In der Netzwerkkommunikation ist Verbindungsredundanz entscheidend für Stabilität und Zuverlässigkeit. Redundante Verbindungen können jedoch zu Netzwerkschleifen führen, die Broadcast Storms und MAC-Adressabweichungen verursachen und letztlich die Kommunikationsqualität beeinträchtigen. Das Spanning Tree Protocol (STP) wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Mit der zunehmenden Komplexität von Netzwerkumgebungen entstanden jedoch neue Protokolle wie PVST, RSTP und MSTP, um die Schwächen von STP zu beheben. Dieser Artikel befasst sich eingehend mit den einzelnen Protokollen und ihren wichtigsten Unterschieden.
Spanning Tree Protocol (STP)
STP wurde im IEEE 802.1D-Standard definiert und ist das erste Protokoll, das Netzwerkschleifen eliminiert. STP funktioniert durch den Aufbau einer schleifenfreien Baumstruktur, einem sogenannten Spanning Tree, und die Auswahl einer Root Bridge durch einen Auswahlprozess.
So funktioniert es:
- Brücken-ID (BID) Und Port-ID (PID) werden zur Auswahl der Root Bridge verwendet.
- Stammport (RP): Verbindet sich direkt mit der Root Bridge und leitet Daten weiter.
- Designierter Port (DP): Verbindet Geräte im Netzwerk und gewährleistet die Nachrichtenübertragung.
Hafenstaaten in STP:
- Blockierung: Leitet keine Frames weiter und verhindert so Schleifen.
- Hören: Erkennt BPDU-Nachrichten.
- Lernen: Lernt MAC-Adressen.
- Weiterleitung: Leitet Datenrahmen weiter.
- Deaktiviert: Port ist ausgefallen.
Hauptprobleme mit STP:
- Langsame Konvergenz: Nach einer Topologieänderung kann es dauern 30-50 Sekunden zur Stabilisierung, was zu vorübergehenden Schleifen führt.
- Geringe Link-Auslastung: Es werden nur aktive Links verwendet; redundante Links bleiben inaktiv.
Per VLAN Spanning Tree (PVST) und PVST+
Entwickelt von Cisco, PVST führt für jedes VLAN eine separate Instanz des Spanning Tree aus und bietet so eine bessere Link-Auslastung.
Prinzip und Vorteile:
- Unabhängige Spanning Trees für jedes VLAN können den Verkehr effizienter verteilen.
- PVST+ erweitert die Unterstützung auf ISL- und 802.1Q-Trunk-Kapselungen.
Einschränkungen:
Trotz verbesserter Verbindungsauslastung leiden PVST und PVST+ immer noch unter langsamen Konvergenzzeiten, insbesondere in großen Netzwerken.
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)
Um die lange Konvergenzzeit von STP zu überwinden, wurde RSTP im IEEE 802.1w-Standard eingeführt.
Prinzip und Verbesserungen:
- Schnellere Konvergenz: RSTP führt zwei neue Portrollen ein: Alternativer Port und Backup-Port, die ein schnelles Failover ermöglichen.
- Punkt-zu-Punkt-Verbindungserkennung: Ermöglicht schnelle Übergänge für Ports, die direkt mit anderen verbunden sind Schalter oder Geräte.
- Edge-Ports: Ohne Verzögerung direkt mit Endgeräten verbunden.
Vorteile von RSTP:
- Konvergenz in 1 Sekunde oder weniger.
- Abwärtskompatibilität mit STP für gemischte Netzwerkumgebungen.
Einschränkungen:
- Basiert immer noch auf einem Single Spanning Tree (SST), was bedeutet, dass größere Netzwerke mit komplexen Topologien vor Konvergenzproblemen stehen können.
Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)
Eingeführt durch die IEEE 802.1s Standard, MSTP baut auf RSTP auf, bietet aber mehrere Spanning Trees, was die Skalierbarkeit und Effizienz verbessert.
Hauptvorteile:
- Gruppiert VLANs in Mehrere Spanning Tree-Instanzen (MSTIs) um den Verkehr auf verschiedene Wege zu verteilen.
- Unterstützt schnelle Konvergenz, wodurch Ausfallzeiten nach Topologieänderungen reduziert werden.
Hauptunterschiede: STP vs. RSTP vs. PVST vs. MSTP
| Konvergenzgeschwindigkeit | Verkehrsverteilung | Protokollkompatibilität | |
|---|---|---|---|
| STP | Langsam (30-50 Sekunden) | Ein einziger Spanning Tree für das gesamte Netzwerk | Von allen Anbietern unterstützt |
| RSTP | Schnell (1 Sekunde oder weniger) | Ein einziger Spanning Tree für das gesamte Netzwerk | Von allen Anbietern unterstützt |
| PVST/PVST+ | Langsam (basierend auf STP) | Mehrere Spanning Trees basierend auf VLANs | Cisco-proprietär |
| MSTP | Schnelle Konvergenz mit mehreren Instanzen | Mehrere Instanzen für gruppierte VLANs | Standardisierte Multi-Vendor-Lösung |
Abschluss
Die Wahl des richtigen Spanning Tree-Protokolls hängt von der Netzwerkgröße, der Komplexität und der gewünschten Konvergenzgeschwindigkeit ab. STP kann für kleine, einfache Netzwerke relevant sein, während RSTP eine schnellere Konvergenz bietet. PVST und PVST+ bieten eine bessere Verkehrsverteilung, sind aber proprietär zu Cisco. MSTP ist die erste Wahl für große, skalierbare Netzwerke mit mehreren Anbietern.
