Redundanz, Ausfallsicherheit & Co. – So erreichen Sie High Availability

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Spanning Tree IEEE 802.1d

Der Spanning Tree Algorithmus verhindert Loops auf der Datenübertragungsschicht. Die Notwendigkeit entsteht dadurch, dass Broadcasts in einem Ethernet-Netzwerk, in dem redundante Pfade vorhanden sind, unendlich lang kreisen und somit die verfügbare Bandbreite immer weiter verringern bis kein normaler Datenverkehr mehr möglich ist. Der heutzutage gebräuchliche 802.1d Standard ging aus der von Radia Perlman für die Firma DEC entwickelten, ersten Implementierung des Algorithmus hervor.

Um Loops zu verhindern, tauschen die Netzwerkkomponenten (Switches) eines Layer 2 Netzwerks untereinander Nachrichten aus, die vom normalen Datenverkehr unterscheidbar sind. Anhand dieser Nachrichten wird dann eine der Komponenten zur Wurzel eines Baumes gewählt. Alle anderen Komponenten gliedern sich in diesen Baum ein. Pfade, die nicht innerhalb dieses Baums liegen (dass heißt, redundante Pfade) werden dabei ausgeschaltet.

Wenn ein neuer Switch oder Link hinzugefügt wird oder ein Switch ausfällt, wird dieser Baum neu berechnet. Solange dieser Baum aber nicht erneut vollständig aufgebaut ist, leiten die Switches nur die für den Aufbau des Baumes relevanten Nachrichten weiter. Dass heißt, solange der Baum nicht vollständig wiederhergestellt ist, ist der normale Datenverkehr im Netzwerk unterbrochen. Die Neuberechnung des Baumes dauert typischerweise bis zu 60 Sekunden.

Rapid Spanning Tree IEEE 802.1w

Der 802.1d Spanning Tree Algorithmus wurde zu einer Zeit entwickelt, in der es ausreichend war, wenn sich das Netz nach einem Ausfall in einem Zeitraum von circa einer Minute erholte.

Heutzutage sind solche Ausfallzeiten nicht mehr akzeptabel. Daher wurde der Spanning Tree Standard zum Rapid Spanning Tree Standard (RSTP) weiterentwickelt, um schnellere Konvergenzzeiten zu ermöglichen. Prinzipiell wurde die Art und Weise der Berechnung des Baumes beibehalten. Die Nachrichten, die zwischen den Switches ausgetauscht werden, enthalten nun jedoch mehr Informationen. Außerdem wurde die Verarbeitung der Nachrichten verbessert. Die wichtigste Neuerung im 802.1w Standard war die Möglichkeit, einen Port schneller in den Forwarding-Modus zu bringen, in dem normale Datenpakete ausgetauscht werden können. Im alten Standard wurden die Ports erst dann aktiviert, wenn der gesamte Baum konvergiert war.

Der neue Standard ist dagegen in der Lage sicherzustellen, dass ein Port früher reaktiviert werden kann. Hierfür können Endnutzerports als so genannte Edge Ports konfiguriert werden, die dann beim Aktivieren des Ports sofort aktiv werden (Konfigurationsoption: adminedge = true). Außerdem können Ports im Fehlerfall so schneller auf einen alternativen Port Richtung Root umschalten, da RSTP Switches aktiv Rückmeldungen austauschen können. In entsprechend konfigurierten Netzwerken kann die Konvergenzzeit des Baums damit auf wenige hundert Millisekunden gesenkt werden.

VLANs IEEE 802.1q

VLANs erlauben es, einen Switch mit einer Vielzahl physikalischer Ports logisch zu unterteilen, sodass bestimmte Portgruppen jeweils verschiedene Broadcastdomains bilden, obwohl sie physikalisch zum gleichen Switch gehören.

Der IEEE 802.1q Standard erlaubt es, die Daten aus solchen logisch getrennten Portgruppen eindeutig (für die jeweilige Gruppe) zu kennzeichnen und sie in dieser Form zu einem anderen Switch zu transportieren. Der Link, über den diese markierten Pakete transportiert werden, wird in der Regel Trunk genannt. Dort können die Daten wieder den einzelnen Gruppen zugeordnet werden und, falls diese Gruppen auf diesem Switch ebenfalls existieren, zu den entsprechenden Ports geschickt werden. Man ist also in der Lage, eine logische Broadcastdomain-Struktur über eine physikalisch vorgegebene Struktur von untereinander verkabelten Switches zu legen. Dadurch können die Mitarbeiter einer Abteilung mit ihren Rechnern in derselben Broadcastdomain sein, obwohl die Abteilung auf verschiedene Gebäude verteilt ist.

Multiple Spanning Trees IEEE 802.1s

Multiple Spanning Trees (MST) ist eine Ergänzung des 802.1q Standards. Der 802.1w Rapid Spanning Tree Standard wurde erweitert, um mehrere Spanning Trees zu unterstützen. Diese Ergänzung erlaubt sowohl schnelle Konvergenz als auch Load Sharing in einer VLAN Umgebung.

Mit MST wird es möglich, mehrere Spanning Tree Instanzen über Trunks hinweg aufzubauen. Dabei können in Gruppen zusammengefasste VLANs einzelnen Spanning Tree Instanzen zugeordnet werden. Die einzelnen Instanzen können dabei unabhängig voneinander verschiedene Topologien haben. Dafür werden die Spanning Tree Parameter wie Root Priorität, etc. für jede Instanz angepasst. Damit wird ein Load Sharing für unterschiedliche VLAN Gruppen über redundante Layer-2-Wege möglich. MST benutzt dabei eine modifizierte Variante des Rapid Spanning Tree Protokolls, genannt: Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) oder IEEE 802.1s.

weiter mit: Layer 3 – Netzwerkschicht

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Netzwerk Grundlagen – Standard Based Availability