Các khái niệm và cách thức hoạt động
Rapid Spanning Tree Protocol
IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) cải tiến hoạt động của 802.1D truyền thống với một mục đích duy nhất: cải tiến sự hội tụ của STP. Để thực hiện được việc này, RSTP định nghĩa ra một dạng biến thể khác của BPDU, các trạng thái mới của cổng và các vai trò cổng mới. Tất cả các dạng thay đổi này đều đảm bảo tính tương thích ngược với 802.1D. Các yếu tố chủ chốt giúp cho việc tăng tốc khả năng hội tụ là:
Chỉ chờ một khoảng thời gian tối đa là 3 lần hello trên một RP trước khi phản ứng với sự thay đổi. Trước đây, khoảng thòi gian này là MaxAge. Các tiến trình mới cho phép chuyển đổi từ trạng thái disabed (thay thế cho trạng thái khóa trong 802.1D) sang trạng thái học địa chỉ MAC (learning), bỏ qua trạng thái learning của 802.1D. Chuẩn hóa các đặc điểm như Cisco PortFast, UplinkFast và backbonefast. Thêm vào các đặc điểm như cho phép cổng dự phòng cho DP khi switch có nhiều cổng kết nối vào cùng một phân đoạn mạng dùng chung.
Để hỗ trợ các tiến trình mới này, RSTP dùng cùng cơ chế hello BPDU, sử dụng thêm một số bit chưa dùng trước đây. Ví dụ, RSTP sẽ định nghĩa thông điệp hello có thêm tuỳ chọn giống như chức năng gởi yêu cầu tìm đường về switch gốc (RLQ) của Cisco backbonefast. RSTP nhóm các cổng lại, dùng các kiểu kết nối khác nhau để mô tả từng nhóm. RSTP có thể quyết định trạng thái của cổng dựa trên loại thiết bị kết nối vào từng cổng, vì vậy giúp cho quá trình hội tụ nhanh hơn.
|
Kiểu kết nối (link type) |
Mô tả |
|
Điểm-điểm (Point-to-point) |
Kết nối một switch đến một switch khác. Cisco switch xem các kết nối FullDupleX trong đó hello BPDU được nhận là các kết nối point-to-point. |
|
Dùng chung (Shared) |
Kết nối một switch đến một hub |
|
Kết nối đến biên (Edge) |
Kết nối đến một thiết bị của người dùng cuối. |
Trong phần lớn các thiết kế mạng LAN hiện đại, hub không được dùng nữa. Vì vậy tất cả các kết nối phải là hoặc là điểm-điểm (point-to-point) hoặc là kiểu edge. Kiểu kết nối là edge nghĩa là cổng đang gắn vào một thiết bị và thiết bị không phải là một switch. Vì vậy, giao thức STP cải tiến (RSTP) xem các kết nối edge giống như tính năng Cisco portfast. Và thật ra, câu lệnh spanning-tree portfast được dùng để định nghĩa một kết nối như là edge trong RSTP. Nói cách khác, RSTP đặt các kết nối kiểu edge vào trạng thái chuyển tiếp (forwarding) một cách tức thì.
Đối với các kết nối point-to-point, RSTP sẽ hỏi switch láng giềng về tình trạng của nó. Ví dụ nếu một switch không nhận được gói hello định kỳ trên kết nối điểm-điểm, switch sẽ truy vấn switch láng giềng. Thiết bị láng giềng sẽ trả lời, nêu rõ là nó có mất đường đi về switch gốc (root) hay không. Tính năng này giống như tính năng backbonefast của Cisco, nhưng dùng thông điệp chuẩn của IEEE để đạt cùng một mục đích. RSTP cũng định nghĩa lại các trạng thái cổng của 802.1D, trong đó trạng thái lắng nghe (listening) là không còn cần thiết nữa.
