Đề tài lập trình mô phỏng hoạt động của giao thức spanning tree cho bridges

BÁO CÁO PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ THÔNG TIN - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN MẠNG MÁY TÍNH ĐỀ TÀI: LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC SPANNING TREE CHO BRIDGES Giảng Viên Tên Sinh Viên Khóa Lớp : Ts Trần Quang Vinh : Công Nghệ Điện Tử - Thông Tin : K23D LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, thời đại kinh tế thị trường, thời đại Công nghệ thông tin bùng nổ tồn Thế giới, Cơng ty, tổ chức mọc lên ngày nhiều, trình độ sở hạ tầng, trang thiết bị đại Từ hệ thống quản lý, vận hành sản xuất, hạch toán kinh tế Tất nhờ vào cơng cụ máy tính hệ thống mạng máy tính, giúp người làm việc nhanh chóng dịng thời lưu trữ liệu lâu dài Nói cách việc sử dụng hệ thống mạng máy tính khơng thể thiếu trường học nhiều lĩnh vực khác Vậy làm thể để có thiết kế mơ hình mạng máy tính đảm bảo có tính khoa học, dễ vận hành thay sửa cố xảy ra? Đó yêu cầu lớn người thiết kế mạng Sau học tích lũy kiến thức cần thiết mơn Mạng máy tính Nhóm chúng em tìm hiểu lập trình mơ hoạt động giao thức Spanning Tree cho Bridges MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU I Tổng quan giao thức Spanning Tree 1.1 Spanning Tree .5 1.2 Tại phải sử dụng Spanning Tree 1.2.1 Vòng lặp broadcast .5 1.2.1 Việc sai lệch bảng bridge 2.1 Các khái niệm STP .8 3.1 Cơ chế hoạt động giao thức Spanning Tree .10 3.1.1 Bước 1: Bầu chọn Root Bridge 11 3.1.2 Bước 2: Bầu chọn Root Port (RP) 12 3.1.3 Bước 3: Bầu chọn Designated Port (DP) 14 3.1.4 Bước 4: Block Port 15 4.1 Các trạng thái Port .15 5.1 Bộ định thời gian STP 16 6.1 Hai loại BPDU 17 6.1.1 BPDU cấu hình: 17 6.1.2 TCN BPDU (Topology Change Notification BPDU) : 18 7.1 Quá trình thay đổi cấu trúc mạng 18 II Mô giao thức Spanning Tree cho Bridges 23 Phần mềm mô 23 Kết chương trình thực tế 23 III Kết Luận 23 I Tổng quan giao thức Spanning Tree 1.1 Spanning Tree Spanning Tree Protocol (STP) giao thức dùng để ngăn chặn lặp vòng Giao thức cho phép bridge truyền thơng với từ để phát vịng lặp vật lý mạng 1.2 Tại phải sử dụng Spanning Tree Vòng lặp xảy truyền tải mạng đến từ nhiều nguyên nhân Đa số nguyên nhân kết việc cố gắng tính tốn để cung cấp khả dự phòng Khi Switch link bị hỏng, Switch link khác tiếp tục hoạt động Tuy nhiên nguyên nhân vịng lặp xảy lỗi Hai ngun nhân gây lặp vịng tai hại mạng chuyển mạch broadcast sai lệch bảng bridge 1.2.1 Vòng lặp broadcast Vòng lặp broadcast vòng lặp lớp kết hợp nguy hiểm Hình 1.1.2 biểu diễn broadcast tạo vịng lặp phản hồi (Feedback loop) Hình 3.2: khơng có STP, broadcast tạo Feedback loop Giả sử rằng, khơng có switch chạy STP: • Bước 1: host A gửi frame địa broadcast (FF-FF-FF-FFFFFF) • Bước 2: frame đến hai Cat-1 Cat-2 qua cổng 1/1 • Bước 3: Cat-1 đưa frame qua cổng 1/2 • Bước 4: frame truyền đến tất nút đoạn mạng Ethernet kể cổng 1/2 Cat-2 • Bước 5: Cat-2 đưa frame đến cổng 1/1 • Bước 6: lần nữa, frame xuất cổng 1/1 Cat-1 • Bước 7: Cat-1 gửi frame đến cổng 1/2 lần hai Như tạo thành vòng lặp 1.2.1 