Protokół Spanning Tree, czasami nazywany po prostu Spanning Tree, to Waze lub MapQuest nowoczesnych sieci Ethernet, kierujący ruchem najbardziej wydajną trasą w oparciu o warunki w czasie rzeczywistym.
W oparciu o algorytm stworzony przez amerykańską informatykę Radię Perlman podczas jej pracy dla Digital Equipment Corporation (DEC) w 1985 r., głównym celem Spanning Tree jest zapobieganie nadmiarowym połączeniom i zapętlaniu się ścieżek komunikacyjnych w złożonych konfiguracjach sieciowych. Dodatkową funkcją Spanning Tree może kierować pakiety wokół problematycznych miejsc, aby zapewnić płynność komunikacji w sieciach, w których mogą występować zakłócenia.
Topologia drzewa opinającego a topologia pierścienia
Kiedy w latach 80. organizacje dopiero zaczynały łączyć swoje komputery w sieć, jedną z najpopularniejszych konfiguracji była sieć pierścieniowa. Na przykład IBM wprowadził własną technologię Token Ring w 1985 roku.
W topologii sieci pierścieniowej każdy węzeł łączy się z dwoma innymi, jednym znajdującym się przed nim w pierścieniu i drugim umieszczonym za nim. Sygnały przemieszczają się po pierścieniu tylko w jednym kierunku, a każdy węzeł po drodze przekazuje wszystkie pakiety krążące wokół pierścienia.
Chociaż proste sieci pierścieniowe działają dobrze, gdy jest tylko kilka komputerów, pierścienie stają się nieefektywne, gdy do sieci dodawane są setki lub tysiące urządzeń. Może się zdarzyć, że komputer będzie musiał wysłać pakiety przez setki węzłów, aby udostępnić informacje innemu systemowi w sąsiednim pomieszczeniu. Przepustowość i przepustowość również stają się problemem, gdy ruch może płynąć tylko w jednym kierunku, bez planu tworzenia kopii zapasowych, na wypadek gdyby węzeł na trasie został uszkodzony lub nadmiernie przeciążony.
W latach 90., gdy Ethernet stał się szybszy (100 Mbit/s. Fast Ethernet został wprowadzony w 1995 r.), a koszt sieci Ethernet (mosty, przełączniki, okablowanie) stał się znacznie tańszy niż Token Ring, Spanning Tree wygrało wojny topologiczne sieci LAN, a Token Pierścień szybko zniknął.
Jak działa drzewo opinające
Spanning Tree to protokół przesyłania pakietów danych. Jest to po części policjant drogowy i inżynier budownictwa lądowego odpowiedzialny za autostrady, którymi przesyłane są dane. Znajduje się w warstwie 2 (warstwa łącza danych), więc zajmuje się po prostu przenoszeniem pakietów do odpowiedniego miejsca docelowego, a nie rodzajem wysyłanych pakietów ani zawartymi w nich danymi.
Drzewo opinające stało się tak wszechobecne, że jego użycie jest zdefiniowane w:Standard sieciowy IEEE 802.1D. Zgodnie z definicją zawartą w normie, pomiędzy dowolnymi dwoma punktami końcowymi lub stacjami może istnieć tylko jedna aktywna ścieżka, aby zapewnić ich prawidłowe działanie.
Spanning Tree ma na celu wyeliminowanie możliwości utknięcia w pętli danych przesyłanych pomiędzy segmentami sieci. Ogólnie rzecz biorąc, pętle mylą algorytm przekazywania zainstalowany w urządzeniach sieciowych, przez co urządzenie nie wie już, dokąd wysłać pakiety. Może to skutkować duplikacją ramek lub przesyłaniem zduplikowanych pakietów do wielu miejsc docelowych. Wiadomości mogą się powtarzać. Wiadomość może wrócić do nadawcy. Może nawet spowodować awarię sieci, jeśli zacznie pojawiać się zbyt wiele pętli, pochłaniając przepustowość bez zauważalnych korzyści, blokując jednocześnie przedostawanie się innego ruchu niezapętlonego.
Protokół drzewa opinającegozapobiega tworzeniu się pętlizamykając wszystkie możliwe ścieżki dla każdego pakietu danych z wyjątkiem jednej. Przełączniki w sieci wykorzystują drzewo opinające do definiowania ścieżek głównych i mostów, którymi mogą przemieszczać się dane, a także funkcjonalnie zamykają zduplikowane ścieżki, czyniąc je nieaktywnymi i bezużytecznymi, dopóki dostępna jest ścieżka podstawowa.
W rezultacie komunikacja sieciowa przebiega płynnie, niezależnie od tego, jak złożona i rozległa jest sieć. W pewnym sensie Spanning Tree tworzy pojedyncze ścieżki w sieci, którymi dane mogą być przesyłane przy użyciu oprogramowania, w podobny sposób, w jaki inżynierowie sieci robili to przy użyciu sprzętu w starych sieciach pętlowych.
Dodatkowe zalety drzewa opinającego
Głównym powodem stosowania drzewa opinającego jest wyeliminowanie możliwości tworzenia się pętli routingu w sieci. Ale są też inne zalety.
