Das Spanning Tree Protocol, manchmal auch nur Spanning Tree genannt, ist das Waze oder MapQuest moderner Ethernet-Netzwerke, das den Datenverkehr basierend auf Echtzeitbedingungen entlang der effizientesten Route leitet.
Basierend auf einem Algorithmus, den die amerikanische Informatikerin Radia Perlman 1985 während ihrer Arbeit für Digital Equipment Corporation (DEC) entwickelte, besteht der Hauptzweck von Spanning Tree darin, redundante Verbindungen und die Schleife von Kommunikationspfaden in komplexen Netzwerkkonfigurationen zu verhindern.Als sekundäre Funktion kann Spanning Tree Pakete um Krisenherde herumleiten, um sicherzustellen, dass die Kommunikation durch Netzwerke geleitet werden kann, in denen möglicherweise Störungen auftreten.
Spanning Tree-Topologie vs. Ring-Topologie
Als Unternehmen in den 1980er Jahren gerade erst damit begannen, ihre Computer zu vernetzen, war das Ringnetzwerk eine der beliebtesten Konfigurationen.Beispielsweise führte IBM 1985 seine proprietäre Token-Ring-Technologie ein.
In einer Ringnetzwerktopologie verbindet sich jeder Knoten mit zwei anderen Knoten, einem vor ihm im Ring und einem dahinter.Signale bewegen sich im Ring nur in einer Richtung, wobei jeder Knoten auf dem Weg alle Pakete, die sich im Ring bewegen, weiterleitet.
Während einfache Ringnetzwerke gut funktionieren, wenn nur eine Handvoll Computer vorhanden sind, werden Ringe ineffizient, wenn einem Netzwerk Hunderte oder Tausende von Geräten hinzugefügt werden.Ein Computer muss möglicherweise Pakete über Hunderte von Knoten senden, nur um Informationen mit einem anderen System in einem angrenzenden Raum auszutauschen.Bandbreite und Durchsatz werden auch dann zu einem Problem, wenn der Datenverkehr nur in eine Richtung fließen kann und es keinen Backup-Plan gibt, falls ein Knoten auf dem Weg kaputt oder übermäßig überlastet ist.
In den 90er Jahren, als Ethernet schneller wurde (100 Mbit/s. Fast Ethernet wurde 1995 eingeführt) und die Kosten eines Ethernet-Netzwerks (Brücken, Switches, Verkabelung) erheblich günstiger wurden als bei Token Ring, gewann Spanning Tree die LAN-Topologiekriege und Token Der Ring verschwand schnell.
So funktioniert Spanning Tree
Spanning Tree ist ein Weiterleitungsprotokoll für Datenpakete.Er ist einerseits Verkehrspolizist und andererseits Bauingenieur für die Netzwerkautobahnen, über die Daten übertragen werden.Es befindet sich auf Schicht 2 (Datenverbindungsschicht), es geht also lediglich darum, Pakete an ihr entsprechendes Ziel zu verschieben, und nicht darum, welche Art von Paketen gesendet werden oder welche Daten sie enthalten.
Spanning Tree ist so allgegenwärtig geworden, dass seine Verwendung im definiert istNetzwerkstandard IEEE 802.1D.Wie im Standard definiert, darf zwischen zwei beliebigen Endpunkten oder Stationen nur ein aktiver Pfad existieren, damit diese ordnungsgemäß funktionieren.
Spanning Tree soll die Möglichkeit ausschließen, dass die Daten, die zwischen Netzwerksegmenten übertragen werden, in einer Schleife stecken bleiben.Im Allgemeinen bringen Schleifen den in Netzwerkgeräten installierten Weiterleitungsalgorithmus durcheinander, sodass das Gerät nicht mehr weiß, wohin es Pakete senden soll.Dies kann zur Duplizierung von Frames oder zur Weiterleitung doppelter Pakete an mehrere Ziele führen.Nachrichten können wiederholt werden.Kommunikationen können an einen Absender zurückgesendet werden.Es kann sogar ein Netzwerk zum Absturz bringen, wenn zu viele Schleifen auftreten, wodurch Bandbreite ohne nennenswerten Gewinn verbraucht wird und gleichzeitig anderer, nicht geschleifter Datenverkehr daran gehindert wird, durchzukommen.
Das Spanning Tree-Protokollverhindert die Bildung von Schleifenindem alle bis auf einen möglichen Pfad für jedes Datenpaket gesperrt werden.Switches in einem Netzwerk verwenden Spanning Tree, um Root-Pfade und Brücken zu definieren, über die Daten übertragen werden können, und sperren doppelte Pfade funktional, sodass sie inaktiv und unbrauchbar werden, solange ein primärer Pfad verfügbar ist.
Das Ergebnis ist, dass die Netzwerkkommunikation reibungslos verläuft, unabhängig davon, wie komplex oder umfangreich ein Netzwerk wird.In gewisser Weise erstellt Spanning Tree mithilfe von Software einzelne Pfade durch ein Netzwerk, auf denen Daten übertragen werden können, und zwar auf die gleiche Art und Weise, wie es Netzwerktechniker mithilfe von Hardware in den alten Ringnetzwerken taten.
Zusätzliche Vorteile von Spanning Tree
Der Hauptgrund für die Verwendung von Spanning Tree besteht darin, die Möglichkeit von Routing-Schleifen innerhalb eines Netzwerks auszuschließen.Es gibt aber auch noch andere Vorteile.
Da Spanning Tree ständig nach verfügbaren Netzwerkpfaden für die Weiterleitung von Datenpaketen sucht und diese definiert, kann es erkennen, ob ein Knoten entlang eines dieser primären Pfade deaktiviert wurde.Dies kann verschiedene Gründe haben, von einem Hardwarefehler bis hin zu einer neuen Netzwerkkonfiguration.Aufgrund der Bandbreite oder anderer Faktoren kann es sich sogar um eine vorübergehende Situation handeln.
