Join Telegram Study Group ▷
بروتوكول شجرة الامتداد هو بروتوكول إدارة الطبقة 2 الذي يقضي على حلقة الطبقة 2 في الشبكة عن طريق حظر الروابط المكررة في الشبكة بشكل انتقائي، ولديه وظيفة النسخ الاحتياطي للرابط.
نظرًا لأن بروتوكول شجرة الامتداد صغير نسبيًا، فهو ليس معروفًا مثل بروتوكولات التوجيه. ومع ذلك، فهو مسؤول عن قوة إعادة توجيه المنفذ، وخاصةً عند التشغيل مع بروتوكولات أخرى، فقد تقطع شجرة الامتداد مسار الرسائل للبروتوكولات الأخرى، مما يتسبب في جميع أنواع الظواهر الغريبة.
يتم تحديث بروتوكول شجرة الامتداد باستمرار، مثل البروتوكولات الأخرى، مع استمرار تطور الشبكة. "بروتوكول شجرة الامتداد" في عنوان هذه المقالة هو مفهوم عام. لا يشير بشكل خاص إلى بروتوكول STP المحدد في IEEE 802.1D، ولكنه يشمل بروتوكول STP وبروتوكولات شجرة الامتداد المختلفة التي تم تحسينها على أساس بروتوكول STP.
في تطوير بروتوكول الشجرة الشاملة، يتم التغلب على العيوب القديمة باستمرار، ويتم تطوير ميزات جديدة باستمرار. وفقًا لتحسين نقطة الوظيفة الكبيرة، يمكننا تقسيم عملية تطوير بروتوكول الشجرة الشاملة تقريبًا إلى ثلاثة أجيال.
الجيل الأول من بروتوكول الشجرة الشاملة
Ÿ STP/RSTP
في الأيام الأولى لتطوير الشبكة، كانت الجسور الشفافة تلعب دورًا مهمًا لا بد من ذكره. فهي أذكى بكثير من المحور الذي يعمل فقط على تضخيم الإشارات وبثها. وسوف تسجل بهدوء عنوان MAC المصدر ورقم المنفذ لإطار البيانات المرسل إليه. في المرة التالية التي يتم فيها إرسال الحزمة التي تواجه عنوان MAC الوجهة من رقم المنفذ الموجود في السجل، ما لم يتم تسجيل عنوان MAC الوجهة، أو كان عنوان MAC الوجهة نفسه عنوانًا متعدد البث ليتم إرساله إلى جميع المنافذ. من خلال الجسر الشفاف، يمكن تشغيل شبكات LAN المختلفة بشكل متبادل، ويمكن توسيع نطاق تشغيل الشبكة، ولأن الجسر الشفاف لديه وظيفة تعلم عنوان MAC، فلن يتسبب في تصادم حزم الشبكة مثل المحور.
الشكل 1 مخطط تخطيطي لعملية عمل الشجرة الممتدة
الفكرة الأساسية لبروتوكول STP بسيطة للغاية. كما نعلم جميعًا، لا تحتوي الأشجار التي تنمو في الطبيعة على حلقات. إذا كانت الشبكة قادرة على النمو مثل الشجرة، فلن تكون هناك حلقات. لذلك، يتم تعريف مفاهيم الجسر الجذري، والمنفذ الجذري، والمنفذ المخصص، وتكلفة المسار في بروتوكول STP. والغرض من ذلك هو قطع الحلقة المكررة من خلال إنشاء شجرة طبيعية. والغرض من ذلك هو تحقيق كل من النسخ الاحتياطي للرابط وتحسين المسار. تسمى الخوارزمية المستخدمة في إنشاء هذه الشجرة خوارزمية الشجرة الممتدة SPA.
من أجل تحقيق هذه الوظائف، يجب تبادل بعض المعلومات بين الجسور. تسمى وحدات تبادل المعلومات هذه BPDUs (وحدة بيانات BridgeProtocol). وحدة BPDU الخاصة بـ STP هي حزمة من الطبقة 2. عنوان MAC الوجهة هو عنوان البث المتعدد 01-80-C2-00-00-00. تتلقى جميع الجسور التي تدعم بروتوكول STP وحدات BPDU المستلمة وتقوم بمعالجتها. تحمل منطقة البيانات الخاصة بالرسالة جميع المعلومات المفيدة لحساب شجرة الامتداد.
ليس من الصعب فهم عملية عمل بروتوكول الشجرة الممتدة. أولاً، يتم إجراء انتخاب الجسر الجذري. يعتمد الانتخاب على معرف الجسر لأولوية الجسر وعنوان MAC للجسر. سيصبح الجسر ذو معرف الجسر الأصغر هو الجسر الجذري في الشبكة. في الشبكة الموضحة في الشكل 1، يتم تشغيل كل جسر بالتكوين الافتراضي. في حالة تساوي أولويات الجسر (الأولوية الافتراضية هي 32768)، يصبح الجسر ذو عنوان MAC الأصغر هو الجسر الجذري، على سبيل المثال، في الشكل 1. SW1، يصبح دور جميع منافذه هو المنفذ المعين ويدخل حالة إعادة التوجيه.