Ponieważ Spanning Tree stale wyszukuje i definiuje, które ścieżki sieciowe są dostępne dla pakietów danych, może wykryć, czy węzeł znajdujący się na jednej z tych głównych ścieżek został wyłączony. Może się to zdarzyć z różnych powodów, od awarii sprzętu po nową konfigurację sieci. Może to być nawet sytuacja tymczasowa ze względu na przepustowość lub inne czynniki.
Kiedy Spanning Tree wykryje, że ścieżka podstawowa nie jest już aktywna, może szybko otworzyć inną ścieżkę, która została wcześniej zamknięta. Następnie może wysłać dane wokół problematycznego miejsca, ostatecznie wyznaczając objazd jako nową ścieżkę główną lub wysyłając pakiety z powrotem do pierwotnego mostu, jeśli ponownie stanie się on dostępny.
Podczas gdy oryginalne drzewo opinające stosunkowo szybko tworzyło nowe połączenia w razie potrzeby, w 2001 roku IEEE wprowadziło protokół Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP). Nazywany także wersją protokołu 802.1w, protokół RSTP został zaprojektowany w celu zapewnienia znacznie szybszego odzyskiwania w odpowiedzi na zmiany w sieci, tymczasowe awarie lub całkowitą awarię komponentów.
Chociaż protokół RSTP wprowadził nowe zachowania związane z konwergencją ścieżek i role portów mostkowych w celu przyspieszenia procesu, został również zaprojektowany tak, aby był w pełni kompatybilny wstecz z oryginalnym drzewem opinającym. Możliwe jest więc, że urządzenia z obydwoma wersjami protokołu będą działać razem w tej samej sieci.
Wady drzewa opinającego
Chociaż drzewo opinające stało się wszechobecne przez wiele lat po jego wprowadzeniu, są tacy, którzy twierdzą, że jest tonadszedł czas. Największą wadą drzewa opinającego jest to, że zamyka potencjalne pętle w sieci, zamykając potencjalne ścieżki, którymi mogą przemieszczać się dane. W dowolnej sieci korzystającej z drzewa opinającego około 40% potencjalnych ścieżek sieciowych jest zamkniętych dla danych.
W niezwykle złożonych środowiskach sieciowych, takich jak centra danych, możliwość szybkiego skalowania w celu zaspokojenia zapotrzebowania ma kluczowe znaczenie. Bez ograniczeń narzuconych przez Spanning Tree centra danych mogłyby udostępnić znacznie większą przepustowość bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu sieciowego. To dość ironiczna sytuacja, ponieważ złożone środowiska sieciowe były powodem, dla którego stworzono Spanning Tree. A teraz ochrona zapewniana przez protokół przed zapętleniem w pewnym sensie powstrzymuje te środowiska od pełnego wykorzystania ich potencjału.
Opracowano udoskonaloną wersję protokołu o nazwie Multiple-Instance Spanning Tree (MSTP), aby wykorzystać wirtualne sieci LAN i umożliwić jednoczesne otwarcie większej liczby ścieżek sieciowych, jednocześnie zapobiegając tworzeniu się pętli. Ale nawet w przypadku protokołu MSTP sporo potencjalnych ścieżek danych pozostaje zamkniętych w dowolnej sieci korzystającej z tego protokołu.
Na przestrzeni lat podjęto wiele niestandardowych, niezależnych prób poprawy ograniczeń przepustowości drzewa opinającego. Choć projektanci niektórych z nich ogłosili sukces w swoich wysiłkach, większość z nich nie jest w pełni kompatybilna z podstawowym protokołem, co oznacza, że organizacje muszą albo zastosować niestandardowe zmiany na wszystkich swoich urządzeniach, albo znaleźć sposób, aby umożliwić im istnienie z przełączniki obsługujące standardowe drzewo opinające. W większości przypadków koszty utrzymania i wspierania wielu odmian Spanning Tree nie są warte wysiłku.
Czy drzewo opinające będzie kontynuowane w przyszłości?
Oprócz ograniczeń przepustowości wynikających z zamykania ścieżek sieciowych przez Spanning Tree, nie poświęca się zbyt wiele uwagi ani wysiłku wymianie protokołu. Chociaż IEEE od czasu do czasu publikuje aktualizacje, aby zwiększyć jego wydajność, zawsze są one kompatybilne wstecz z istniejącymi wersjami protokołu.
W pewnym sensie Spanning Tree kieruje się zasadą „Jeśli coś nie jest zepsute, nie naprawiaj tego”. Spanning Tree działa niezależnie w tle większości sieci, aby utrzymać płynność ruchu, zapobiegać tworzeniu się pętli powodujących awarie i kierować ruch wokół problematycznych punktów, dzięki czemu użytkownicy końcowi nawet nie wiedzą, czy w ich sieci występują chwilowe zakłócenia w ramach jej codziennego funkcjonowania. operacje dzienne. Tymczasem na zapleczu administratorzy mogą dodawać nowe urządzenia do swoich sieci, nie zastanawiając się zbytnio, czy będą w stanie komunikować się z resztą sieci lub światem zewnętrznym.
Z tego powodu jest prawdopodobne, że drzewo opinające będzie używane przez wiele lat. Od czasu do czasu mogą pojawiać się drobne aktualizacje, ale podstawowy protokół Spanning Tree i wszystkie najważniejsze funkcje, które wykonuje, prawdopodobnie pozostaną.
Czas publikacji: 7 listopada 2023 r