Việc sai lệch bảng bridge Nhiều nhà quản trị switch/bridge nhận thức vấn đề bão broadcast, nhiên ta phải biết chí unicast frame truyền mạng mà chứa vịng lặp Hình 3.4 mơ tả điều • Bước 1: host A muốn gửi gói unicast đến host B, nhiên host B rời khỏi mạng, với bảng bridge switch khơng có địa host B • Bước 2: giả sử hai switch khơng chạy STP, frame đến cổng 1/1 hai switch • Bước 3: host B bị down, nên Cat-1 khơng có địa MAC (BB-BBBBBB-BB-BB) bảng bridge, tràn frame qua cổng • Bước 4: Cat-2 nhận frame cổng 1/2 Có vấn đề xảy ra: • Bước 5: Cat-2 tràn frame khơng học địa MAC BB-BBBBBB-BB-BB, điều tạo feedback loop làm down mạng • Cat-2 ý rằng, nhận frame cổng 1/2 với địa MAC AA-AA-AA-AA-AA-AA Nó thay đổi địa MAC host A bảng bridge dẫn đến sai cổng Suite du document ci-dessous Découvre plus de : corporate law (blaw 2001) (blaw 2001) 7 documents Accéder au cours 56 Boost Vocabulary 16 - Phương corporate law Class activity- Week 4- DT corporate law Aucun SE Service Concept Report corporate law 42 Aucun Individual-Essay Truong-Thuc-Tran 20350169 corporate law 33 Aucun Assignment Portfolio – Task List corporate law Aucun Aucun SE1 Service-Concept-Report Group-4 corporate law Aucun Hình 3.4: frame unicast gây Bridging Loop làm sai lệnh bảng bridge 2.1 Các khái niệm STP Việc tính tốn Spanning Tree dựa hai khái niệm tạo vòng lặp logic cấu trúc mạng là: Bridge ID (BID) chi phí đường • Bridge ID (BID) BID trường có byte, gồm có trường miêu tả hình 3.5 sau: Hình 3.5: hai trường BID • Địa MAC: có byte gán cho switch Catalyst 5000 6000 sử dụng số địa MAC từ vùng 1024 địa gán cho giám sát viên (supervisor) bảng nối đa (backplane) Địa MAC BID sử dụng định dạng hexa • Bridge Priority: độ ưu tiên bridge có byte tạo thành 216 giá trị từ - 65.535 Độ ưu tiên bridge có giá trị mặc định giá trị khoảng (32.768) • Root Path Cost: chi phí đường (path cost) đến Root Bridge Ở Path Cost tính dựa vào bảng thơng số bên dưới: - Path cost sử dụng để đánh giá đường từ Switch khác Root Bridge gán cho port Switch 802.1q định nghĩa Path cost kết nối cách chia 1000 Mbps cho băng thông liên kết nhiên với nhu cầu sử dụng kết nối Gigabit Ethernet OC-48 ATM (2,4Gbps) mà việc tính tốn trở nên khó khăn, IEEE sửa đổi Path cost thơng tin bảng Dựa vào thông tin gói BPDU, Switch tiến hành bầu chọn bước nhằm tìm Block port phù hợp cho hệ thống mạng 3.1 Cơ chế hoạt động giao thức Spanning Tree Để tạo cấu trúc mạng loop-free, Spanning Tree sử dụng trình tự bước sau:  Bầu chọn Root Bridge  Bầu chọn Root Port  Bầu chọn Designated Port  Các port lại Block Port 3.1.1 Bước 1: Bầu chọn Root Bridge Dựa vào thơng tin gói BPDU mà Bridge trao đổi mạng, Root Bridge bầu chọn có Bridge ID nhỏ (xét Priority trước sau đến địa MAC - tính từ trái sang phải) Quá trình diễn sau: - Ban đầu Bridge khởi động (chưa có RB) Switch gửi gói BPDU lộn xộn cho (mặc định giây lần) - Trong gói tin BPDU chứa thơng tin Root BID Bridge ln đặt BID Sender BID - Giả sử trường hợp Switch1 khởi động trước, bắt đầu gửi gói BPDU thơng báo Root Bridge Một lúc sau Switch2 khởi động gửi BPDU