بعد ذلك، سيختار كل جسر آخر فرعًا "أسمك" كمسار إلى الجسر الجذري، ويصبح دور المنفذ المقابل هو المنفذ الجذري. افترض أن الرابط بين SW2 وSW2 وSW3 في الشكل 1 هو رابط Gigabit GE، والرابط بين SW1 وSW3 هو رابط FE بسرعة 100M، والقيمة الافتراضية لتكلفة مسار SW3 من المنفذ 1 إلى الجسر الجذري هي 19، والنفقات العامة للمسار من المنفذ 2 عبر SW2 إلى الجسر الجذري هي 4+4=8، وبالتالي يصبح المنفذ 2 هو المنفذ الجذري ويدخل حالة إعادة التوجيه. وبالمثل، يصبح المنفذ 2 في SW2 هو المنفذ الجذري، ويصبح المنفذ 1 هو المنفذ المعين ويدخل حالة إعادة التوجيه.
بعد تحديد كل من الجسر الجذري والمنفذ الجذري، يتم إنشاء شجرة، كما هو موضح بالخط المتصل في الشكل. المهمة أدناه هي اقتصاص الحلقات الزائدة. يتم تنفيذ هذا العمل عن طريق حظر المنفذ المقابل على الجسر غير الجذري. على سبيل المثال، يصبح دور المنفذ 1 في SW3 منفذًا معطلاً ويدخل حالة الحظر (المشار إليها بـ "x" في الشكل).
بعد استقرار شجرة الامتداد لفترة زمنية (الوضع الافتراضي هو حوالي 30 ثانية)، تدخل جميع المنافذ إما حالة إعادة التوجيه أو حالة الحظر. كما يتم إرسال وحدات STPBPDU بشكل دوري من المنافذ المخصصة على كل جسر للحفاظ على حالة الرابط. إذا تغيرت طوبولوجيا الشبكة، تتم إعادة حساب شجرة الامتداد وتتغير حالة المنفذ.
بالطبع، يحتوي بروتوكول شجرة الامتداد على الكثير من المحتوى، ومن المستحيل تقديمه هنا. والسبب وراء استغراق الكثير من الحبر لتقديم المبدأ الأساسي لشجرة الامتداد هو أنه "أساسي" للغاية. وتستند بروتوكولات شجرة الامتداد الأخرى المحسنة المختلفة على هذا المبدأ، والأفكار والمفاهيم الأساسية متشابهة.
يضفي بروتوكول STP حياة جديدة على الجسر الشفاف. ومع ذلك، مع تعميق التطبيقات وتطور تكنولوجيا الشبكة، تم الكشف عن عيوبه أيضًا في التطبيقات. تتجلى عيوب بروتوكول STP في سرعة التقارب.
عندما يتغير الطوبولوجيا، يمكن نشر رسالة التكوين الجديدة إلى الشبكة بأكملها بعد فترة تأخير معينة. يُطلق على هذا التأخير اسم Forward Delay. القيمة الافتراضية للبروتوكول هي 15 ثانية. قبل أن تتلقى جميع الجسور رسالة التغيير هذه، قد تكون هناك حلقة مؤقتة إذا لم يجد منفذ التوجيه في الطوبولوجيا القديمة نفسه متوقفًا عن التوجيه في الطوبولوجيا الجديدة. لحل مشكلة الحلقة المؤقتة، تستخدم شجرة الامتداد سياسة مؤقتة، أي حالة وسيطة يتعلم فيها المنفذ من الحالة المحظورة إلى حالة التوجيه ويتعلم فقط عنوان MAC ولكنه لا يشارك في التوجيه. كلاهما عبارة عن Forward Delay، مما يضمن عدم وجود حلقات مؤقتة عند تغير الطوبولوجيا. ومع ذلك، فإن هذا الحل الجيد على ما يبدو يجلب في الواقع ضعف وقت التقارب لـ Forward Delay على الأقل!
ولحل هذا القصور في بروتوكول STP، قدمت IEEE معيار 802.1w في بداية القرن كمكمل لمعيار 802.1D. تم تعريف بروتوكول شجرة الامتداد السريع (RSTP) في معيار IEEE 802.1w. وقد أدخل بروتوكول RSTP ثلاثة تحسينات مهمة على أساس بروتوكول STP، مما جعل التقارب أسرع بكثير (حتى ثانية واحدة).
