Протокол связующего дерева, иногда называемый просто связующим деревом, представляет собой Waze или MapQuest современных сетей Ethernet, направляющий трафик по наиболее эффективному маршруту на основе условий в реальном времени.
Основанный на алгоритме, созданном американским ученым-компьютерщиком Радией Перлман, когда она работала в Digital Equipment Corporation (DEC) в 1985 году, основная цель Spanning Tree — предотвратить избыточные соединения и зацикливание путей связи в сложных сетевых конфигурациях. В качестве дополнительной функции Spanning Tree может маршрутизировать пакеты вокруг проблемных мест, чтобы обеспечить возможность связи через сети, в которых могут возникнуть сбои.
Топология связующего дерева и топология кольца
Когда в 1980-х годах организации только начинали объединять свои компьютеры в сеть, одной из самых популярных конфигураций была кольцевая сеть. Например, IBM представила свою собственную технологию Token Ring в 1985 году.
В топологии кольцевой сети каждый узел соединяется с двумя другими: один находится перед ним в кольце, а другой — позади него. Сигналы перемещаются по кольцу только в одном направлении, причем каждый узел на этом пути передает все пакеты, проходящие по кольцу.
В то время как простые кольцевые сети прекрасно работают, когда в сети всего несколько компьютеров, кольца становятся неэффективными, когда к сети добавляются сотни или тысячи устройств. Компьютеру может потребоваться отправить пакеты через сотни узлов только для того, чтобы поделиться информацией с другой системой в соседней комнате. Пропускная способность и пропускная способность также становятся проблемой, когда трафик может течь только в одном направлении, без плана резервного копирования, если узел на этом пути выйдет из строя или будет чрезмерно перегружен.
В 90-х годах, когда Ethernet стал быстрее (100 Мбит/с. Fast Ethernet был представлен в 1995 году) и стоимость сети Ethernet (мосты, коммутаторы, кабели) стала значительно дешевле, чем Token Ring, Spanning Tree выиграла топологическую войну в локальной сети и Token Кольцо быстро исчезло.
Как работает связующее дерево
Spanning Tree — это протокол пересылки пакетов данных. Это наполовину гаишник, наполовину инженер-строитель сетевых магистралей, по которым передаются данные. Он находится на уровне 2 (уровень канала передачи данных), поэтому он просто занимается перемещением пакетов в соответствующий пункт назначения, а не типом пакетов, которые отправляются, или данными, которые они содержат.
Spanning Tree стало настолько распространенным, что его использование определено вСетевой стандарт IEEE 802.1D. Как определено в стандарте, между любыми двумя конечными точками или станциями может существовать только один активный путь, чтобы они функционировали должным образом.
Связующее дерево предназначено для устранения возможности зацикливания данных, передаваемых между сегментами сети. В общем, петли сбивают с толку алгоритм пересылки, установленный в сетевых устройствах, в результате чего устройство больше не знает, куда отправлять пакеты. Это может привести к дублированию кадров или пересылке дубликатов пакетов в несколько пунктов назначения. Сообщения могут повторяться. Сообщения могут вернуться обратно отправителю. Это может даже привести к сбою сети, если начнет возникать слишком много петель, съедающих полосу пропускания без какого-либо заметного выигрыша и блокируя прохождение другого незацикленного трафика.
Протокол связующего деревапредотвращает образование петельпутем закрытия всех возможных путей, кроме одного, для каждого пакета данных. Коммутаторы в сети используют связующее дерево для определения корневых путей и мостов, по которым могут передаваться данные, и функционально закрывают повторяющиеся пути, делая их неактивными и непригодными для использования, пока доступен основной путь.
В результате сетевые коммуникации осуществляются беспрепятственно независимо от того, насколько сложной или обширной становится сеть. В каком-то смысле связующее дерево создает единые пути в сети для передачи данных с помощью программного обеспечения во многом так же, как сетевые инженеры использовали оборудование в старых кольцевых сетях.
Дополнительные преимущества связующего дерева
Основная причина использования связующего дерева — исключить возможность возникновения петель маршрутизации внутри сети. Но есть и другие преимущества.
