В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Денис 
АлександрДля повышения надежности и отказоустойчивости в современных сетях связи большую роль играет создание резервных каналов между коммутаторами. Этот подход не только резервирует, но и позволяет конструировать альтернативные маршруты для прохождения пакетов данных, что сильно балансирует нагрузку сети. Таким примером является топология-кольцо, которая лучше цепи тем, что имеет возможность резервирования: при наличии одной точки отказа возможна работа остальных узлов. Но при этом возникает необходимость настройки сетевого протокола, который позволяет избежать образования логических петель. Логическими петлями называют избыточное соединение между коммутаторами, что приводит к существованию одновременно нескольких маршрутов между источником и приемником кадра. Такая конструкция может привести к ряду проблем:
Spanning Tree Protocol (протокол связующего дерева) – канальный протокол, основной задачей которого является автоматическое построение древовидной, свободной от петель конфигурации связей в произвольной сети Ethernet, которая состоит из нескольких коммутаторов, связанных избыточными соединениями. То есть при подключении в цепь нескольких коммутаторов STP автоматически начинает построение активной топологии связующего дерева, чтобы исключить появление петель, а также обеспечить резервирование. При этом важной задачей является автоматическая блокировка избыточных соединений с помощью присвоения данным портам различных ролей.
Процесс построения активной топологии связующего дерева STP происходит с помощью обмена служебными кадрами BPDU и делится на несколько основных этапов:
При построении сети каждый порт проходит несколько состояний, прежде чем получить свою роль. При включении коммутатора все порты находятся в состоянии Blocking (блокирование) – обработка только служебных кадров BPDU. Следующее состояние Listening (прослушивание) – сравнение стоимости своего пути с другими портами. Далее порт начинает принимать все кадры и строить таблицу MAC-адресов, но данные не перенаправляет – Learning (обучение). Затем Forwarding (продвижение) – порт начинает продвигать кадры данных и BPDU. Последнее состояние Disabled (отключен) – порт, отключенный администратором. Если заведомо известно, что к порту подключено оборудование (клиентское), исключающее возникновение петли, его можно перевести в режим Portfast. При этом он пропускает промежуточные стадии и сразу переходит к состоянию Forwarding.
С развитием телекоммуникационных технологий скорость сходимости дерева протокола STP оказалась слишком низкой, она составляла от 30 до 50 с. И в 2001 г. был разработан новый стандарт IEEE 802.1w Rapid Spanning Tree Protocol (Быстрый STP), скорость сходимости которого составила менее 10 с. Причиной высокой скорости протокола RSTP является объединение двух состояний порта – Blocking и Listening (в каждом из которых он пребывает по 15 с) – в один – Discarding. Также процесс очень ускорил тот факт, что после неполучения BPDU с подтверждением старой схемы дерева коммутатор не ждет 20 с, как в протоколе STP, а инициирует процесс построения через 6 с. Еще одной из основных причин ускорения и устойчивости RSTP послужило появление новых ролей портов. Вместо Blocking для избыточных портов появились роли Alternate и Backup. Alternate Port (альтернативный) является резервом для корневого порта, имея самую маленькую стоимость из оставшихся соединений. Backup Port (резервный) обеспечивает альтернативу для назначенных портов, идущих от других сегментов сети. То есть назначая такие роли, система заранее знает, как ей перестроиться в случае потери основных каналов, и не требует перестроения всего дерева.
Со временем сети разрастались в геометрической прогрессии, а все больше приложений требовали выделенных каналов связи. Все это делало сложным построение сетей без использования VLAN. Хотя существующий протокол PVST частично решал данную проблему, его работа накладывала некоторые ограничения. Они заключались в том, что для организации гибкой сети количество VLAN требовалось все больше, а PVST присваивал каждому свой экземпляр дерева STP. Такая сложная конструкция не требовалась для обеспечения безопасности сети и приводила к большой загруженности коммутационного оборудования. Все это привело к разработке нового протокола – Multiple Spanning Tree Protocol, – описанного в стандарте IEEE 802.1s. Основным отличием данного протокола является возможность объединения нескольких VLAN в одной копии связующего дерева. Данный протокол включил в себя все преимущества RSTP, но при этом, как в PVST, появилась возможность создания копий связующего дерева, с не зависящей друг от друга топологией. MSTP может не только объединять в одной копии дерева STP несколько VLAN, но и разбивать сеть на отдельные группы коммутаторов, создавая из них MST-регионы. В этих регионах отдельно выбирается Региональный мост и создается своя MSTI-копия дерева. Вся область за Региональным мостом воспринимается как один коммутатор. Эти преимущества сильно упростили применение таких инструментов проектирования сети, как VLAN, сделав сети более гибкими, производительными, и разгрузили коммутационное оборудование.