thơng báo Root Bridge - Khi gói BPDU Switch2 đến Switch1, Switch1 loại bỏ BPDU Switch1 có BID thấp Cịn Switch2 sau nhận BPDU từ Switch1 biết giả định ban đầu sai, sửa lại thông số Root BID Switch1 Sender BID Switch2 - Tương tự Switch3 khởi động Bây mạng chấp nhận Switch1 làm RB, có RB gửi gói BPDU 3.1.2 Bước 2: Bầu chọn Root Port (RP) Sau bầu chọn RB Bridge cịn lại tiến hành bầu chọn Root Port [Mỗi Non-root Bridge có Root Port] RP port cung cấp đường RB có tổng Path cost nhỏ Path Cost tính theo chiều từ RB đến Bridge xét theo nguyên tắc vào cộng, khơng cộng Q trình diễn sau: - Xét Switch2: Switch1 gửi gói BPDU qua cổng F0/14 Path cost Gói tin vào cổng F0/14 Switch2 cộng Path cost = 19 Tương tự gói BPDU từ cổng F0/17 có Path cost 0, vào cổng F0/14 Switch3 cộng Path cost = 19, cổng F0/16 (không cộng) vào cổng F0/16 cộng Path cost = 19 + 19 = 38 Vậy cổng F0/14 Switch2 RP có Path cost nhỏ F0/16 - Tương tự với Switch3 - Trong trường hợp Path cost cổng xét đến Sender BID (BID nhỏ hơn), đến Sender Port ID (Port nhỏ hơn) cuối Port Ví dụ xét mạng sau: - Xét SWC có port có Path cost đến RB nhau, trường hợp ta xét Port nối với SWB có BID nhỏ SWD nối với Port 1, Port SWC trở thành RP - Trường hợp SWB SWD có BID xét đến Port ID, nghĩa Port SWD nối với Port SWC nhỏ Port SWB nối với Port SWC nên Port SWC RP (port 1D < port 2B) - Trường hợp port SWC nối với Port SWB SWD sao? Thì nguyên tắc xét đến Port ID nó, Port SWC RP (port < port 2) 3.1.3 Bước 3: Bầu chọn Designated Port (DP) Trên phân đoạn mạng có port đóng vai trị Designated Port có chức nhận gửi lưu lượng đến đoạn mạng cịn lại RB Q trình bầu chọn sau: - Tất port RB DP - Đối diện với RP DP - Trên phân đoạn mạng chưa có RP Designated Port bầu chọn cung cấp đường RB có tổng Path cost nhỏ Ví dụ: - Trên phân đoạn Port SWC Port SWD chưa bầu chọn RP, ta xét Port SWD có Path cost = 19 (cách tính trên) cịn Port SWC có Path cost = 19 + 19 = 38 nên Port SWD trở thành DP 3.1.4 Bước 4: Block Port Các Port cịn lại đóng vai trị Block Port (hay dễ hiểu đối diện DP BP) [Trong trường hợp port lại Switch có BP bị down RB gửi tín hiệu để Switch mở lại BP đồng thời thơng báo cho hệ thống thay đổi này] 4.1 Các trạng thái Port Sau phân chia bầu chọn cổng, theo nguyên tắc RP DP định chuyển tiếp lưu lượng, BP bị khóa lưu lượng Việc chuyển tiếp trạng thái port diễn sau:  Từ trạng thái Blocking sang Listening 20 giây  Từ trạng thái Listening sang Learning 15 giây  Từ trạng thái Learning sang Fowarding 15 giây Vậy từ Switch khởi động xong dây vào port cần khoảng 30 giây để đèn chuyển sang màu Xanh (Listening - Learning Fowarding) Còn trường hợp Block Port muốn mở để hoạt động bình thường (như trường hợp nêu port lại Switch bị down) khoảng 50 giây 5.1 Bộ định thời gian STP Một Bridge trải qua 15s trạng thái “listening” “learning” STP điều khiển ba đếm thời gian (timer) bảng 1.6.1 Bảng 1.6 1: STP Timer Ví dụ: Giả sử liên kết đoạn hình 3.12 sử dụng hub cổng 1/2 Cat-B truyền ngồi Cat-C khơng thơng báo lỗi liền nhận liên kết Ethernet từ hub Cat-C thông báo BPDU ngừng đến Sau 20s (MaxAge), cổng 1/2 Cat-C lấy thông tin BPDU cũ với cổng 1/2 Cat-B cổng định cho đoạn mạng Điều làm cho cổng 1/2 Cat-C truyền trạng thái “listening” để cố gắng trở thành cổng định Vì cổng 1/2 Cat-C cung cấp truy cập tốt từ bridge gốc đến liên kết này, nên chuyển sang trạng thái “forwarding” Như vậy, Cat-C 50s (20s Max Age + 15s Listenning + 15s Forwarding) để vượt qua sau cổng 1/2 Cat-B bị lỗi Trong trường hợp này, bridge phát thay đổi cấu trúc mạng liên kết kết nối trực tiếp chuyển sang trạng thái “listening” mà khơng cần chờ thời gian Max Age Xem ví dụ hình 1.6.1 Hình 1.6 1: Lỗi xảy liên kết Root Bridge Root Port Cat-C Trong trường hợp này, cổng 1/1 Cat-C bị lỗi, liên kết cổng gốc bị lỗi nên cổng 1/2 Cat-C chuyển sang trạng thái “learning” để trở thành cổng gốc thay chờ 20s lấy thông tin cũ Điều làm cho thời gian hội tụ STP giảm từ 50s xuống 30s (15s listening + 14s learning) 6.1 Hai loại BPDU Có hai loại BPDU :  BPDU cấu hình  BPDU thơng báo thay đổi cấu trúc mạng – TCN BPDU (Topology Change Notification BPDU) BPDU cấu hình bắt đầu bridge gốc phát đường hoạt động từ bridge gốc, TCN BPDU hướng bridge gốc để cảnh báo với bridge gốc cấu trúc mạng mạng có thay đổi 6.1.1 BPDU cấu hình: Các trường BPDU cấu hình tóm tắt bảng 1.7.1 Bảng 1.7 1: Các trường BPDU cấu hình 6.1.2 TCN BPDU (Topology Change Notification BPDU) : TCN BPDU đơn giản BPDU cấu hình gồm có ba trường, giống ba trường BPDU cấu hình trường Type thay đổi với giá trị sau :  0x00 (0000 0000): BPDU cấu hình  0x80 (1000 0000): TCN BPDU Chú ý : TCN BPDU không mang thơng tin bổ sung 7.1 Q trình thay đổi cấu trúc mạng Nếu TCP BPDU đơn giản làm thể vai trị quan trọng nó? Ta xem xét thay đổi cấu trúc mạng hình 3.14 Host D liên lạc với host E qua hai bước: • (1): lưu lượng từ host D qua Cat-B để liên lạc với host E • (2): giả sử thu phát cổng 1/2 Cat-B bị hỏng Hình 3.14: TCN BPDU dùng để cập nhật bảng Bridge nhanh Như thảo luận, cổng 1/2 Cat-C 50s để trở thành cổng định Tuy nhiên TCN BPDU tiếp tục bị ngắt khoảng 250s Trong khoảng thời gian lỗi, ba switch chứa địa MAC host E bảng Bridge bảng 3.7 Bảng 3.7: Giá trị bảng Bridge trước có thay đổi cấu trúc mạng TCN BPDU phương pháp đơn giản để cải tiến thời gian hội tụ, làm việc chặt chẽ với BPDU cấu sau: (1) Một bridge bắt đầu TCN BPDU khi: • Nó chuyển cổng sang trạng thái “forwarding” có cổng định • Nó chuyển cổng từ trạng thái “forwarding” “learning” sang blocking Sự thay đổi cấu trúc mạng địi hỏi phải gửi thơng báo đến bridge gốc, giả sử bridge bridge gốc, bắt đầu q trình thơng báo cách gửi TCN BPDU cổng gốc Nó tiếp tục gửi TCN BPDU thơng điệp TCN xác nhận (2) Bridge upstream nhận TCN BPDU Mặc dù, vài bridge nghe TCN BPDU (vì kết nối trực tiếp vào cổng gốc đoạn mạng) có cổng định chấp nhận xử lý TCN BPDU (3) Bridge upstream thiết lập cờ xác nhận thay đổi cấu trúc mạng TCA (Topology Change Acknowledgement) BPDU cấu hình gửi ngược lại(ra cổng định) Cờ dùng để xác nhận với bridge khởi đầu để ngưng phát TCN BPDU (4) Bridge upstream truyền TCN BPDU cổng gốc (5) Tiếp tục bước đến bước bridge gốc nhận TCN BPDU