Definition Was ist SPB (Shortest Path Bridging)?

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Bridging arbeitet auf dem Layer 2 des ISO/OSI-Schichtenmodells. Der Standard löst ältere Spanning-Tree-Protokolle (STP) ab und sorgt dafür, dass die Layer-2-Topologie schleifenfrei ist und kürzeste Wege zwischen den Layer-2-Geräten zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zum STP lassen sich mehrere Pfade parallel nutzen.

Die Abkürzung für Shortest Path Bridging lautet SPB. Es handelt sich um einen vom IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) im Jahr 2012 offiziell verabschiedeten Standard für Layer-2-Topologien. Er ist spezifiziert im Standard IEEE 802.1aq und soll die älteren Spanning-Tree-Protokolle (STP) mit ihren Nachteilen ablösen.

Ziel von Shortest Path Bridging ist es, eine schleifenfreie Layer-2-Topologie und kürzeste Wege zwischen den Layer-2-Geräten bereitzustellen. Zudem soll die parallele Nutzung von Verbindungen (Multipath Routing) möglich sein. Dadurch lassen sich größere und performanter arbeitende Layer-2-Topologien realisieren. Auslastung, Latenz und Redundanz sind im Vergleich zum Spanning-Tree-Protokoll deutlich verbessert.

Typische Anwendungsszenarien sind der professionelle Betrieb virtueller Maschinen in Rechenzentren, die echtzeitfähige Kommunikation mit hohen Bandbreiten oder die Übertragung von Daten in einem Speichernetzwerk. Für die Ermittlung einer optimalen Topologie und das Routing auf dem Layer 2 nutzt SPB das Protokoll Intermediate System to Intermediate System (IS-IS). Das Routing ist in Hin- und Rückrichtung symmetrisch. Es werden die Verkehrsarten Unicast, Multicast und Broadcast unterstützt. SPB lässt sich in die beiden Varianten SPBM und SPBV unterscheiden. SPBM arbeitet mit MAC-Adressen und SPBV mit VLAN-IDs.

Neben dem Shortest Path Bridging existiert ein weiterer Ansatz zur Ablösung des Spanning-Tree-Protokolls. Es handelt sich um den von der IETF (Internet Engineering Task Force) entwickelten Standard TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links).

Die grundlegenden Anforderungen an SPB

Zur Ablösung der Spanning-Tree-Protokolle und Bereitstellung einer performanten Layer-2-Topologie hat Shortest Path Bridging unter anderem folgende Anforderungen zu erfüllen:

• Bereitstellung der Funktionen auf dem Layer 2

• automatisches Finden und Nutzen kürzester und schnellster (optimaler) Verbindungen

• Bereitstellung einer schleifenfreien Topologie

• parallele aktive Nutzung gleichwertiger Wege

• symmetrische Hin- und Rückwege

• Abwärtskompatibilität mit Geräten, die SPB nicht unterstützen

• schnelle und möglichst unterbrechungsfreie Bereitstellung alternativer Wege bei Verbindungsausfällen

• Unterstützung von Unicast, Multicast und Broadcast

Abgrenzung zum Spanning-Tree-Protokoll

Im Gegensatz zum Shortest Path Bridging hat das Spanning-Tree-Protokoll nur das Ziel, die Schleifenbildung auf dem Layer 2 zu verhindern. Das Finden optimaler Wege oder Nutzen paralleler Verbindungen ist nicht die Aufgabe des Spanning-Tree-Protokolls. STP erzeugt eine schleifenfreie Baumstruktur und legt alternative Wege still. Erst beim Ausfall einer Verbindung wird die Baumstruktur neu berechnet und ein alternativer Weg freigeschaltet. Das führt dazu, dass in großen Layer-2-Topologien vorhandene Ressourcen ungenutzt bleiben, nicht immer die kürzesten und schnellsten Verbindungen genutzt werden und lange Umschaltzeiten nach Ausfällen einzelner Knoten oder Verbindungen entstehen.

Kurzer Überblick über die Funktionsweise von SPB

Um auf dem Layer 2 optimale Wege zu finden und schnell zu skalieren, benötigt Shortest Path Bridging ein Routingprotokoll, wie es eigentlich für den Layer 3 des ISO/OSI-Schichtenmodells vorgesehen ist. SPB bedient sich des Link-State Interior Gateway Protocols IS-IS (Intermediate System to Intermediate System Protocol).

