bestehend aus einem einfachen Ring unter 20 ms.
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