Spanning Tree Protocol

Le protocole STP (Spanning Tree Protocol) fournit un mécanisme permettant de désactiver des liaisons redondantes sur un réseau commuté. Il offre en effet la redondance requise pour assurer la fiabilité du réseau, sans créer de boucles de commutation. STP est un protocole standard ouvert, utilisé dans un environnement commuté pour créer une topologie logique sans boucle.

Ce protocole est relativement autonome et requiert une configuration limitée. Lorsque le protocole STP est activé, à la première mise sous tension des commutateurs, ces derniers vérifient si le réseau commuté ne présente pas de boucles. S’ils détectent une boucle potentielle, les commutateurs bloquent certains ports de connexion et laissent d’autres ports actifs pour assurer le transfert des trames.

Le STP permet de désactiver certains chemins redondants au profit d’autres, ceci peut se faire sur le Switch « manageable » via un port série.

Le protocole STP définit une arborescence qui s’étend sur tous les commutateurs dans un réseau commuté en étoile étendue. Les commutateurs vérifient constamment que le réseau ne présente aucune boucle et que tous les ports fonctionnent correctement.

Pour empêcher les boucles de commutation, le protocole STP effectue les opérations suivantes :

  • force certaines interfaces à passer en état de veille ou de blocage ;
  • laisse d’autres interfaces en état de transmission ;
  • reconfigure le réseau en activant le chemin de veille approprié, si le chemin de transmission se libère.

Dans la terminologie STP, le terme « pont » est souvent utilisé pour désigner un commutateur. Par exemple, le pont racine est le commutateur principal et le point central de la topologie STP. Le pont racine communique avec les autres commutateurs à l’aide d’unités BPDU (Bridge Protocol Data Unit). Les BPDU sont des trames qui envoient une multidiffusion à tous les autres commutateurs, toutes les 2 secondes. Elles contiennent les informations suivantes :

  • identité du commutateur source ;
  • identité du port source ;
  • coût du port source ;
  • valeur des compteurs d’obsolescence ;
  • valeur du minuteur Hello.

Dès qu’un commutateur est mis sous tension, chaque port passe successivement par les quatre états suivants : blocage, écoute, apprentissage et transmission. Un cinquième état, désactivé, indique que l’administrateur a éteint le port du commutateur.

Au cours de ce cycle, les LED du commutateur passent successivement du mode orange clignotant au mode vert continu. Le cycle complet sur le port peut durer jusqu’à 50 secondes, au terme duquel le port est prêt à transférer des trames.

Lorsqu’un commutateur est mis sous tension, il adopte d’abord l’état de blocage afin d’empêcher immédiatement la formation d’une boucle. Il passe ensuite en mode d’écoute, afin de recevoir des BPDU provenant de commutateurs voisins. Après avoir traité ces informations, le commutateur détermine quels ports peuvent transférer des trames sans créer de boucle. Si un port peut transférer des trames, il passe en mode d’apprentissage, puis en mode de transmission.

Les ports d’accès ne créent pas de boucles dans un réseau commuté et passent toujours en mode de transmission si un hôte est relié à ces ports. Les ports agrégés peuvent éventuellement créer un réseau en boucle et passer en mode de transmission ou de blocage.

Adresse Mac codé en 6 octet (3 Octet : constructeur – 3 octet : numéro de série)

Si on coupe le courant la table d’adresse Mac du Switch est effacé, au rallumage il envoie des trames ARP à tous les hôtes du réseau pour reconstruire sa table d’@ MAC ou table ARP, le commutateur ou Switch bloque les collisions.

Switch en mode « on the fly » à la volée il renvoie la trame au port concerné sans la vérifier, en mode store & forward, enregistre la verifie et l’envoie.

