Протокол связующего дерева

Протокол связующего дерева предотвращает широковещательные штормы и другие сбои связи в сети. Однако сравнительно длительное время простоя, вызванное реструктуризацией одноименного остовного дерева, делает метод уязвимым для атак.

Что такое протокол связующего дерева?

Протокол Spanning Tree Protocol (сокращенно STP) — это метод, который используется в сетях Ethernet и предотвращает образование там двойных кадров. Изобретенный американским сетевым инженером и разработчиком программного обеспечения Радией Перлман, STP был определен как стандарт 802.1D Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) в 1990 году. Проверяя сеть на наличие избыточных путей и закрывая их, протокол Spanning Tree Protocol предотвращает появление двух или более параллельных кадров. Потому что это приведет, например, к петлям. Этот метод объединяет физическую сеть в виде дерева, которое не требует множественных соединений между источником и пунктом назначения.

Для чего важен протокол связующего дерева?

Проблема, которую решает протокол связующего дерева, возникает, когда между двумя коммутаторами в сети создается несколько одновременных путей передачи данных. Наличие нескольких фреймов, по которым могут маршрутизироваться пакеты данных, может привести к сбоям в работе всей системы. Возможным следствием двух или более одновременных путей между двумя точками является так называемый широковещательный шторм. Весь широковещательный или многоадресный трафик в сети передается и накапливается одновременно, что может привести к эффекту снежного кома и, в худшем случае, парализовать все коммуникации. Это предотвращается с помощью протокола связующего дерева, и сеть остается нетронутой.

Древовидная топология STP

Чтобы исключить дублирование кадров, протокол связующего дерева устанавливает связующее дерево. При этом соединение между двумя точками внутри сети осуществляется по одному пути. Кроме того, с помощью этого метода находится наилучшее возможное соединение. Однако, если кадр выходит из строя или на него влияет ошибка, связующее дерево реорганизуется как можно быстрее с помощью протокола связующего дерева, и открывается новый путь соединения. Это означает, что задержки максимально минимальны, а связь между отдельными коммутаторами остается неизменной.

Как работает протокол связующего дерева?

В протоколе связующего дерева связь между двумя коммутаторами или мостами в сети осуществляется через блоки данных протокола моста (BPDU). Они передаются через очень короткие промежутки времени и отправляются как многоадресные кадры на MAC-адрес 01-80-C2-00-00-10. Такая передача происходит каждые две секунды на следующий и нижний мост. Таким образом, протокол связующего дерева не только получает обзор всех доступных путей, но и может одновременно определить самое быстрое соединение. Скорость передачи данных и расстояние между двумя точками, в частности, играют здесь решающую роль. После определения наилучшего способа остальные порты будут отключены до дальнейшего уведомления.

Протокол быстрого связующего дерева

К сожалению, этот перерасчет и связанное с ним более длительное время простоя являются воротами для атак на сеть. Если неправильный кадр введен и не заблокирован системой, это может привести к реорганизации, которая отключит сеть на 30 секунд или более. По этой причине в 2003 году был разработан протокол Rapid Spanning Tree Protocol (IEEE 802.1w). Это обратно совместимо и гарантирует, что текущая структура сети будет поддерживаться до тех пор, пока неисправный маршрут не будет заменен. Только после этого дерево реструктурируется. Это преобразование занимает всего около секунды.

Состояние порта в протоколе связующего дерева

Протокол связующего дерева различает в общей сложности пять состояний порта. Это предотвращает создание петли, а также гарантирует, что никакая информация о топологии дерева не будет потеряна. Отдельные состояния следующие:

• Переадресация : порты, указанные как пересылающие, могут пересылать кадры, узнавать адреса, а также получать, обрабатывать и передавать блоки данных протокола моста.
• Блокировка : порты настроены на блокировку пропусков кадров и не запоминают адреса, но получают и обрабатывают блоки данных протокола моста.
• Прослушивание : прослушивающие порты отбрасывают кадры, не изучают адреса, а получают, обрабатывают и передают блоки данных протокола моста.
• Обучение : Обучаемые порты отбрасывают кадры, но изучают адреса и получают, обрабатывают и передают блоки данных протокола моста.
• Отключено : порты, для которых отключен пропуск кадров, не запоминают адреса и не могут получать или обрабатывать блоки данных протокола моста.

Если активирован протокол связующего дерева, каждый порт проходит через состояния блокировки, прослушивания, обучения и переадресации одно за другим.

Корневой мост в протоколе связующего дерева

На первом этапе протокола связующего дерева выбирается корневой мост, который выступает в качестве отправной точки для связующего дерева. Оттуда отдельные пути затем расширяются с помощью алгоритма, активирующего или деактивирующего порты. Настройки можно изменить, а следующие таймеры перенастроить только через корневой мост.

• Hello Timer : этот таймер определяет период времени между двумя блоками данных протокола моста, обычно две секунды.
• Forward Delay : второй таймер определяет время в состояниях Listening и Learning, которое вместе составляет 30 секунд.
• Максимальный возраст : третий таймер называется максимальным возрастом и показывает, как долго порт хранит информацию о конфигурации. По умолчанию это значение равно 20 секундам.

Плюсы и минусы протокола связующего дерева

Большим преимуществом протокола связующего дерева является предотвращение перегрузок или сбоев в сети. Таким образом исключаются циклы и параллельные линии. Идентификация кратчайшего соединения также является преимуществом для сети. Недостатком Spanning Tree Protocol является сравнительно долгое время сходимости, что играет на руку злоумышленникам. Однако это время простоя сведено к минимуму благодаря внедрению протокола Rapid Spanning Tree Protocol и его дальнейшего развития, Multiple Spanning Tree Protocol, в котором в локальной сети может быть создано несколько независимых связующих деревьев. Это защищает сеть от возможных атак.