|
Trạng thái quản trị |
Trạng thái của 802.1D |
Trạng thái 802.1w |
|
Tắt (Disabled) |
Tắt (Disabled) |
Bỏ qua (Discarding) |
|
Bật (Enable) |
Khóa (Blocking) |
Bỏ qua (Discarding) |
|
Enable |
Lắng nghe (Listening) |
Bỏ qua (Discarding) |
|
Enable |
Learning |
Học địa chỉ MAC (Learning) |
|
Enable |
Forwarding |
Chuyển tiếp (Forwarding) |
Trong RSTP, trạng thái bỏ qua (discarding) có nghĩa là cổng sẽ không truyền hay nhận frame hoặc học địa chỉ MAC, bất chấp cổng có bị tắt (shutdown), sự cố…Khi RSTP đã quyết định chuyển trạng thái từ discarding sang forwarding, cổng đó sẽ ngay lập tức đi vào trạng thái learning. Từ thời điểm đó, quá trình tiếp tục giống như trong 802.1D. RSTP không còn cần trạng thái listening bởi vì nó sẽ chủ động hỏi các thiết bị láng giềng, đảm bảo sao cho không bị vòng lặp.
RSTP dùng thuật ngữ vai trò cổng (role) để chỉ ra một cổng là RP hay là một DP. RSTP sử dụng cổng gốc (RP) và cổng chỉ định (DP) giống như trong 802.1D, tuy nhiên RSTP thêm vào vài vai trò khác.
|
Vai trò cổng trong STP cải tiên (RSTP Role) |
Định nghĩa |
|
Cổng gôc (Root port) |
Giống như trong 802.1D |
|
Cổng chỉ định (Designated port) |
Giống như trong 802.1D |
|
Cổng thay thế (Alternate port) |
Giống như cổng dự phòng trong UplinkFast |
|
Cổng dự phòng (Backup port) |
Một cổng kết nối vào cùng một phân đoạn mạng dùng chung giống như nhiều cổng khác trên cùng switch nhưng cổng kia là DP cho phân đoạn mạng đó. Cổng backup sẽ thay thế khi port DP bị sự cố. |
Khái niệm Alternate Port thì giống như khái niệm UplinkFast. Chức năng Backup port thì không có chức năng tương đương bên Cisco. bạn có thể bật chức năng RSTP trong switch dùng lệnh spanning-tree mode rapid-pvst. Ngoài ra, bạn có thể dùng 802.1s MST.
Multiple Spanning Trees: IEEE 802.1s
Trong hầu hết các network, một switch đều có kết nối dự phòng tới switch khác. Ví dụ một access-layer switch sẽ có 2 kết nối uplink đến 2 distribution/core switch khác nhau. Khi STP hoạt động ở dạng CST thì chỉ có một kết nối là forwarding và kết nối kia rơi vào trạng thái blocking. Như vậy chúng ta đã lãng phí mất một kết nối. Chúng ta sẽ sắp xếp làm sao đó để sử dụng đồng thời 2 kết nối trên nhằm mục đích load balancing. PVST+ có vẻ là một lựa chọn hấp dẫn, vì nó cho phép các vlan khác nhau tạo ra những loop-free topology khác nhau và chạy trên các đường uplink khác nhau. Tuy nhiên, nếu số lượng VLAN tăng lên, đồng nghĩa với việc xuất hiện nhiều STP instance hơn sẽ làm cho CPU tiêu tốn nhiều resource hơn. Ví dụ chúng ta có 100 VLAN tương ứng chúng ta cũng sẽ có 100 loop-free topology. Nhưng 100 topology này có một điểm chung là đều đi qua một trong 2 kết nối uplink.