Поскольку связующее дерево постоянно ищет и определяет, какие сетевые пути доступны для прохождения пакетов данных, оно может определить, отключен ли узел, расположенный на одном из этих основных путей. Это может произойти по разным причинам: от аппаратного сбоя до новой конфигурации сети. Это может быть даже временная ситуация, зависящая от пропускной способности или других факторов.
Когда связующее дерево обнаруживает, что основной путь больше не активен, оно может быстро открыть другой путь, который ранее был закрыт. Затем он может отправлять данные вокруг проблемного места, в конечном итоге обозначая объезд в качестве нового основного пути, или отправлять пакеты обратно на исходный мост, если он снова станет доступным.
Хотя исходное связующее дерево относительно быстро создавало новые соединения по мере необходимости, в 2001 году IEEE представил протокол быстрого связующего дерева (RSTP). RSTP, также называемый версией протокола 802.1w, был разработан для обеспечения значительно более быстрого восстановления в ответ на изменения в сети, временные сбои или полный отказ компонентов.
И хотя RSTP представил новое поведение конвергенции путей и роли портов моста для ускорения процесса, он также был разработан с учетом полной обратной совместимости с исходным связующим деревом. Таким образом, устройства с обеими версиями протокола могут работать вместе в одной сети.
Недостатки связующего дерева
Несмотря на то, что Spanning Tree стал повсеместным в течение многих лет после его появления, есть те, кто утверждает, что этовремя пришло. Самый большой недостаток Spanning Tree заключается в том, что оно закрывает потенциальные петли внутри сети, перекрывая потенциальные пути, по которым могут передаваться данные. В любой сети, использующей связующее дерево, около 40% потенциальных сетевых путей закрыты для данных.
В чрезвычайно сложных сетевых средах, например в центрах обработки данных, возможность быстрого масштабирования для удовлетворения спроса имеет решающее значение. Без ограничений, налагаемых связующим деревом, центры обработки данных могли бы открыть гораздо большую пропускную способность без необходимости использования дополнительного сетевого оборудования. Это своего рода ироничная ситуация, потому что сложная сетевая среда была причиной создания Spanning Tree. И теперь защита, обеспечиваемая протоколом от зацикливания, в некотором смысле удерживает эти среды от полного раскрытия их потенциала.
Усовершенствованная версия протокола под названием Multiple-Instance Spanning Tree (MSTP) была разработана для использования виртуальных локальных сетей и обеспечения одновременного открытия большего количества сетевых путей, при этом предотвращая образование петель. Но даже при использовании MSTP довольно много потенциальных путей передачи данных остаются закрытыми в любой сети, использующей этот протокол.
За прошедшие годы было предпринято множество нестандартизированных независимых попыток улучшить ограничения пропускной способности Spanning Tree. Хотя разработчики некоторых из них заявляют об успехе в своих усилиях, большинство из них не полностью совместимы с основным протоколом, а это означает, что организациям необходимо либо применить нестандартизированные изменения на всех своих устройствах, либо найти какой-то способ позволить им существовать с коммутаторы, работающие со стандартным связующим деревом. В большинстве случаев затраты на обслуживание и поддержку нескольких вариантов Spanning Tree не оправдывают затраченных усилий.
Будет ли Spanning Tree продолжаться в будущем?
Помимо ограничений пропускной способности из-за закрытия сетевых путей связующим деревом, на замену протокола не прилагается много усилий или усилий. Хотя IEEE время от времени выпускает обновления, пытаясь сделать его более эффективным, они всегда обратно совместимы с существующими версиями протокола.
В каком-то смысле Spanning Tree следует правилу: «Если что-то не сломано, не чини это». Spanning Tree работает независимо в фоновом режиме большинства сетей, обеспечивая поток трафика, предотвращая образование петель, вызывающих сбои, и маршрутизируя трафик вокруг проблемных мест, так что конечные пользователи даже не узнают, испытывают ли их сеть временные сбои в повседневной работе. дневные операции. Между тем, на серверной стороне администраторы могут добавлять новые устройства в свои сети, не слишком задумываясь о том, смогут ли они взаимодействовать с остальной частью сети или внешним миром.
Из-за всего этого вполне вероятно, что Spanning Tree будет использоваться еще много лет. Время от времени могут выходить небольшие обновления, но основной протокол связующего дерева и все критические функции, которые он выполняет, вероятно, останутся здесь.
Время публикации: 7 ноября 2023 г.
