Understanding Multiple Spanning Tree Protocol (802.1 s)

Introduction

Multiple Spanning Tree (MST) is an IEEE standard inspired from the Cisco proprietary Multiple Instances Spanning Tree Protocol (MISTP) implementation. Este documento assume que o leitor está familiarizado com o Rapid STP (RSTP) (802.1 w), uma vez que o MST depende fortemente deste outro padrão IEEE. Esta tabela mostra o suporte para MST em vários interruptores catalisadores:

Para obter mais informações sobre RSTP (802.1 w), consulte este documento:

• a Compreensão Rapid Spanning Tree Protocol (802.1w)

onde usar MST

este diagrama mostra um projeto comum que apresenta Interruptor de acesso a com 1000 VLANs redundantemente conectados a dois interruptores de distribuição, D1 e D2. Nesta configuração, os usuários se conectam para Switch A, e o administrador da rede normalmente procura alcançar balanceamento de carga sobre os Uplinks de switch de acesso com base em VLANs par ou ímpares, ou qualquer outro esquema considerado apropriado.

estas secções são exemplos de casos em que diferentes tipos de STP são usados nesta configuração:

PVST+ Case

In a Cisco Per-VLAN Spanning Tree (PVST+) environment, the spanning tree parameters are tuned so that half of the VLANs forward on each Uplink trunk. A fim de conseguir isso facilmente, a ponte elect D1 para ser a raiz de VLANs 501 a 1000, e a Ponte D2 para ser a raiz de VLANs 1 a 500. Estas instruções são verdadeiras para esta configuração:

• neste caso, o balanço de carga ideal.

• uma instância de árvore de extensão para cada VLAN é mantida, o que significa 1000 instâncias para apenas duas topologias lógicas finais diferentes. Isto desperdiça consideravelmente ciclos de CPU para todos os switches na rede (além da largura de banda utilizada para cada instância para enviar suas próprias unidades de dados de Protocolo Ponte (BPDUs)).

Standard 802.1 q Case

the original IEEE 802.1 q standard defines much more than simply trunking. Esta norma define uma árvore de extensão comum (CST) que só assume uma instância de árvore de extensão para toda a rede, independentemente do número de VLANs. Se o CST for aplicada à topologia deste diagrama, o resultado é semelhante ao diagrama mostrado aqui:

Em uma rede que esteja executando o CST, estas afirmações são verdadeiras:

• Nenhum balanceamento de carga é possível; um Uplink precisa bloco para todas as VLANs.

• a CPU é poupada; apenas uma instância precisa ser computada.

Nota: A implementação da Cisco aumenta o 802.1 q, A fim de suportar um PVST. Este recurso se comporta exatamente como o PVST neste exemplo. O Cisco per-VLAN BPDUs são tunelados por pontes puras de 802.1 q.

Mst Case

MSTs (IEEE 802.1 s) combine os melhores aspectos tanto do PVST+ como do 802.1 Q. A ideia é que vários VLANs podem ser mapeados para um número reduzido de instâncias de árvore porque a maioria das redes não precisam de mais do que algumas topologias lógicas. Na topologia descrita no primeiro diagrama, existem apenas duas topologias lógicas finais diferentes, então apenas duas instâncias de árvore são realmente necessárias. Não há necessidade de executar 1000 instâncias. Se você mapear a metade dos 1000 VLANs diferentes spanning tree instância, como mostrado neste diagrama, estas afirmações são verdadeiras:

• O desejado esquema de balanceamento de carga pode ainda ser alcançado, porque metade do VLANs siga uma instância separada.

• a CPU é poupada porque apenas duas instâncias são computadas.

do ponto de vista técnico, a MST é a melhor solução. Do ponto de vista do utilizador final, os principais inconvenientes associados a uma migração para o MST são::

• o protocolo é mais complexo do que a árvore de extensão habitual e requer treinamento adicional do pessoal.

• a interação com pontes legadas pode ser um desafio. Para mais informações, consulte a interação entre as regiões MST e a seção do mundo exterior do presente documento.