.png)
Trong hình trên, có 2 STP instance. Mỗi instance chạy cho một vlan. Mô hình mạng cho mỗi instance là độc lập và được chỉ ra như hình vẽ. VLAN A có thể chọn đường bên trái để đi, và khóa đường bên phải. Tương tự, VLAN B có thể chọn đường bên phải để đi và khóa đường bên trái. Như vậy cả 2 đường đều được sử dụng. Cân bằng tải đã được thực hiện. Không loại trừ trường hợp cả VLAN A và VLAN B đều tính toán và chọn ra đi một đuờng duy nhất, ví dụ đường bên phải. Tuy nhiên chúng ta sẽ phải can thiệp vào quá trình tính toán của chúng bằng cách cấu hình sao cho cả 2 đường đều được sử dụng. Cũng với hình này, nếu chúng ta có 100 VLAN thì mô hình mạng của các instance tính toán được cũng chỉ đi qua một trong 2 kết nối mà thôi. Như vậy việc sử dụng tới 100 STP instance trong khi mô hình mạng thì chỉ đi qua một trong 2 kết nối sẽ làm tiêu tốn rất nhiều tài nguyên của bộ vi sử lý (CPU). Ta sẽ hạn chế số instance lại bằng cách cho instance thứ nhất chạy cho 1 dãy VLAN ( ví dụ từ VLAN1-50), instance thứ 2 chạy cho dãy VLAN từ VLAN51-100. Chúng ta đã hạn chế được số lượng instance đồng thời vẫn đảm bảo cho cân bằng tải hoạt động.
Ví dụ cấu hình cân bằng tải :
.png)
Ta sẽ cấu hình sao cho phiên bản spanning tree chạy trên dãy VLAN 3-6 sẽ lấy đường trung kế 2 làm cổng chuyển tiếp (forwarding) và trung kế 1 là cổng bị khóa (blocking). Trong khi đó, spanning tree chạy trên dãy VLAN 8-10 sẽ lấy đường trung kế 1 làm forwarding và trung kế 2 lại là blocking. Nếu một trong hai kết nối trung kế 1 hoặc trung kế 2 bị sự cố, toàn bộ lưu lượng trong cả 2 dãy VLAN đều dồn về một phía trunking. Có thể cấu hình bằng cách gán độ ưu tiên như hình vẽ.
Đoạn trên đã mô tả khái niệm của MST. Như vậy MST được xây dựng dựa trên việc ánh xạ một hay nhiều VLAN vào một STP instance. Khi triển khai MST, chúng ta cân chú ý những điều như số lượng Instance cần phải dùng là bao nhiêu, dãy VLAN cần ánh xạ cho mỗi instance là gì… Để các switch có thể tham gia vào một MST instance thì nó phải được cấu hình với các thông số nhất quán với nhau. Các thông số này bao gồm MST region, revision number, và MST Vlan map. Tập hợp các switch có cấu hình MST giống nhau tạo thành phân vùng MST (MST region).
IEEE 802.1s Multiple Spanning Trees (MST) định nghĩa cách thức dùng nhiều phiên bản của STP trên một hạ tầng mạng dùng 802.1q. Giống như PVST+, MST cho phép hiệu chỉnh các thông số của STP sao cho một vài cổng là bị khóa (block) trong một VLAN nhưng nó có thể là chuyển tiếp (forwarding) trong VLAN khác. Luôn luôn dùng kết hợp với 802.1w để hội tụ nhanh hơn. Không yêu cầu từng phiên bản của STP cho từng VLAN. Thay vào đó, thiết kế tốt nhất thường dùng một phiên bản spanning tree cho các đường đi dự phòng. Nếu hệ thống mạng bao gồm tất cả các thiết bị có khả năng hỗ trợ MST, MST sẽ tương đối dễ hiểu. Một nhóm các switch dùng chung với nhau được gọi là MST region.
Để tạo ra một MST region, các switch cần phải được cấu hình như sau:
1. Bật MST ở chế độ toàn cục:
(config)# spanning-tree mode mst
2. Trong chế độ cấu hình của MST, tạo ra phân vùng MST (MST region) (tối đa 32 ký tự) dùng lệnh name.
3.Trong chế độ cấu hình của MST, tạo ra một chỉ số MST revision number bằng cách dùng lệnh revision.