Pour que le protocole STP fonctionne, les commutateurs du réseau doivent désigner un commutateur comme point central de ce réseau. Le protocole STP utilise ce point central, appelé pont racine ou commutateur racine, pour déterminer quels ports doivent être bloqués et quels ports doivent passer en mode de transmission. Le pont racine envoie à tous les autres commutateurs des BPDU contenant des informations sur la topologie du réseau. Ces informations permettent au réseau d’être automatiquement reconfiguré en cas de panne.

Chaque réseau comporte un seul pont racine, qui est choisi en fonction de l’ID de pont (BID). La valeur de priorité du pont à laquelle est ajoutée l’adresse MAC constitue le BID.

La valeur par défaut de la priorité du pont est 32 768. Si l’adresse MAC d’un commutateur est AA-11-BB-22-CC-33, le BID de ce commutateur sera : 32768: AA-11-BB-22-CC-33.

Le pont racine est basé sur la valeur de BID la plus petite. Étant donné que les commutateurs utilisent généralement la même valeur de priorité par défaut, le commutateur présentant la plus petite adresse MAC devient le pont racine.

Lorsqu’un commutateur est activé, il pense être le pont racine et par conséquent, envoie des BPDU comprenant son BID. Par exemple, si S2 annonce un ID racine inférieur à S1, S1 cesse d’annoncer son ID racine et accepte l’ID racine de S2. S2 devient alors le pont racine.

Le protocole STP désigne trois types de ports : les ports racine, les ports désignés et les ports bloqués.

Port racine : Le port qui fournit le chemin au coût le plus bas vers le pont racine devient le port racine. Pour calculer le chemin au coût le plus bas, les commutateurs prennent en compte le coût de la bande passante de chaque liaison requise pour atteindre le pont racine.

Port désigné : Un port désigné transfère du trafic vers le pont racine sans se connecter au chemin au coût le plus bas.

Port bloqué : Un port bloqué ne transfère pas de trafic.

Avant de configurer le protocole STP, le technicien réseau doit planifier et évaluer le réseau afin de désigner le meilleur commutateur comme racine du Spanning Tree. Si le commutateur racine est celui qui présente l’adresse MAC la plus petite, le transfert ne sera peut-être pas optimal.

Idéalement, le pont racine doit être un commutateur situé à un point central. Avec un port bloqué situé à l’extrême périphérie du réseau, le trafic empruntera un chemin plus long pour atteindre la destination que si le commutateur était central.

Pour spécifier le pont racine, la priorité du BID du commutateur désigné est configurée sur la valeur la plus petite qui soit. La commande de priorité de pont est utilisée pour configurer la priorité de pont. La plage de priorité s’étend de 0 à 65 535, par incréments de 4 096. La valeur par défaut est 32 768.

Pour définir la priorité :

S3(config)#bridge priority 4096

Pour restaurer la priorité par défaut :

S3(config)#no bridge priority

Après avoir établi le pont racine, les ports racine, les ports désignés et les ports bloqués, le protocole STP envoie des BPDU via le réseau commuté, toutes les 2 secondes. Il continue d’écouter ces BPDU afin de s’assurer qu’aucune liaison n’est interrompue et qu’aucune boucle ne se forme.

En cas d’interruption de liaison, le protocole STP effectue le recalcul de la façon suivante :

  • en transformant certains ports bloqué en ports de transmission ;
  • en transformant certains ports de transmission en ports bloqués ;
  • en formant une nouvelle arborescence STP afin de garantir qu’aucune boucle ne se forme sur le réseau.

Le protocole STP n’est pas instantané. Lorsqu’une liaison est rompue, le protocole STP détecte la panne et recalcule les meilleurs chemins sur tout le réseau. Ce calcul ainsi que la période de transition dure entre 30 à 50 secondes pour chaque commutateur. Au cours du recalcul, aucune donnée d’utilisateur ne transite dans les ports de recalcul.

Certaines applications d’utilisateur s’éteignent lors de la période de recalcul, ce qui peut entraîner une perte de productivité et de revenus. Des recalculs fréquents de protocole STP ont un impact négatif sur le temps de fonctionnement.