MST Região

Como mencionado anteriormente, o principal melhoramento introduzido pelo MST é que várias VLANs podem ser mapeados para um único spanning tree instância. Isto levanta o problema de como determinar qual VLAN deve ser associado a qual instância. Mais precisamente, como marcar BPDUs para que os dispositivos receptores possam identificar as instâncias e os VLANs a que cada dispositivo se aplica.

a questão é irrelevante no caso da norma 802.1 q, onde todas as instâncias são mapeadas para uma instância única. Na implementação PVST+, a associação é a seguinte::

• diferentes VLANs carregam o BPDUs para sua respectiva instância (um BPDU por VLAN).

o Cisco MISTP enviou um BPDU para cada instância, incluindo uma lista de VLANs pelos quais o BPDU era responsável, a fim de resolver este problema. Se por erro, dois switches foram mal configurados e tinham uma gama diferente de VLANs associados à mesma instância, foi difícil para o protocolo recuperar corretamente desta situação.

o Comité adoptou uma abordagem muito mais simples e mais fácil que introduziu as regiões MST. Pense em uma região como o equivalente do Protocolo de passagem de fronteira (BGP) Sistemas Autônomos, que é um grupo de interruptores colocados sob uma administração comum.

configuração do MST e região do MST

cada interruptor que executa o MST na rede tem uma única configuração do MST que consiste nestes três atributos:

1. alfanumérico nome de configuração (32 bytes)

2. Uma configuração de número de revisão (dois bytes)

3. Um 4096-tabela de elemento que associa cada um dos potenciais 4096 VLANs, com suporte no chassi para uma dada instância

para ser parte de um comum MST região, um grupo de switches devem compartilhar a mesma configuração de atributos. Cabe ao administrador de rede propagar corretamente a configuração em toda a região. Atualmente, este passo só é possível através da interface de linha de comando (CLI) ou através do Simple Network Management Protocol (SNMP). Outros métodos podem ser visualizados, como a especificação do IEEE não menciona explicitamente como realizar esse passo.Nota :Se por alguma razão dois interruptores diferirem num ou mais atributos de configuração, os interruptores fazem parte de regiões diferentes. Para mais informações, consulte a seção limite da região deste documento.

fronteira da região

a fim de assegurar um mapeamento consistente de VLAN-to-instance, é necessário que o protocolo seja capaz de identificar exatamente os limites das regiões. Para o efeito, as características da região estão incluídas no BPDU. O mapeamento exato de VLANs-to-instance não é propagado no BPDU, porque os switches só precisam saber se eles estão na mesma região que um vizinho. Portanto, apenas um digest da tabela de mapeamento VLANs-to-instance é enviado, juntamente com o número de revisão e o nome. Uma vez que um interruptor recebe um BPDU, o interruptor extrai o digest (um valor numérico derivado da tabela de mapeamento de VLAN-to-instance através de uma função matemática) e compara este digest com o seu próprio digest computado. Se os digests diferirem, o porto no qual o BPDU foi recebido está no limite de uma região.

em termos genéricos, um porto está na fronteira de uma região se a ponte designada em seu segmento está em uma região diferente ou se recebe legado 802.1 d BPDUs. Neste diagrama, a porta B1 está no limite da região, considerando que as portas B2 e B3 são internos à região B:

MST Instâncias

de Acordo com o IEEE 802.1 s especificação, um MST ponte deve ser capaz de lidar com pelo menos essas duas instâncias:

• Um Interno Spanning Tree (IST)

• Um ou mais Multiple Spanning Tree Instância(s) (MSTIs)

A terminologia continua a evoluir, como 802.1 s é na verdade uma pré-norma de fase. É provável que estes nomes mudem na versão final de 802.1 S. A implementação da Cisco suporta 16 instâncias: uma IST (instância 0) e 15 MSTIs.

instâncias IST

a fim de entender claramente o papel da instância IST, lembre-se que o MST se origina do IEEE. Portanto, MST deve ser capaz de interagir com redes baseadas em 802.1 q, Porque 802.1 q é outro padrão IEEE. Para 802.1 q, uma rede interligada apenas implementa uma única árvore de extensão (CST). A instância IST é simplesmente uma instância RSTP que estende o CST dentro da região MST.

a instância IST recebe e envia BPDUs para o CST. O IST pode representar toda a região MST como uma ponte virtual CST para o mundo exterior.

