Bài báo cáo về các giao thức mạng, nguyên lý hoạt động Sự khác biệt giữa STP, RSTP và MSTP Bài báo cáo chủ yếu tập trung đi sâu vào phân tích cơ chế nguyên lý mạng
GIỚI THIỆU VỀ CÁC GIAO THỨC STP, RSTP VÀ MSTP
Định nghĩa và mục đích
Các giao thức mạng đảm bảo rằng dữ liệu được truyền tải hiệu quả, an toàn và không có bất kỳ lỗi nào Có một số giao thức mạng có sẵn và việc chọn đúng giao thức có thể là một nhiệm vụ khó khăn
Giao thức STP (Spanning Tree Protocol): Định nghĩa:
STP là viết tắt của Spanning Tree Protocol Nó là một giao thức mạng đảm bảo rằng không có vòng lặp trong mạng Các vòng lặp trong mạng có thể gây ra bão phát sóng, có thể dẫn đến tắc nghẽn mạng và thời gian chết
STP hoạt động bằng cách tạo một cây mở rộng của mạng, đảm bảo rằng chỉ có một đường dẫn giữa hai thiết bị bất kỳ trong mạng Nếu một liên kết không thành công, STP sẽ tự động định tuyến lại lưu lượng truy cập để tránh bất kỳ vòng lặp nào trong mạng STP là một giao thức mạng đáng tin cậy và được sử dụng rộng rãi
Hình 1 hình ảnh minh họa về giao thức STP
Mục đích: Mục đích của STP là có các liên kết dự phòng trong một mạng LAN chuyển mạch để khi một lỗi liên kết đơn lẻ không thể làm gián đoạn hoạt động bình thường của mạng
Giao thức Spanning Tree (STP) là giao thức ban đầu được xác định theo tiêu chuẩn IEEE 802.1D-1988 Nó tạo ra một cây bao trùm duy nhất trên mạng Chế độ STP có thể hữu ích để hỗ trợ các ứng dụng và giao thức có khung có thể không theo trình tự hoặc bị trùng lặp, ví dụ như NetBeui
Thuật toán cây Spanning BỞI
Chọn cầu gốc Nó chọn làm cầu gốc cho cây bao trùm thiết bị có mã định danh cầu thấp nhất (bằng số) (nghĩa là thiết bị có giá trị ưu tiên cầu gốc thấp nhất hoặc nếu nhiều cầu có cùng mức độ ưu tiên, cầu có địa chỉ MAC thấp nhất)
Chọn cổng gốc Trên mỗi thiết bị, nó chọn port gốc theo:
■ port có chi phí đường dẫn thấp nhất đến cầu gốc
■ port được kết nối với cầu nối với mã định danh gốc thấp nhất
■ Chỉ MSTP và RSTP: port có giá trị ưu tiên port thấp nhất
■ port có số port thấp nhất
Khối thay thế ports Để ngăn chặn các vòng lặp, nó chặn các ports thay thế (trạng thái loại bỏ) cung cấp các đường dẫn chi phí cao hơn đến cầu gốc
Khối sao lưu ports Khi port thứ hai kết nối một công tắc trở lại chính nó, nó sẽ chặn port dự phòng có chi phí đường dẫn hoặc số por t cao nhất
Chọn ports được chỉ định Tất cả các ports khác không bị vô hiệu hóa được chọn làm por ts được chỉ định và cuối cùng được kích hoạt (Trạng thái chuyển tiếp)
Duy trì cây kéo dài Nếu một switch hoặc port bị lỗi, spanning tree cấu hình một cấu trúc liên kết hoạt động mới, thay đổi một số trạng thái port, để thiết lập lại kết nối và chặn các vòng lặp Tùy thuộc vào nơi xảy ra lỗi, các thay đổi có thể lan rộng (ví dụ: nếu cầu gốc bị lỗi) hoặc cục bộ (ví dụ: nếu một port được chỉ định không thành công)
Trạng thái cổng STP Trong chế độ STP, mỗi công tắc port có thể ở một trong năm trạng thái cây kéo dài và một trong hai trạng thái chuyển đổi
Bảng 2 các trạng thái Port STP
DISABLED Hoạt động STP bị vô hiệu hóa trên port port không tham gia vào hoạt động của Giao thức và Thuật toán Cây Spanning port vẫn có thể chuyển đổi nếu trạng thái chuyển đổi của nó được bật