التحسين الأول: تم تعيين أدوار المنفذ البديل والمنفذ الاحتياطي للتبديل السريع للمنفذ الجذري والمنفذ المخصص. عندما يفشل المنفذ الجذري/المنفذ المخصص، يدخل المنفذ البديل/المنفذ الاحتياطي حالة إعادة التوجيه دون تأخير. في الشكل 2، تعمل جميع الجسور على بروتوكول RSTP، وSW1 هو الجسر الجذري. افترض أن المنفذ 1 من SW2 هو المنفذ الجذري. سيكون المنفذ 2 قادرًا على تحديد هذا الطوبولوجيا ويصبح المنفذ البديل للمنفذ الجذري ويدخل حالة الحظر. عندما يفشل الرابط حيث يقع المنفذ 1، يمكن للمنفذ 2 الدخول فورًا في حالة إعادة التوجيه دون انتظار ضعف وقت تأخير إعادة التوجيه.
الشكل 2 مخطط تخطيطي للتبديل السريع لروابط RSTP الزائدة
التحسين الثاني: في ارتباط نقطة إلى نقطة حيث يتم توصيل منفذي تبديل فقط، يمكن للمنفذ المحدد الدخول في حالة إعادة التوجيه دون تأخير فقط عن طريق إجراء مصافحة مع الجسر المتجه نحو المصب. إذا تم توصيل ثلاثة روابط مشتركة بالجسر، فلن يستجيب الجسر المتجه نحو المصب لطلب المصافحة من المنفذ المتجه نحو المصب المعين. يمكنه فقط الانتظار لمدة ضعف وقت تأخير إعادة التوجيه للدخول في حالة إعادة التوجيه.
التحسين الثالث: يتم تعريف المنفذ المتصل مباشرة بالطرفية بدلاً من الجسر الآخر كمنفذ الحافة. يمكن للمنفذ الحافة الانتقال مباشرة إلى حالة التوجيه دون أي تأخير. نظرًا لأن الجسر لا يمكنه معرفة ما إذا كان المنفذ متصلاً مباشرة بالطرفية، فإن التكوين اليدوي مطلوب.
يمكن ملاحظة أن بروتوكول RSTP قد تحسن كثيرًا مقارنة ببروتوكول STP. ولدعم هذه التحسينات، تم تعديل تنسيق BPDU، لكن بروتوكول RSTP لا يزال متوافقًا مع بروتوكول STP ويمكن خلطه. ومع ذلك، ينتمي RSTP وSTP إلى نفس شجرة الامتداد الفردية (SST)، والتي لها عيوبها العديدة، في ثلاثة جوانب.
العيب الأول: بما أن شبكة التبديل بأكملها تحتوي على شجرة امتداد واحدة فقط، فعندما يكون حجم الشبكة كبيرًا، سيؤدي ذلك إلى وقت تقارب طويل، كما أن تأثير تغييرات الطوبولوجيا كبير أيضًا.
العيب الثاني: أصبح معيار IEEE802.1Q شائعًا في السنوات الأخيرة وأصبح تدريجيًا البروتوكول القياسي للمفاتيح. في حالة بنية الشبكة المتماثلة، لا تشكل شجرة الامتداد المفردة مشكلة. ومع ذلك، عندما تكون بنية الشبكة غير متماثلة، فإن شجرة الامتداد المفردة ستؤثر على اتصال الشبكة.
الشكل 3 مخطط تخطيطي لشبكة غير متماثلة
في الشكل 3، يُفترض أن SW1 هو الجسر الجذري، والرابط الصلب هو VLAN 10، والرابط المنقط هو رابط الجذع 802.1Q، والجذع VLAN 10 وVLAN 20. عندما يتم حظر منفذ الجذع في SW2، فمن الواضح أن مسار VLAN 20 بين SW1 وSW2 مقطوع.
العيب الثالث: عندما يتم حظر الرابط فإنه لن يحمل أي حركة مرور، مما يؤدي إلى هدر كبير في النطاق الترددي، وهو أمر أكثر وضوحا في حالة شبكة منطقة حضرية على شكل حلقة.
الشكل 4 مخطط تخطيطي لاستخدام النطاق الترددي المنخفض لـ SST
في الشكل 4، نفترض أن SW1 هو الجسر الجذري، وأن أحد منافذ SW4 مسدود. في هذه الحالة، لن تحمل الألياف الموضوعة بين SW2 وSW4 أي حركة مرور، وسيتم توجيه كل حركة المرور بين SW2 وSW4 عبر SW1 وSW3، مما يزيد العبء على العديد من الروابط الأخرى. لا يتم التغلب على هذه العيوب بواسطة SST الشجرة الممتدة الواحدة، لذلك ظهرت بروتوكولات شجرة ممتدة متعددة تدعم شبكات VLAN.
