Definition Was ist STP (Spanning Tree Protocol)?

Das Spanning Tree Protocol (STP) verhindert in Netzwerken mit mehreren Switches parallele Verbindungen und unterbindet dadurch die Bildung von Schleifen. STP funktioniert in beliebig vermaschten Netzstrukturen und erzeugt eine Baumtopologie mit eindeutigen Verbindungspfaden.

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Das Spanning Tree Protocol, abgekürzt STP, wurde 1990 in der IEEE-Norm 802.1D standardisiert. Es handelt sich um ein Verfahren, das die Schleifenbildung in geswitchten Netzwerkstrukturen verhindert und so eindeutige Pfade zwischen den Switches herstellt. Netzwerkphänomene wie beispielsweise Broadcast-Stürme lassen sich durch STP vermeiden.

Ergebnis des Spannung Tree Protocols ist eine Baumtopologie, in der keine doppelten Verbindungen zwischen Quelle und Ziel mehr vorhanden sind. Gleichzeitig ist jeder vernetzte Punkt von einem anderen vernetzten Punkt über die bestmögliche Verbindung erreichbar. Kommt es zu einer Unterbrechung einer Verbindung oder zum Ausfall eines Switches, reorganisiert das Spanning Tree Protocol dem Baum und ermittelt neue Verbindungspfade.

Die Kommunikation der Switches oder Bridges untereinander erfolgt über so genannte Bridge Protocol Data Units (BPDUs), die in kurzen Abständen ausgetauscht werden. Ein Ausbleiben von BPDUs interpretieren die Switches als Verbindungsausfall. Um eine Baumtopologie zu etablieren, existieren verschiedene Portzustände. Switches mit mehreren Ports zu einem Ziel blockieren bis auf eine Verbindung alle restlichen Ports.

Erster Schritt beim Aufbau eines Verbindungsbaums ist die Wahl der Root Bridge. Anschließend sorgt der STP-Algorithmus dafür, dass die Verbindungspfade durch das Aktivieren oder Blockieren von Ports gemäß der Baumtopologie aufgebaut werden.

Die verschiedenen Zustände eines Port-Switches im Spanning Tree

Ein Switchport in einem Spanning Tree kennt insgesamt fünf verschiedene Portzustände. Diese Zustände sind:

• Forwarding

• Blocking

• Learning

• Listening

• Disabled

Ports im Zustand Forwarding leiten Frames weiter, empfangen BPDUs und lernen Adressen. Sie sind komplett aktiv. Blocking Ports verwerfen Frames, lernen keine Adressen, empfangen aber BPDUs. Diese Ports sind nicht an der Frameweiterleitung beteiligt. Nach der Aktivierung des STP durchlaufen die Ports eines Switches abhängig von der Position im Spanning Tree die Zustände Blocking, Listening, Learning und Forwarding. Timer und BPDUs sorgen für den Übergang der einzelnen Zustände und bestimmen die Konvergenzzeit, die benötigt wird, um den Spanning Tree zu berechnen oder bei einem Verbindungsausfall neu zu bestimmen.

Das Bestimmen der Root Bridge

Bevor die Baumtopologie entstehen kann, ist als erster Schritt die so genannte Root Bridge zu wählen. Die Root Bridge bildet quasi die Wurzel des Baums und ist bestimmendes Element im Netz. Sie wird von allen im Netzwerk vorhandenen Switches nach einem definierten Verfahren bestimmt. Hierfür tauschen die Switches über Multicastnachrichten ihre Bridge-ID (BID) aus. Es handelt sich um eine acht Byte lange Information bestehend aus einer Priorität, System-ID und MAC-Adresse. Der Switch mit der niedrigsten Priorität wird zu Root Bridge. Sind die Prioritäten gleich, entscheiden die weiteren Kriterien wie die MAC-Adresse. Es ist zu empfehlen, einen leistungsfähigen Switch mit einer aktuellen Software über das manuelle Setzen der Priorität zur Root Bridge zu machen.

Die Bildung des Spanning Trees

Nach der Wahl der Root Bridge können die Berechnung und der Aufbau der Baumtopologie erfolgen. Von der Root Bridge aus werden die Wege bestimmt, über die andere Switches zu erreichen sind. Existieren mehrere Pfade, deaktivieren die Switches die Pfade mit den ungünstigsten Pfadkosten.

Die Pfadkosten setzen sich unter anderem aus der Bandbreite des Links und der Anzahl zu überwindender Knoten zusammen. Der IEEE-Standard definiert die Pfadkosten, ermöglicht es aber auch, sie manuell zu setzen. Der Administrator kann dadurch selbst Einfluss auf den Spanning Tree nehmen. Im Endzustand ist jedes Teilnetz nur noch über einen Pfad erreichbar.

Kommen nach dem Aufbau des Spanning Trees Hello-Pakete der Switche nicht mehr an, geht der Algorithmus von einem Ausfall einer Teilstrecke oder eines Switches aus. In diesem Fall reorganisiert sich die Baumtopologie neu. Während der Reorganisation können die Switches keine Pakete weiterleiten. Erst wenn der Spanning Tree wieder vollständig etabliert ist, ist das Netzwerk funktionsfähig. Häufige Ausfälle einzelner Teilstrecken und Komponenten oder gefälschte Pakete des Spanning Tree Protocols können das komplette Netzwerk über längere Zeiträume außer Betrieb setzen.

RSTP und MSTP als Weiterentwicklung des Spanning Tree Protocols

Das ursprüngliche Spanning Tree Protocol besitzt recht lange Konvergenzzeiten beim Aufbau oder der Neuberechnung des Verbindungsbaums. Aus diesem Grund entstand das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) nach dem offiziellen IEEE-Standard 802.1w.

RSTP ist abwärtskompatibel und arbeitet beim Ausfall einer Verbindung mit der bestehenden Baumtopologie so lange weiter, bis ein neuer Spanning Tree entstanden ist. Die Umstellung auf die neue Baumtopologie ist in einem Sekundenbruchteil möglich. Lange Ausfallzeiten des kompletten Netzwerks durch die Neuberechnung des STP lassen sich dadurch vermeiden.

Das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) stellt eine Erweiterung von RSTP dar und ermöglicht das Bilden von unabhängigen STP-Instanzen für VLANs. In einem Netzwerk können dank MSTP mehrere Baumtopologien für die unterschiedlichen virtuellen LANs existieren.

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