Loop Avoidance

Spanning Tree Protocol

History

Long ago, a company called Digital Equipment Corporation (DEC) created the original version of Spanning Tree Protocol (STP). The IEEE later created its own version of STP called 802.1d.

Routing protocols like RIP, EIGRP, and OSPF have processes for preventing loops from occurring at the Network layer, but if you have redundant physical links between your switches, these protocols won’t do a thing to stop loops from occurring at the Data Link layer. That’s exactly why STP was developed—to put an end to loop issues in a layer 2 switchednetwork.

Introduction

Le Spanning Tree Protocol (algorithme de l'arbre recouvrant, aussi appelé STP) est un protocole réseau de niveau 2 permettant de déterminer une topologie réseau sans boucle (appelée arbre) dans les LAN avec ponts. Il est défini dans la norme IEEE 802.1D et est basé sur un algorithme décrit par Radia Perlman en 1985

Spanning Tree Protocol (STP) achieves its primary objective of preventing network loops on layer 2 network bridges or switches by monitoring the network to track all links and shut down the redundant ones. STP uses the spanning-tree algorithm (STA) to first create a topology database and then search out and disable redundant links. With STP running, frames will be forwarded on only premium, STP-chosen links.

Le problème

This is a switched network with a redundant topology that includes switching loops. Without some type of layer 2 mechanism in place to prevent a network loop, this network is vulnerable to nasty issues like

Les réseaux commutés de type Ethernet doivent avoir un chemin unique entre deux points, cela s'appelle une topologie sans boucle. En effet, la présence de boucle génère des tempêtes de diffusion qui paralysent le réseau : tous les liens sont saturés de trames de diffusion qui tournent en rond dans les boucles et les tables d'apprentissage des commutateurs deviennent instables.

Une solution serait de ne pas tirer les câbles en surnombre de manière à ne pas avoir de boucles dans le réseau. Néanmoins, un bon réseau doit aussi offrir de la redondance pour proposer un chemin alternatif en cas de panne d'une liaison ou d'un commutateur.

L'algorithme de « spanning tree minimum » garantit l'unicité du chemin entre deux points du réseau tout en n'interdisant pas les câbles en surnombre. Pour cela, il bloque administrativement certains ports des commutateurs.

Mode de fonctionnement

Une topologie sans boucle ressemble à un arbre et à la base de chaque arbre, on trouve ses racines (roots). Dans un réseau commuté, le root bridge (commutateur racine) est élu. Chaque commutateur a une adresse MAC et un numéro de priorité paramétrable (0x8000 par défaut), ces deux nombres constituant l'identifiant de pont (bridge identifier, BID). Le commutateur avec la priorité la plus basse l'emporte, et en cas d'égalité, c'est l'adresse MAC la plus basse qui l'emporte.

En général, l'administrateur du réseau influence le résultat de l'élection pour que le commutateur racine choisi soit le plus près possible du cœur de réseau. Pour cela, il configure la priorité du commutateur racine le plus opportun en fonction de la topologie du réseau, ainsi que la priorité d'un autre commutateur qui deviendra commutateur racine en cas de défaillance du commutateur racine principal.

Les autres commutateurs du réseau vont alors déterminer quel est le port qui possède la « distance » la plus courte vers le commutateur racine. Pour cela, ils utilisent le « coût » de chaque lien traversé, ce coût dépendant de la bande passante du lien. Le « port racine » (root port, RP) sera celui qui mène le plus directement au commutateur racine. Chaque commutateur doit avoir un seul root port. L'élection d'un root port est effectuée d'après les champs path cost et port ID d'un paquet BPDU. En cas d'égalité, c'est le port ayant le port ID le plus faible qui sera élu.

Pour chaque segment réseau reliant des commutateurs, un « port désigné » (designated port, DP) est ensuite déterminé. Ces segments peuvent relier plus de deux commutateurs. Le port désigné est le port relié au segment qui mène le plus directement à la racine.

Les ports qui ne sont ni racine, ni désignés sont bloqués. Un port bloqué peut recevoir des paquets BPDU mais ne peut pas en émettre.

Changements de topologie

Technic

Port Costs

Spanning-Tree Terms

Now, before I get into describing the details of how STP works within a network, it would be good for you to have these basic ideas and terms down first:

Root bridge The root bridge is the bridge with the lowest and, therefore, the best bridge ID. The switches within the STP network elect a root bridge, which becomes the focal point in the network. All other decisions in the network, like which ports on the non-root bridges should be blocked or put in forwarding mode, are made from the perspective of the root bridge, and once it has been elected, all other bridges must create a single path to it. The port with the best path to the root bridge is called the root port.

Non-root bridges These are all bridges that aren’t the root bridge. Non-root bridges exchange BPDUs with all the other bridges and update the STP topology database on all switches. This prevents loops and helps defend against link failures.

BPDU All switches exchange information to use for the subsequent configuration of the network. Each switch compares the parameters in the Bridge Protocol Data Unit (BPDU) that it sends to a neighbor with the parameters in the BPDU that it receives from other neighbors. Inside the BPDU is the bridge ID.

Bridge ID The bridge ID is how STP keeps track of all the switches in the network. It’s determined by a combination of the bridge priority, which is 32,768 by default on all Cisco switches, and the base MAC address. The bridge with the lowest bridge ID becomes the root bridge in the network. Once the root bridge is established, every other switch must make a single path to it. Most networks benefit by forcing a specific bridge or switch to be on the root bridge by setting its bridge priority lower than the default value.

Port cost Port cost determines the best path when multiple links are used between two switches. The cost of a link is determined by the bandwidth of a link, and this path cost is the deciding factor used by every bridge to find the most efficient path to the root bridge.

Path cost A switch may encounter one or more switches on its path to the root bridge, and there may be more than one possible path. All unique paths are analyzed individually, and a path cost is calculated for each unique path by adding the individual port costs encountered on the way to the root bridge.

Bridge Port Roles

STP Ports States

Cinq états de ports peuvent rencontrés consécutivement sur un port avant que STP ait convergé. Chaque état comporte un délai qui varie en fonction de la version de STP utilisée sur le commuateur Cisco. En voici les propriétés. Le compteur "age maximum" (Max Age) de 20 secondes par défaut est le temps maximal avec que STP effectue de nouveaux calculs quand une interface ne reçoit plus de BPDUs. Le temps de "forwarding" de 15 secondes par défaut est le temps de passage d'un état "listening" à "learning" et de "learning" à "forwarding". Bref, une topologie peut prendre jusqu'à 50 secondes avant de converger et de transférer du trafic. Aussi, la fréquence d'envoi de BPDUs Hello est de 2 secondes par défaut.

• Rejette toutes les trames de données venant du segment attaché
• Rejette toutes les trames de données venant d'un autre port de transfert
• N'intègre aucune emplacement de station dans sa MAC table (il n'y pas d'apprentissage)
• Reçoit les BPDUs et les transmet à son système
• N'envoie pas de BPDUs reçus de son système
• Répond à SNMP