estes são dois diagramas funcionalmente equivalentes. Observe a localização das diferentes portas bloqueadas. Em uma rede tipicamente entrelaçada, você espera ver uma porta bloqueada entre Switches M E B. em vez de bloquear Em D, você espera ter o segundo loop quebrado por uma porta bloqueada em algum lugar no meio da região do MST. No entanto, devido ao IST, toda a região aparece como uma ponte virtual que corre uma única árvore de extensão (CST). Isto torna possível entender que a ponte virtual bloqueia uma porta alternativa em B. Também, que a ponte virtual está no segmento C Para D e leva Switch D para bloquear sua porta.

o mecanismo exato que faz a região aparecer como uma ponte CST virtual está além do escopo deste documento, mas é amplamente descrito na especificação IEEE 802.1 s. No entanto, se você manter esta propriedade de ponte virtual da região MST em mente, a interação com o mundo exterior é muito mais fácil de entender.

MSTIs

os MSTIs são instâncias RSTP simples que só existem dentro de uma região. Estas instâncias executam o RSTP automaticamente por padrão, sem qualquer trabalho de configuração extra. Ao contrário do IST, o MSTIs nunca interage com o exterior da região. Lembre-se que o MST só corre uma árvore de extensão fora da região, então, exceto pela instância IST, instâncias regulares dentro da região não têm contrapartida externa. Além disso, o MSTIs não envia BPDUs para fora de uma região, apenas o IST envia.

MSTIs não enviam BPDUs individuais independentes. Dentro da região do MST, as pontes trocam Mst BPDUs que podem ser vistas como BPDUs RSTP normal para o IST, contendo informações adicionais para cada MSTI. Este diagrama mostra uma troca BPDU entre Interruptores a e B dentro de uma região MST. Cada interruptor envia apenas um BPDU, mas cada um inclui um MRecord por MSTI presente nas portas.

Nota: neste diagrama, observe que o primeiro campo de informação carregado por um MST BPDU contém dados sobre o IST. Isto implica que o IST (instância 0) está sempre presente em toda a parte dentro de uma região do MST. No entanto, o administrador de rede não tem que mapear VLANs para a instância 0, e, portanto, isso não é uma fonte de preocupação.

ao contrário da topologia da árvore convergente regular, ambas as extremidades de um link podem enviar e receber BPDUs simultaneamente. Isto porque, como mostrado neste diagrama, cada ponte pode ser designada para uma ou mais instâncias e precisa transmitir BPDUs. Logo que seja designada uma única instância MST num porto, deve ser enviado um BPDU que contenha a informação para todas as instâncias (IST+ MSTIs). O diagrama aqui apresentado demonstra o PDP do MST enviado para dentro e para fora de uma região do MST:

o MRecord contém informação suficiente (na maioria dos parâmetros de prioridade da ponte root e da ponte sender) para a instância correspondente para calcular sua topologia final. O MRecord não precisa de quaisquer parâmetros relacionados com o temporizador, tais como tempo de hello, atraso para a frente, e idade máxima que são tipicamente encontrados em um IEEE 802.1 d ou 802.1 q CST BPDU. A única instância na região MST a utilizar estes parâmetros é o IST; o tempo de hello determina a frequência com que BPDUs são enviados, e o parâmetro forward delay é usado principalmente quando a transição rápida não é possível (lembre-se que transições rápidas não ocorrem em links compartilhados). Como o MSTIs depende do TSI para transmitir as suas informações, o MSTIs não precisa desses Temporizadores.A independência entre instância e VLAN é um novo conceito que implica que você deve cuidadosamente planejar sua configuração. A instância IST está ativa em todos os portos, quer a seção tronco ou acesso ilustra algumas armadilhas comuns e como evitá-las.

a instância IST está ativa em todas as portas, seja tronco ou acesso

este diagrama mostra Interruptores a e B conectados com portas de acesso cada um Localizado em VLANs diferentes. VLAN 10 e VLAN 20 estão mapeados para diferentes instâncias. VLAN 10 é mapeado para a instância 0, enquanto VLAN 20 é mapeado para a instância 1.

esta configuração resulta na incapacidade do pcA de enviar quadros para pcB. O comando show revela que o Switch B está bloqueando a ligação para mudar A em VLAN 10, Como mostrado neste diagrama:

como é que isso é possível numa topologia tão simples, sem loop aparente?