BLOCKING Quá trình chuyển tiếp sẽ loại bỏ các khung đã nhận và không gửi các khung được chuyển tiếp để truyền Đây là chế độ “chờ”
LISTENING port chỉ được kích hoạt để nhận khung port đang chuẩn bị tham gia chuyển tiếp khung Quá trình chuyển tiếp loại bỏ các khung đã nhận và không gửi các khung được chuyển tiếp để truyền
LEARNING port chỉ được bật để nhận khung và
Quá trình học có thể thêm thông tin địa chỉ nguồn mới vào Cơ sở dữ liệu chuyển tiếp
FORWARDING Trạng thái bình thường của một port chuyển mạch Quá trình chuyển tiếp và thực thể SpanningTree được kích hoạt để thực hiện các hoạt động truyền và nhận trên port
Giao thức RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol): Định nghĩa: RSTP là viết tắt của Rapid Spanning Tree Protocol Nó là một phiên bản cải tiến của STP và nhanh hơn và hiệu quả hơn RSTP hoạt động bằng cách giảm thời gian cần thiết để phát hiện lỗi liên kết và định tuyến lại lưu lượng truy cập
Lịch sử và sự phát triển của từng giao thức
Giao thức Spanning Tree (STP) là giao thức ban đầu được xác định bởi tiêu chuẩn IEEE 802.1D-1988 Nó tạo ra một cây kéo dài duy nhất trên một mạng Chế độ STP có thể hữu ích cho các ứng dụng và giao thức cung cấp có khung có thể không theo trình tự hoặc trùng lặp, ví dụ NetBeui
Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) cũng tạo ra một cây spanning duy nhất trên mạng So với STP, RSTP cung cấp sự hội tụ nhanh hơn với cấu trúc liên kết cây kéo dài hoạt động RSTP được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.1D-2004
Theo mặc định, thiết bị hoạt động ở chế độ RSTP
Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) giải quyết các hạn chế trong các giao thức cây mở rộng trước đó, STP và RSTP, trong các mạng sử dụng nhiều VLAN với cấu trúc liên kết sử dụng các liên kết vật lý thay thế Nó cung cấp nhiều trường hợp cây kéo dài trên bất kỳ liên kết nhất định nào trong mạng và hỗ trợ các mạng lớn bằng cách nhóm các cầu nối thành các khu vực xuất hiện dưới dạng một cầu nối duy nhất với các thiết bị khác MSTP được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 802.1Q-2005 Giao thức được xây dựng dựa trên và vẫn tương thích với các tiêu chuẩn IEEE trước đây xác định STP và RSTP
SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC GIAO THỨC STP, RSTP VÀ MSTP
Hiệu suất và thời gian hồi phục của STP, RSTP và MSTP
Khi nói đến các giao thức mạng, có ba tùy chọn chính để lựa chọn: STP, RSTP và
Mỗi giao thức đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, điều quan trọng là phải xem xét cẩn thận giao thức nào phù hợp với mạng của bạn
STP, hay Spanning Tree Protocol, là giao thức lâu đời nhất trong ba giao thức và vẫn được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay Một trong những ưu điểm chính của
STP là tính đơn giản của nó Nó rất dễ thực hiện và cấu hình, làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho các mạng nhỏ hơn
Tuy nhiên, STP có thể chậm phản ứng với những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng Điều này có thể dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của mạng và hiệu suất chậm Ngoài ra, STP có thể dễ bị tấn công, chẳng hạn như tấn công từ chối dịch vụ