Далее наглядно показан пример использования сетевых протоколов связывающего дерева STP на практике. На рис. 1 изображен реальный участок сети передачи данных ЗАО "ВОЛГА-ТРАНСТЕЛЕКОМ". Топология L2 Ethernet-сегмента представляет собой кольцо из 8 коммутаторов (switch01–08), соединенных между собой волоконно-оптическими линиями связи. От данных коммутаторов подключаются либо непосредственно клиенты, либо другие коммутаторы с клиентами.
Корневой коммутатор (switch01) подключается к PE-маршрутизатору (Gateway01). Схема предоставления услуги выглядит как организация L2-канала от клиента до PE-маршрутизатора. На коммутаторе switch01 создается или удаляется клиентский vlan id, остальные коммутаторы в кольце узнают об этом vlan id про протоколу VTP. На PE-маршрутизаторе создается при этом соответствующий сабинтерфейс на интерфейсе Gi0/1. Настройки Spanning Tree на коммутаторах были по умолчанию. В данном случае протокол предотвращения Ethernet-колец был PVST+. И до определенного момента все работало. Особенностью протокола PVST+ было то, что для каждого вновь созданного vlan id создавался свой собственный instance id, для которого отрабатывал каждый раз алгоритм Spanning Tree. Аппаратные особенности большинства коммутаторов (switch02–08) имели ограничение в 64 instance id. При превышении значения количества vlan id выше 64 коммутаторы (switch02–08) выдавали предупреждение, что достигнут предел количества instance id, и для новых vlan id не будет создаться свой instance id, а соответственно, не будет работать протокол PVST+. Однако аппаратные способности коммутатора switch01 имели ограничение в 128 instance id, и кольцо продолжало работать, но для некоторых vlan id трафик ходил не оптимальным путем. При превышении количества vlan id 128 коммутатор switch01 выдал предупреждение, что достигнут предел количества instance id, и для новых vlan id алгоритм Spanning Tree просчитываться не будет. Возникла закольцовка трафика по вновь созданному vlan id, весь Ethernet-сегмент оказался недоступным. Восстановить работу можно было, только разорвав кольцо в любом месте, что и было сделано. Но разорванное кольцо не есть выход из положения. Было начато пристальное изучение документации на данные коммутаторы по части резервирования Ethernet-петель. Был выбран единственно возможный подходящий протокол предотвращения колец – MSTP, с выделением единственного instace id, т.к. для данной топологии больше не требуется. Был разработан план перехода на протокол MSTP, заказаны плановые работы с перерывом связи. Коммутатор switch01 должен был стать корневым, поэтому Bridge ID у него должен быть наименьшим – 4096. Коммутатор switch02 выбрали как резервный корневой с Bridge ID 8192. На остальных коммутаторах (switch03–08) оставили по умолчанию Bridge ID – 32768. После перенастройки, кольцо замкнули, отработал алгоритм MSTP, и кольцо вошло в устойчивое состояние работоспособности. Данное кольцо стабильно работает вот уже 4 года и много раз спасало от разрыва кабеля.
После перехода на MSTP очень сильно разгрузились ЦПУ коммутаторов в кольце (см. рис. 2). Связано это с тем, что для MSTP использовался всего один instance id, вместо 64 или 128, как на switch01. График спада загрузки ЦПУ на коммутаторе switch02.
Основным достоинством семейства протоколов STP является простота алгоритмов сходимости после разрыва, где переход на резервный путь происходит не только между соседними устройствами, а реконфигурируется во всем сегменте сети. Также преимуществом является постоянное усовершенствование протокола: если на начальных этапах развития время схождения занимало до 5 с, то сейчас на это требуется менее 1 с. Появление новых версий протокола позволило сделать сеть более гибкой и масштабируемой. Дало возможность конфигурировать сеть с жестко заданными параметрами сходимости, но подходить к применению такого решения в сложных сетях необходимо осторожно, учитывая все особенности каждой версии.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2015
Посещений: 6695
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