esta questão é explicada pelo facto de a informação sobre o MST ser transmitida com apenas um BPDU (IST BPDU), independentemente do número de instâncias internas. Casos individuais não enviam BPDUs individuais. Quando Switch A E Switch b trocam informações STP para VLAN 20, os switches enviam um BPDU IST com um MRecord por exemplo 1 porque é onde VLAN 20 é mapeado. No entanto, como é um BPDU IST, este BPDU também contém informações, por exemplo 0. Isto significa que a instância IST está ativa em todos os portos dentro de uma região MST, quer esses portos transportem VLANs mapeados para a instância IST ou não.Este diagrama mostra a topologia lógica da instância IST:

Switch b recebe dois BPDUs por exemplo 0 de Switch a (um em cada porta). É evidente que a Switch B tem de bloquear uma das suas portas para evitar um laço.

a solução preferida é usar uma instância para VLAN 10 e outra instância para VLAN 20 para evitar mapear VLANs para a instância IST.

uma alternativa é transportar os VLAN mapeados para o IST em todas as ligações (permitir VLAN 10 em ambas as portas, como neste diagrama).

dois VLAN mapeados para a mesma instância bloqueiam as mesmas portas

lembre-se que VLAN já não significa instância de árvore. A topologia é determinada pela instância, independentemente dos VLANs mapeados para ela. Este diagrama mostra um problema que é uma variante do discutido na instância IST está ativo em todos os portos, seja na seção tronco ou acesso:

suponha que VLANs 10 e 20 são ambos mapeados para a mesma instância (instância 1). O administrador de rede quer podar manualmente VLAN 10 em uma ligação Uplink e VLAN 20 na outra, a fim de restringir o tráfego nos troncos de ligação Uplink de Switch a para Switches de distribuição D1 e D2 (uma tentativa de alcançar uma topologia como descrito no diagrama anterior). Pouco tempo depois, o administrador de rede noticia que os usuários do VLAN 20 perderam a conectividade com a rede.

this is a typical misconfiguration problem. VLANs 10 e 20 são ambos mapeados para instância 1, o que significa que há apenas uma topologia lógica para ambos VLANs. A partilha de cargas não pode ser alcançada, como se mostra aqui:

devido à poda manual, a VLAN 20 só é permitida na porta bloqueada, o que explica a perda de conectividade. A fim de alcançar o equilíbrio de carga, o administrador de rede deve mapear VLAN 10 e 20 para duas instâncias diferentes.

uma regra simples a seguir para ficar longe deste problema é nunca podar manualmente VLANs de um tronco. Se você decidir remover alguns VLANs de um tronco, remova todos os VLANs mapeados para uma dada instância juntos. Nunca remover um VLAN individual de um tronco e não remover todos os VLANs que são mapeados para a mesma instância.

interacção entre a região MST e o mundo exterior

com uma migração para uma rede MST, é provável que o administrador tenha de lidar com questões de interoperabilidade entre o MST e os protocolos antigos. O MST interopera perfeitamente com a norma 802.1 q CST Redes; no entanto, apenas um punhado de redes são baseadas no 802.Padrão 1q por causa de sua única restrição de árvore de extensão. Cisco lançou PVST+ ao mesmo tempo que o suporte para 802.1 q foi anunciado. A Cisco também fornece um mecanismo de compatibilidade eficiente e simples entre o MST e o PVST+. Este mecanismo é explicado mais adiante neste documento.

a primeira propriedade de uma região MST é que nos portos de fronteira nenhum MSTI BPDUs são enviados, apenas BPDUs IST são. Instâncias internas (MSTIs) seguem sempre automaticamente a topologia IST nas portas de contorno, como mostrado neste diagrama:

neste diagrama, suponha que os VLANs 10 a 50 são mapeados para a instância verde, que é apenas uma instância interna (MSTI). As ligações vermelhas representam o IST e, portanto, também representam o CST. Os VLANs 10 a 50 são permitidos em toda a topologia. BPDUs para a instância Verde não são enviados para fora da região MST. Isto não significa que há um loop em VLANs 10 a 50. O MSTIs segue o IST nas portas de fronteira, e a porta de fronteira no Switch B também bloqueia o tráfego para a instância verde.