RSTP, hay Rapid Spanning Tree Protocol, được phát triển để giải quyết một số thiếu sót của STP Nó nhanh hơn và hiệu quả hơn STP, cho phép thời gian phản ứng nhanh hơn với những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng RSTP cũng bao gồm các tính năng như vai trò cổng và trạng thái cổng, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của mạng
Tuy nhiên, RSTP có thể phức tạp hơn để thực hiện và cấu hình so với STP Nó cũng đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý hơn, điều này có thể là mối quan tâm đối với các mạng nhỏ hơn
MSTP, hoặc Multiple Spanning Tree Protocol, là một phần mở rộng của RSTP cho phép tạo nhiều cây spanning trong một mạng duy nhất Điều này có thể hữu ích cho các mạng lớn hơn đòi hỏi sự linh hoạt và dự phòng hơn
Một trong những ưu điểm chính của MSTP là khả năng giảm độ phức tạp của mạng Bằng cách cho phép nhiều cây mở rộng, MSTP có thể giúp giảm số lượng phân đoạn mạng và thiết bị chuyển mạch cần thiết, giúp quản lý và khắc phục sự cố dễ dàng hơn
Tuy nhiên, MSTP có thể khó cấu hình hơn RSTP Nó cũng đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý và bộ nhớ hơn, điều này có thể là mối quan tâm đối với các mạng nhỏ hơn
STP và MSTP đều là các giao thức đơn thể, có nghĩa là chúng chỉ cho phép tạo một cây kéo dài trong mạng Tuy nhiên, MSTP cho phép tạo nhiều trường hợp cây kéo dài trong một mạng duy nhất, điều này có thể cung cấp tính linh hoạt và dự phòng cao hơn
Một trong những ưu điểm chính của STP là tính đơn giản của nó Nó rất dễ thực hiện và cấu hình, làm cho nó trở thành một lựa chọn tốt cho các mạng nhỏ hơn
Tuy nhiên, STP có thể phản ứng chậm với những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng, điều này có thể dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của mạng và hiệu suất chậm
MSTP, mặt khác, có thể cung cấp tính linh hoạt và dự phòng cao hơn Bằng cách cho phép nhiều trường hợp cây mở rộng, MSTP có thể giúp giảm độ phức tạp của mạng và cải thiện hiệu suất mạng Tuy nhiên, MSTP có thể khó cấu hình hơn STP và đòi hỏi nhiều sức mạnh xử lý và bộ nhớ hơn
STP (Spanning Tree Protocol): STP chỉ hỗ trợ một phiên bản duy nhất Mục đích chính của STP là đảm bảo rằng bạn không tạo vòng lặp khi bạn có các đường dẫn dự phòng trong mạng của mình
RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol): RSTP hỗ trợ hội tụ nhanh và một thể hiện duy nhất RSTP cung cấp sự hội tụ cây bao trùm nhanh hơn đáng kể sau khi thay đổi cấu trúc liên kết so với STP ban đầu RSTP có thể làm điều này là 3 lần mặc định 2 giây hoặc trong vài mili giây khi lỗi liên kết vật lý
MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol): MSTP bao gồm các ưu điểm của RSTP và hỗ trợ nhiều phiên bản MSTP cho phép ta tạo nhiều cây chuyển mạch khác nhau (VLAN) trong một mạng LAN, điều này giúp tối ưu hóa việc phân phối tải và đảm bảo tính tin cậy cho mạng MSTP giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và ngăn chặn việc tạo thành cây chuyển mạch dư thừa, từ đó cung cấp hiệu suất cao và tính tin cậy cho mạng
Khả năng mở rộng và tích hợp VLAN của từng giao thức
MSTP được thiết kế cho các mạng có nhiều VLAN (Mạng cục bộ ảo) và có thể giúp giảm số lượng phiên bản STP cần chạy trên mạng Mặt khác, RSTP được thiết kế cho các mạng yêu cầu thời gian hội tụ nhanh và có thể giúp giảm lượng thời gian cần thiết để mạng phục hồi sau sự cố