Trong chế độ cấu hình của MST, ta chỉ định các VLAN nào vào phiên bản spanning tree nào bằng câu lệnh instance. Chìa khóa cho việc cấu hình của MST là cấu hình tất cả các thông số giống nhau trên tất cả các switch của cùng region. Ví dụ nếu bạn cho phiên bản instance 1 của MST chạy trên VLAN 1 đến VLAN 4 và VLAN 5-8 đến cũng instance 1 trên switch khác, hai switch sẽ không xem như chúng cùng MST region, mặc dù cả tên miền và chỉ số revision là tương tự nhau. Ví dụ, trong hình dưới đây, một MST region đã được định nghĩa cùng với các kết nối đến các switch không chạy MST.
.png)
Phía bên trái của hình, bên trong một MST bạn chỉ cần hai phiên bản của STP. Mỗi phiên bản cho một nửa số VLAN. Nếu có hai phiên bản, các switch ở lớp truy cập (access) sẽ truyền các frame trên các kết nối của nó cho tập hợp một số VLAN và truyền các frame của các VLAN còn lại trên kết nối kia. Một trong những đặc điểm chủ yếu của MST so với PVST+ là việc yêu cầu chỉ cần một phiên bản của STP cho một nhóm các VLAN. Nếu MST region này có hàng trăm VLAN và dùng PVST+, sẽ có tương ứng hàng trăm STP thông điệp sẽ được dùng. Khi kết nối một MST region đến một miền không chạy MST, MST sẽ làm cho cả một miền MST xuất hiện như là một switch duy nhất. Một MST sẽ đảm bảo tình trạng không bị lặp bên trong một MST region. Để ngăn ngừa vòng lặp trên kết nối CST từ miền MST đến miền phi MST, MST sẽ tham gia vào phiên bản STP đang chạy bên ngoài miền MST. Phiên bản thêm vào này gọi là Internal Spanning Tree (IST). Khi tham gia trong STP với các switch bên ngoài, miền MST sẽ xuất hiện như một switch duy nhất. Phiên bản STP phổ biến (CST) chạy trên toàn bộ phân vùng STP. CST coi các MST region như là một switch lớn tham gia vào CST instance. CST lúc này sẽ tạo ra một mô hình mạng không bị lặp vòng cho các MST region. Trong mỗi MST region cũng cần phải có các sub STP instance để tạo ra một nhánh cây không bị lặp vòng. Các instance chạy trong một MST region gọi là các MSTIs. Các MSTIs này được quản lí bởi một IST instance. IST được coi như là một CST nội bộ trong MST đó. Các MSTIs được đánh số từ 0-15. Trong đó, MSTI0 (instance 0) chính là IST. IST đại diện cho toàn bộ miền MST để giao tiếp với các MST region khác. Chỉ có IST instance là cho phép gửi và nhận các MST BPDUs. Thông tin của các MSTI khác được đưa vào BPDUs với giá trị M record. Mặc dù một miền MST có thể có tới 16 MSTIs cùng chạy nhưng chỉ có một BPDUs là mang thông tin của chúng đi. MSTI chỉ có ý nghĩa cục bộ trong một MST mà thôi. Nếu miền MST 1 có MSTI 2, miền MST 2 cũng có một MSTI được đánh số là 2 thì cũng không hề bị ảnh hưởng. Nếu một miền MST kết nối với một switch chạy PVST+ thì nó sẽ nhận biết ngay được điều này bằng cách kiểm tra BPDU. Nếu BPDUs được nghe thấy từ nhiều VLAN, nghĩa là switch láng giềng đang chạy PVST+. Khi MST region gửi BPDUs cho switch chạy PVST+, switch đó sẽ nhân bản các IST BPDUs cho mỗi VLAN trong PVST+. CIST là một tập hợp các MSTIs trong một miền MST. IST trong một MST region lúc hội tụ sẽ tạo ra một IST master (CIST regional Root) của region đó. Sau đó các CIST regional root nay sẽ tiếp tục được gửi ra ngoài một Region để tiếp tục đọ sức với các CIST regional root khác. Kết quả của các cuộc đọ sức này là tạo nên được một CST root.