Switches that run MST are able to automatically detect PVST+ neighbors at boundaries. Estes switches são capazes de detectar que múltiplos BPDUs são recebidos em VLANs diferentes de uma porta de tronco, por exemplo.Este diagrama mostra uma questão de interoperabilidade. Uma região do MST só interage com uma árvore (o CST) fora da região. No entanto, pontes PVST + executam um algoritmo de árvore de extensão (STA) por VLAN, e como resultado, enviar um BPDU em cada VLAN a cada dois segundos. A ponte boundary MST não espera receber tantos BPDUs. A ponte MST ou espera receber um ou enviar um, dependendo se a ponte é a raiz do CST ou não.

a Cisco desenvolveu um mecanismo para resolver o problema mostrado neste diagrama. Uma possibilidade poderia ter consistido em tunelamento do BPDUs extra enviado pelas pontes PVST+ através da região do MST. No entanto, esta solução provou ser demasiado complexa e potencialmente perigosa quando implementada pela primeira vez no MISTP. Foi criada uma abordagem mais simples. A região do MST replica o IST BPDU em todos os VLANs para simular um PVST+ vizinho. Esta solução implica algumas restrições que são discutidas neste documento.

configuração recomendada

como a região do MST agora replica o BPDUs IST em cada VLAN na fronteira, cada instância PVST + ouve um BPDU a partir da raiz IST (isto implica que a raiz está localizada dentro da região do MST). Recomenda-se que a raiz IST tenha uma prioridade maior do que qualquer outra ponte na rede para que a raiz IST se torne a raiz de todas as diferentes instâncias PVST+, como mostrado neste diagrama:

neste diagrama, Switch C é um PVST+ redundantemente ligado a uma região MST. A raiz IST é a raiz para todas as instâncias PVST+ que existem no Switch C. como resultado, Switch C bloqueia um de seus Uplinks, a fim de evitar loops. Neste caso particular, a interacção entre PVST+ e a região MST é óptima porque:

• os custos das Portas de Uplink do Switch C podem ser ajustados para alcançar o equilíbrio de carga dos diferentes VLANs através das portas de Uplinks (porque Switch C executa uma árvore de spanning por VLAN, este switch é capaz de escolher quais blocos de porta de Uplink em uma base per-VLAN).

• UplinkFast pode ser usado no interruptor C para alcançar uma convergência rápida em caso de uma falha de Uplink.

configuração alternativa (não recomendada)

outra possibilidade é ter a região IST ser a raiz para absolutamente nenhuma instância PVST+. Isto significa que todas as instâncias PVST+ têm uma raiz melhor do que a instância IST, como mostrado neste diagrama:

este caso corresponde a um núcleo PVST+ e uma camada de acesso ou distribuição MST, um cenário bastante raro. Se você estabelecer a ponte raiz fora da região, há estes inconvenientes em comparação com a configuração anteriormente recomendada:

• uma região do MST só tem uma instância de árvore que interage com o mundo exterior. Isso basicamente significa que uma porta limite só pode estar bloqueando ou reencaminhando para todos os VLANs. Em outros termos, não há equilíbrio de carga possível entre os dois Uplinks da região que levam a Switch C. A Uplink no Switch B, por exemplo, será bloqueio para todos os VLANs, enquanto Switch A será encaminhamento para todos os VLANs.

• esta configuração ainda permite uma rápida convergência dentro da região. Se o Uplink no interruptor a falhar, um switchover rápido para um Uplink em um switch diferente precisa ser alcançado. Enquanto a forma como o IST se comporta dentro da região para que toda a região do MST se assemelhe a uma ponte do CST não foi discutida em detalhe, você pode imaginar que uma transição através de uma região nunca é tão eficiente como uma transição em uma única ponte.

Configuração Inválida

Enquanto o PVST+ emulação mecanismo fornece fácil e perfeita interoperabilidade entre MST e PVST+, este mecanismo implica que qualquer configuração diferente das duas mencionadas anteriormente é inválido. Estas são as regras básicas que devem ser seguidas para obter uma interação bem sucedida MST e PVST+ :

1. se a ponte MST é a raiz, esta ponte deve ser a raiz de todos os VLANs.

2. se a ponte PVST+ é a raiz, esta ponte deve ser a raiz de todos os VLANs (incluindo o CST, que sempre corre em VLAN 1, independentemente do VLAN nativo, quando o CST corre PVST+).