Mit Hilfe von IS-IS wird ein Netzwerk aus SPB-fähigen Layer-2-Switchen gebildet. Grundsätzlich findet eine Unterscheidung zwischen den Edge Switches am Rande des Netzwerks und den Core Switches im Inneren des Netzwerks statt. IS-IS richtet kürzeste Datenpfade zwischen den Switches ein. Hierfür wird in jedem Edge Switch ein eigener Routingbaum (Shortest Path Tree – SPT) mit gerichteten, kürzesten Layer-2-Routen gebildet. Aus Sicht eines Edge Switches ist er selbst die Wurzel des Routingbaums. Unicast-, Multicast- und Broadcast-Frames werden hinsichtlich des Routings auf die gleiche Weise behandelt.

Abhängig vom Zweck der Einrichtung der Routingbäume, ob zur Übertragung von Frames nur einer VLAN-Gruppe oder mehrerer VLAN-Gruppen, unterscheidet das Shortest Path Switching zwischen den zwei Modi SPBV (SPB VID) und SPBM (SPB MAC). Die Einsatzgebiete von SPBM und SPBV unterscheiden sich. Während typische Anwendungsgebiete von SPBV Rechenzentren von Unternehmen sind, ist SPBM häufig in Metro-Netzwerken und großen Provider-Netzen zu finden.

Gegenüberstellung von SPB und TRILL

Neben Shortest Path Bridging, das vom IEEE spezifiziert ist, existiert mit TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) ein alternatives Konzept zur Ablösung der Spanning-Tree-Protokolle. Es wurde vom IETF entworfen und ist in seinen Grundzügen zwar ähnlich, zeigt aber auch einige deutliche Unterschiede.

SPB und TRILL liefern beide optimale Pfade im Layer-2-Netzwerk, nutzen das IS-IS Routingprotokoll zur Wegfindung, unterstützen die parallele Nutzung gleichwertiger Verbindungen und arbeiten sowohl auf MAC- als auch auf VLAN-Basis. TRILL kann aufgrund seiner Arbeitsweise aber keine symmetrischen Routen auf dem Hin- und Rückweg sicherstellen. Hinzu kommt, dass TRILL für die verschiedenen Verkehrsarten Unicast, Multicast und Broadcast teilweise unterschiedliche Mechanismen zur Weiterleitung der Pakete verwendet. Das macht es schwieriger, den Weg der Daten durch das Netzwerk vorherzusagen und nachzuverfolgen. Bestimmte Management- und Überwachungstechnologien können nicht angewandt werden.

Vorteile durch den Einsatz von SPB

Das Shortest Path Bridging bietet für vermaschte Layer-2-Netzwerke im Vergleich zu den Spanning-Tree-Protokollen zahlreiche Vorteile. Da der Datenverkehr parallel über mehrere Verbindungen verteilt werden kann, erhöhen sich Performance und Bandbreite des Netzwerks. Zudem sind Konvergenzzeiten bei Ausfällen von Verbindungen oder Netzknoten deutlich verkürzt. Die Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit sind verbessert.

Shortest Path Bridging vereinfacht beispielsweise die Realisierung virtueller Infrastrukturen und die Migration virtueller Maschinen innerhalb eines Netzwerks. Für bandbreiteintensive Anwendungen steht aufgrund der parallelen Nutzung der Verbindungen höhere Übertragungskapazität zur Verfügung, was beispielsweise für Speichernetzwerke vorteilhaft ist. Weitere Vorteile des Shortest Path Bridgings sind:

• das Netzwerk ist aufgrund des automatischen, intelligenten Aufbaus einer optimalen Topologie einfacher zu managen und zu betreiben - das Risiko für Fehlkonfigurationen sinkt

• das Shortest Path Bridging unterstützt die Konzepte des Cloud-Computings und virtueller Infrastrukturen

• selbst große Layer-2-Netze lassen sich effizient betreiben und einfach skalieren - die Größenbeschränkungen der Spanning-Tree-Protokolle sind aufgehoben

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