Un serveur d’entreprise à haut volume est connecté à un port de commutateur. Si ce port procède au recalcul en raison du protocole STP, le serveur est hors service pendant 50 secondes. Il est difficile d’estimer le nombre de transactions perdues au cours de cette période.

Dans un réseau stable, les recalculs STP sont peu fréquents. Dans un réseau instable, il est important de contrôler la stabilité et les modifications de configuration des commutateurs. Des recalculs STP fréquents sont le plus souvent dus à une alimentation électrique ou un système d’alimentation défaillant sur un commutateur. En cas d’alimentation électrique défaillante, le périphérique redémarre de façon inattendue.

Plusieurs améliorations apportées au protocole STP permettent de réduire le temps d’arrêt qui se produit lors des recalculs STP.

Mode rapide

Le mode rapide STP (« PortFast ») entraîne le passage immédiat d’un port d’accès en mode de transmission, sans passer auparavant par les états d’écoute et d’apprentissage. L’utilisation du mode rapide sur des ports d’accès connectés à une station de travail ou un serveur unique permet à ces périphériques de se connecter immédiatement au réseau, sans attendre la convergence du protocole STP.

Liaison montante rapide

Le mode liaison montante rapide STP (« UplinkFast ») STP accélère la désignation d’un nouveau port racine lorsqu’une liaison ou un commutateur tombe en panne ou lorsque le STP est automatiquement reconfiguré. Le port racine passe immédiatement à l’état de transmission sans adopter les états d’écoute et d’apprentissage, comme cela serait le cas lors de procédures STP normales.

Réseau fédérateur rapide

Le mode réseau fédérateur rapide (« BackboneFast ») fournit une convergence rapide après qu’un changement s’est produit sur la topologie du Spanning Tree. Il permet de restaurer rapidement la connectivité du réseau fédérateur. Ce mode est utilisé sur les couches de distribution et cœur de réseau, où se connectent de multiples commutateurs.

Port Fast, UplinkFast et BackboneFast sont des technologies propriétaires de Cisco et ne peuvent donc pas être utilisées si le réseau intègre des commutateurs de fournisseurs tiers. Par ailleurs, toutes ces fonctionnalités requièrent une configuration spécifique.

Spanning tree rapide (RSTP)

Lorsque le groupe IEEE a développé le protocole original STP 802.1D, un temps de reprise de 1 à 2 minutes était acceptable. Aujourd’hui, la commutation de couche 3 et des protocoles avancés de routage fournissent un chemin alternatif plus rapide jusqu’à la destination. Pour pouvoir acheminer du trafic sensible au temps, notamment des signaux vocaux et vidéo, les réseaux commutés doivent converger rapidement pour satisfaire les nouvelles technologies.

Le protocole Spanning Tree rapide (RSTP), défini dans la norme IEEE 802.1w, augmente sensiblement les vitesses de recalcul du Spanning Tree. Contrairement aux technologies Port Fast, UplinkFast et BackboneFast, le protocole RSTP n’est pas propriétaire. Le protocole RSTP requiert une connexion en mode bidirectionnel simultané et point à point entre les commutateurs pour obtenir des vitesses de reconfiguration optimales. La reconfiguration du Spanning Tree par le protocole RSTP prend moins d’1 seconde (comparativement aux 50 secondes nécessaires dans STP).

Le protocole RSTP élimine la nécessité d’utiliser des technologies telles que Port Fast et UplinkFast. Il est possible de revenir au protocole RSTP pour garantir des services pour les équipements traditionnels. Pour accélérer la vitesse de recalcul, le protocole RSTP limite à trois le nombre d’états des ports : élimination, apprentissage et transmission. L’état élimination est équivalent à trois des états STP d’origine : blocage, écoute et désactivé.

Le protocole RSTP introduit également le concept de topologie active. Tous les ports qui ne sont pas abandonnés, ou bloqués, sont considérés comme des éléments de la topologie active et passent immédiatement en mode de transmission.

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