3. a simulação falha e produz uma mensagem de erro se a ponte MST é a raiz do CST, enquanto a ponte PVST+ é a raiz de um ou mais outros VLANs. Uma simulação falhada coloca a porta de contorno no modo de raiz inconsistente.

neste diagrama, a Ponte A na região do MST é a raiz para todas as três instâncias PVST+ exceto uma (a VLAN vermelha). A ponte C é a raiz do VLAN vermelho. Suponha que o loop criado no VLAN vermelho, onde a Ponte C é a raiz, fica bloqueado pela Ponte B. Isto significa que a Ponte B é designada para todos os VLANs, exceto o vermelho. Uma região do MST não é capaz de fazer isso. Uma porta limite só pode estar bloqueando ou encaminhando para todos os VLANs porque a região do MST está apenas rodando uma árvore de extensão com o mundo exterior. Assim, quando a Ponte B detecta um BPDU melhor no seu porto de fronteira, a ponte invoca a guarda BPDU para bloquear este porto. A porta é colocada no modo de raiz inconsistente. O mesmo mecanismo também leva a ponte a bloquear sua porta limite. A conectividade é perdida; no entanto,uma topologia livre de loop é preservada mesmo na presença de tal desfiguração.

Nota: assim que uma porta de contorno produz um erro de raiz inconsistente, investigue se uma ponte PVST+ tentou se tornar a raiz de alguns VLANs.

estratégia de migração

o primeiro passo na migração para 802.1 s/w consiste em identificar adequadamente os portos ponto-a-ponto e bordos. Assegurar que todas as ligações switch-to-switch, nas quais uma transição rápida é desejada, São full-duplex. As portas de borda são definidas através da funcionalidade PortFast. Cuidadosamente decidir quantas instâncias são necessárias na rede comutada, e tenha em mente que uma instância se traduz em uma topologia lógica. Decida quais VLANs mapear para essas instâncias, e selecione cuidadosamente uma raiz e uma raiz de reserva para cada instância. Escolha um nome de configuração e um número de revisão que será comum a todos os switches na rede. A Cisco recomenda que você coloque o maior número possível de switches em uma única região; não é vantajoso segmentar uma rede em regiões separadas. Evitar mapear quaisquer VLANs na instância 0. Migre o núcleo primeiro. Mude o tipo STP para MST, e vá até os interruptores de acesso. MST pode interagir com pontes legadas rodando PVST+ em uma base por porta, então não é um problema misturar ambos os tipos de pontes se as interações são claramente entendidas. Tente sempre manter a raiz do CST e IST dentro da região. Se você interagir com uma ponte PVST+ através de um tronco, certifique-se de que a ponte MST é a raiz de todos os VLANs permitidos nesse tronco.

Para configurações de exemplo, consulte:

• Exemplo de Configuração para Migrar o Spanning Tree de PVST+ MST

• Spanning Tree de PVST+ Rápida-PVST Migração de Configuração de Exemplo

Conclusão

redes de Comutação tem de cumprir rigorosas robustez, resistência e requisitos de alta disponibilidade. Com tecnologias crescentes como voz sobre IP (VoIP) e vídeo sobre IP, a convergência rápida em torno de falhas de link ou componentes não é mais uma característica desejável: convergência rápida é uma obrigação. No entanto, até recentemente, as redes comutadas redundantes tiveram de contar com o 802.1 d STP relativamente lento para atingir esses objectivos. Isso muitas vezes acabou por ser a tarefa mais desafiadora do administrador de rede. A única maneira de tirar alguns segundos do protocolo era afinar os temporizadores do protocolo, mas muitas vezes em detrimento da saúde da rede. A Cisco lançou muitos 802.1D STP augmentations such as UplinkFast, BackboneFast and PortFast, features that paved the way towards faster spanning tree convergence. Cisco também respondeu a problemas de escalabilidade de redes baseadas em L2 com o desenvolvimento do MISTP. O IEEE decidiu recentemente incorporar a maioria destes conceitos em duas normas: 802.1 w (RSTP) e 802.1 s (MST). Com a implementação destes novos protocolos, tempos de convergência nas baixas centenas de milisegundos podem ser esperados enquanto escalam para milhares de VLANs. A Cisco continua sendo a líder na indústria e oferece estes dois protocolos, juntamente com ampliações proprietárias, a fim de facilitar a migração e interoperabilidade com pontes legadas.