.png)
LAB: Cấu hình Rapid Spanning Tree (802.1w)
.png)
Yêu cầu:
Gợi ý:
Để xóa cấu hình trên SW, phải dùng 2 lệnh sau đây:
#erase startup-config
#delete flash:vlan.dat
1b: Dùng lệnh sau trên 6 Switch để cấu hình rapid-pvst:
switch(config)# spanning-tree mode rapid-pvst
1c: Dùng lệnh sau để cấu hình Edge-port trên các interface kết nối đến pc:
switch(config-if)# spanning-tree portfast
1d: Dùng lệnh sau trên SW4 để đảm bảo SW4 là root bridge:
switch(config)# spanning-tree vlan 1 root primary
1e: Dùng lý thuyết trong bài STP để xác định RB, RP, DP, NDP.
1f: Có thể rút dây kết nối giữa SW4 và SW6 đồng thời quan sát port F0/7(SW6), thấy port chuyển từ trạng thái blocking -> forwarding trong thời gian chưa đến 1s (so với 30s->50s của STP).
2b: Vào config mode của 6 SW để tạo 4 VLAN theo cách sau:
SW(config)# vlan 10,20,30,40
2c: Cấu hình MST dùng các lệnh sau:
SW(config)# spanning-tree mode mst
SW(config)# spanning-tree mst configuration
SW(config-mst)# name BCMSN
SW(config-mst)# revision 4
SW(config-mst)# instance 1 vlan 10, 20
SW(config-mst)# instance 2 vlan 30, 40
2d: Dùng lệnh sau ở interface mode trên các port kết nối đến pc để cấu hình Edge-post:
SW(config-if)# spanning-tree portfast
2e: Cấu hình SW1 là root của Instance 1, SW4 là root của Instance 2, dùng lệnh sau:
SW1(config)# spanning-tree mst 1 root primary
SW4(config)# spanning-tree mst 2 root primary
2f: Có thể rút dây kết nối giữa SW4 và SW6 đồng thời quan sát port F0/7(SW6), thấy port chuyển từ trạng thái blocking -> forwarding trong thời gian chưa đến 1s (so với 30s->50s của STP).
3e: Nếu MST là RootBridge của tất cả VLAN và Rapid-PVST chỉ RootBridge của 1 VLAN thì kết nối giữa SW2-SW4 và SW3-SW4 sẽ bị block để tránh loop.
Cấu hình đầy đủ:
!1:
!SW1:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
spanning-tree mode rapid-pvst
!
end
!SW2:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
end
!SW3:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
interface range fastEthernet0/23 - 24
spanning-tree postfast
!
end
!SW4:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
end
!SW5:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!SW6:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!Kiem tra:
#show spanning tree
#debug spanning-tree events
!2:
!SW1:
!
enableable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
spanning-tree mst 1 root primary
!
end
!SW2:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
end
!SW3:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
interface range fastEthernet0/23 - 24
spanning-tree portfast
!
end
!SW4:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
spanning-tree mst 2 root primary
!
end
!SW5:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!SW6:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 1
instance 1 vlan 10, 20
instance 2 vlan 30, 40
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!3:
!SW1:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 4
instance 1 vlan 10,20
instance 2 vlan 30,40
!
end
!SW2:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 4
instance 1 vlan 10,20
instance 2 vlan 30,40
!
end
!SW3:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode mst
!
spanning-tree mst configuration
name BCMSN
revision 4
instance 1 vlan 10,20
instance 2 vlan 30,40
!
interface range fastEthernet0/23 - 24
spanning-tree portfast
!
end
!SW4:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
end
!SW5:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!SW6:
!
enable
erase startup-config
delete flash:vlan.dat
!
configure terminal
!
vlan 10,20,30,40
!
spanning-tree mode rapid-pvst
!
interface fastEthernet0/24
spanning-tree portfast
!
end
!Kiem tra:
#show spanning-tree