Wenn Spanning Tree erkennt, dass ein primärer Pfad nicht mehr aktiv ist, kann es schnell einen anderen Pfad öffnen, der zuvor geschlossen wurde.Anschließend kann es Daten um die Problemstelle herum senden und schließlich die Umleitung als neuen primären Pfad festlegen oder Pakete an die ursprüngliche Brücke zurücksenden, falls diese wieder verfügbar ist.
Während der ursprüngliche Spanning Tree diese neuen Verbindungen bei Bedarf relativ schnell herstellte, führte das IEEE 2001 das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ein.RSTP, auch als 802.1w-Version des Protokolls bezeichnet, wurde entwickelt, um eine deutlich schnellere Wiederherstellung als Reaktion auf Netzwerkänderungen, vorübergehende Ausfälle oder den völligen Ausfall von Komponenten zu ermöglichen.
Und während RSTP neue Pfadkonvergenzverhaltensweisen und Bridge-Port-Rollen einführte, um den Prozess zu beschleunigen, wurde es auch so konzipiert, dass es vollständig abwärtskompatibel mit dem ursprünglichen Spanning Tree ist.Somit ist es möglich, dass Geräte mit beiden Versionen des Protokolls gemeinsam im selben Netzwerk betrieben werden.
Mängel von Spanning Tree
Während Spanning Tree in den vielen Jahren nach seiner Einführung allgegenwärtig geworden ist, gibt es einige, die behaupten, dass dies der Fall seiDie Zeit ist gekommen.Der größte Fehler von Spanning Tree besteht darin, dass es potenzielle Schleifen innerhalb eines Netzwerks schließt, indem es potenzielle Pfade blockiert, über die Daten übertragen werden könnten.In jedem Netzwerk, das Spanning Tree verwendet, sind etwa 40 % der potenziellen Netzwerkpfade für Daten gesperrt.
In extrem komplexen Netzwerkumgebungen, wie sie beispielsweise in Rechenzentren zu finden sind, ist die Fähigkeit zur schnellen Skalierung zur Deckung der Nachfrage von entscheidender Bedeutung.Ohne die durch Spanning Tree auferlegten Einschränkungen könnten Rechenzentren viel mehr Bandbreite erschließen, ohne dass zusätzliche Netzwerkhardware erforderlich wäre.Dies ist eine gewisse Ironie, da komplexe Netzwerkumgebungen der Grund für die Entwicklung von Spanning Tree sind.Und nun hält der vom Protokoll bereitgestellte Schutz vor Schleifenbildung diese Umgebungen in gewisser Weise davon ab, ihr volles Potenzial auszuschöpfen.
Eine verfeinerte Version des Protokolls namens Multiple-Instance Spanning Tree (MSTP) wurde entwickelt, um virtuelle LANs zu nutzen und die gleichzeitige Öffnung mehrerer Netzwerkpfade zu ermöglichen und gleichzeitig die Bildung von Schleifen zu verhindern.Aber selbst mit MSTP bleiben in jedem Netzwerk, das das Protokoll verwendet, zahlreiche potenzielle Datenpfade geschlossen.
Im Laufe der Jahre gab es viele nicht standardisierte, unabhängige Versuche, die Bandbreitenbeschränkungen von Spanning Tree zu verbessern.Während die Entwickler einiger von ihnen behaupten, dass ihre Bemühungen erfolgreich waren, sind die meisten nicht vollständig mit dem Kernprotokoll kompatibel, was bedeutet, dass Unternehmen die nicht standardisierten Änderungen entweder auf allen ihren Geräten anwenden oder eine Möglichkeit finden müssen, sie zu ermöglichen Switches mit Standard Spanning Tree.In den meisten Fällen sind die Kosten für die Wartung und Unterstützung mehrerer Spanning Tree-Varianten den Aufwand nicht wert.
Wird Spanning Tree auch in Zukunft weitergeführt?
Abgesehen von den Bandbreiteneinschränkungen aufgrund der Schließung von Netzwerkpfaden durch Spanning Tree wird nicht viel darüber nachgedacht oder viel Aufwand betrieben, um das Protokoll zu ersetzen.Obwohl IEEE gelegentlich Updates veröffentlicht, um es effizienter zu machen, sind diese immer abwärtskompatibel mit bestehenden Versionen des Protokolls.
In gewisser Weise folgt Spanning Tree der Regel: „Wenn es nicht kaputt ist, reparieren Sie es nicht.“Spanning Tree läuft unabhängig im Hintergrund der meisten Netzwerke, um den Datenverkehr aufrechtzuerhalten, die Bildung absturzverursachender Schleifen zu verhindern und den Datenverkehr um Krisenherde herumzuleiten, sodass Endbenutzer nicht einmal erfahren, ob es in ihrem Netzwerk im Rahmen der täglichen Arbeit zu vorübergehenden Störungen kommt. Tagesbetrieb.Unterdessen können Administratoren im Backend neue Geräte zu ihren Netzwerken hinzufügen, ohne groß darüber nachdenken zu müssen, ob sie mit dem Rest des Netzwerks oder der Außenwelt kommunizieren können oder nicht.
Aus diesem Grund ist es wahrscheinlich, dass Spanning Tree noch viele Jahre lang verwendet wird.Von Zeit zu Zeit wird es möglicherweise einige kleinere Updates geben, aber das Kern-Spanning-Tree-Protokoll und alle wichtigen Funktionen, die es ausführt, werden wahrscheinlich erhalten bleiben.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 07.11.2023
