فهم بروتوكول شجرة الامتداد (STP) وتحسيناته

في مجال هندسة الاتصالات وشبكات سيسكو، يعد بروتوكول شجرة الامتداد (STP) تقنية أساسية تضمن طوبولوجيا خالية من الحلقات لأي شبكة محلية إيثرنت متصلة. يتعمق الفصل الثالث من "دليل شهادة CCIE Routing and Switching v5.0 الرسمي، المجلد 1" في تعقيدات بروتوكول شجرة الامتداد (STP) وتحسيناته المتنوعة وكيف تساهم في استقرار الشبكة وكفاءتها. ستستكشف هذه المدونة الجوانب الرئيسية لبروتوكول شجرة الامتداد (STP)، بما في ذلك IEEE 802.1D وبروتوكول شجرة الامتداد السريع (RSTP) وبروتوكول شجرة الامتداد المتعددة (MSTP) وتحسينات بروتوكول شجرة الامتداد الأساسية وميزات الأمان.

بروتوكول شجرة الامتداد IEEE 802.1D

بروتوكول شجرة الامتداد IEEE 802.1D هو الإصدار الأصلي من بروتوكول STP، وهو مصمم لمنع الحلقات في طوبولوجيات الشبكة من خلال إنشاء شجرة امتداد تحظر منطقيًا المسارات المكررة. يعمل هذا البروتوكول على استقرار الشبكة من خلال التسبب في دخول بعض الواجهات في حالة حظر، مما يضمن عدم تشكل أي حلقات، بينما تظل واجهات أخرى في حالة إعادة توجيه للحفاظ على الاتصال.

العناصر الأساسية لـ IEEE 802.1D STP:

· وحدات بيانات بروتوكول الجسر (BPDU): هذه هي الرسائل المتبادلة بين المحولات للحفاظ على شجرة الامتداد. يستخدم كل محول وحدات بيانات بروتوكول الجسر لمشاركة المعلومات حول هويته وحالة واجهاته.

· المؤقتات: هناك ثلاثة مؤقتات أساسية في STP:

o Hello Timer: الفاصل الزمني الذي يرسل فيه الجسر الجذري وحدات BPDU للتكوين، والذي يتم ضبطه عادةً على ثانيتين.

o مؤقت تأخير التوجيه: الوقت الذي يقضيه منفذ التبديل في حالات الاستماع والتعلم قبل الانتقال إلى حالة التوجيه، وعادةً ما يتم ضبطه على 15 ثانية.

o مؤقت الحد الأقصى للعمر: الحد الأقصى للوقت الذي يمكن أن ينتظره منفذ التبديل دون تلقي BPDU قبل أن يبدأ في إعادة تكوين شجرة الامتداد، وعادةً ما يتم ضبطه على 20 ثانية.

بروتوكول شجرة الامتداد السريع (RSTP) - IEEE 802.1w

RSTP، الموحد في IEEE 802.1w، هو تطور لبروتوكول STP الأصلي الذي يوفر تقاربًا أسرع. هذا البروتوكول متوافق مع 802.1D ولكنه يقدم تحسينات كبيرة من حيث سرعة التقارب والكفاءة.

الميزات الرئيسية لـ RSTP:

· أدوار وحالات المنفذ: يحدد RSTP أدوار وحالات منفذ جديدة (على سبيل المثال، البديل والنسخ الاحتياطي) (على سبيل المثال، التخلص، والتعلم، وإعادة التوجيه) لتبسيط عملية تغيير الطوبولوجيا.

· التقارب السريع: من خلال استخدام آليات مثل مصافحات الاقتراح/الاتفاقية والانتقال الفوري إلى حالة إعادة التوجيه لمنافذ الحافة (المكافئة لـ PortFast في مصطلحات Cisco)، يحقق RSTP تقاربًا أسرع بكثير من سابقه.

بروتوكول شجرة الامتداد المتعددة (MSTP) - IEEE 802.1s

يسمح MSTP، الموحد في IEEE 802.1s والمدمج في IEEE 802.1Q، بتعيين شبكات VLAN متعددة إلى نموذج شجرة ممتدة واحدة، مما يقلل من عدد نماذج شجرة الامتداد المطلوبة في شبكة بها العديد من شبكات VLAN.

الخصائص الرئيسية لـ MSTP:

· مفهوم المنطقة: يقدم MSTP مفهوم المناطق، حيث تشارك المفاتيح داخل نفس المنطقة نفس تكوين MST وتعيينات VLAN إلى المثيل.

· تعيين المثيل: من خلال تعيين شبكات VLAN متعددة إلى مثيل شجرة ممتدة واحدة، يعمل MSTP على تحسين استخدام موارد الشبكة وتقليل حمل المعالجة على المحولات.

التحسينات والتعزيزات

قامت شركة Cisco بتطوير العديد من التحسينات على بروتوكول STP الأساسي لتحسين استقرار الشبكة وأوقات التقارب والأمان.

PortFast: PortFast عبارة عن تحسين يسمح للمنفذ بتخطي حالات الاستماع والتعلم المعتادة والانتقال فورًا إلى حالة التوجيه. وهذا مفيد بشكل خاص للمنافذ المتصلة بالأجهزة الطرفية، مثل أجهزة الكمبيوتر، لتقليل تأخير بدء التشغيل.

BPDU Guard: BPDU Guard هي ميزة أمان تعمل على تعطيل المنفذ إذا تلقى BPDU، مما يحمي الشبكة بشكل فعال من حلقات الطوبولوجيا المحتملة الناجمة عن عمليات نقل BPDU العرضية أو الضارة.

حارس الجذر: يضمن حارس الجذر أن المنفذ المعين لا يصبح منفذ الجذر، وبالتالي الحفاظ على استقرار جسر الجذر الحالي ومنع تغييرات الطوبولوجيا غير المرغوب فيها.

Loop Guard: يمنع Loop Guard المنافذ البديلة أو الجذرية من أن تصبح منافذ مخصصة بسبب غياب وحدات BPDU، وبالتالي تجنب الحلقات المحتملة في الشبكة.

اكتشاف الارتباط أحادي الاتجاه (UDLD): UDLD هو بروتوكول خاص بشركة Cisco يراقب التكوين المادي للألياف الضوئية والروابط المجدولة لمنع الروابط أحادية الاتجاه التي يمكن أن تسبب مشكلات في الشبكة.

مرجع الأوامر لـ STP

يتضمن فهم وتكوين بروتوكول STP العديد من أوامر Cisco IOS. تتضمن الأوامر الرئيسية ما يلي:

· وضع شجرة الامتداد {mst | pvst | rapid-pvst}: يحدد وضع STP.

· spanning-tree vlan vlan-id {forward-time seconds | hello-time seconds | max-age seconds | priority priority | root {primary | secondary}}: يقوم بتكوين معلمات STP المختلفة لشبكة VLAN.

· spanning-tree portfast [trunk]: يمكّن PortFast على واجهة.

· spanning-tree bpduguard {enable | disabled}: تمكين أو تعطيل BPDU Guard على واجهة.

خاتمة

إن بروتوكول Spanning Tree والتحسينات التي أدخلت عليه تشكل أهمية بالغة للحفاظ على طوبولوجيات الشبكة القوية والخالية من الحلقات في شبكات Ethernet. إن فهم تعقيدات IEEE 802.1D وRSTP وMSTP والعديد من التحسينات وميزات الأمان الخاصة بشركة Cisco أمر ضروري لمهندسي الشبكات الذين يهدفون إلى تصميم وإدارة البنى التحتية للشبكات الفعالة والآمنة. ومع استمرار تطور تقنيات الشبكات، فإن إتقان هذه البروتوكولات وتطبيقاتها سيظل حجر الزاوية في هندسة الشبكات المتقدمة.