MSTP sử dụng RSTP và làm cho nó hoạt động trên nhiều cá thể (MSTI), theo đó các VLAN khác nhau có thể được gán cho các MSTI khác nhau; ý tưởng là chặn một số liên kết trong cấu trúc liên kết cho một số VLAN và các liên kết khác cho các VLAN khác
MSTP bao gồm tất cả thông tin cây khung của nó ở một định dạng BPDU duy nhất Không chỉ giảm số lượng BPDU cần thiết trên mạng LAN để truyền thông tin cây bao trùm cho mỗi VLAN mà còn đảm bảo khả năng tương thích ngược với RSTP (và trên thực tế, cả STP cổ điển)
IEEE đã phát triển ba giao thức: đầu tiên là Spanning Tree Protocol (STP), sau đó là Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) và thứ ba là Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) Cả ba trong số chúng đều được sử dụng để loại bỏ các vòng lặp mạng và thực hiện dự phòng liên kết Các thiết bị chạy STP, RSTP hoặc MSTP trao đổi BPDU để thực hiện tính toán cây mở rộng Cũng như có những điểm tương đồng như vậy, ba giao thức cây kéo dài cũng có một số khác biệt, có thể thấy trong Bảng 7 Ví dụ: một cây kéo dài được tạo trong STP và RSTP, trong khi nhiều cây kéo dài được tạo trong MSTP Trong số ba, STP có tốc độ hội tụ chậm nhất
Bảng 4 so sánh khả năng mở rộng của STP, RSTP, MSTP
Tốc độ hội tụ Chuyển tiếp lưu lượng truy cập Độ phức tạp của cấu hình
STP (được định nghĩa trong IEEE 802.1d)
Chậm nhất Tất cả các VLAN chia sẻ một cây bao trùm, qua đó tất cả lưu lượng truy cập của chúng được chuyển tiếp
RSTP (được định nghĩa trong IEEE 802.1w)
MSTP cung cấp sự hội tụ nhanh hơn STP, tuy nhiên, chúng có tốc độ hội tụ nhanh như nhau
Tất cả các VLAN chia sẻ một cây bao trùm, qua đó tất cả lưu lượng truy cập của chúng được chuyển tiếp
MSTP (được định nghĩa trong IEEE 802.1s)
Thông qua ánh xạ giữa các phiên bản và VLAN, nhiều cây bao trùm có thể cân bằng tải lưu lượng giữa các VLAN Lưu lượng truy cập từ các VLAN khác nhau được chuyển tiếp dọc theo các đường dẫn khác nhau
Mỗi cây bao trùm độc lập với nhau cao
Khi mạng LAN phát triển về quy mô, sự hội tụ chậm của STP trở thành một vấn đề lớn hơn Những lý do cho sự hội tụ chậm của nó như sau:
• Thuật toán STP không xác định rằng cấu trúc liên kết thay đổi cho đến khi bộ hẹn giờ hết hạn, trì hoãn sự hội tụ mạng
• Thuật toán STP yêu cầu cầu gốc gửi BPDU cấu hình sau khi cấu trúc liên kết mạng trở nên ổn định, với các thiết bị khác xử lý và truyền bá BPDU cấu hình trên toàn bộ mạng
Ngoài ra, STP không phân biệt giữa các vai trò cổng khi nói đến trạng thái của chúng Nghĩa là, các cổng ở trạng thái Nghe, Học và Chặn giống nhau vì tất cả các cổng như vậy đều bị ngăn chuyển tiếp lưu lượng dịch vụ Vì vậy, về mặt sử dụng và cấu hình cổng, sự khác biệt cơ bản giữa các cổng nằm ở vai trò của chúng, không phải trạng thái Việc STP không có khả năng phân biệt giữa các tình huống khác nhau này là nhược điểm lớn của nó Để khắc phục những nhược điểm đó, RSTP xây dựng trên STP với những cải tiến sau
• RSTP thêm vai trò cổng của các cổng thay thế, dự phòng và biên, cũng như giảm số lượng trạng thái cổng Để biết chi tiết, hãy xem Vai trò thiết bị, Vai trò cổng và Trạng thái cổng Ngoài ra, RSTP thay đổi định dạng BPDU cấu hình và sử dụng trường flags để mô tả vai trò cổng
• RSTP xử lý BPDU cấu hình khác nhau o RSTP cho phép các cầu nối không phải gốc gửi các BPDU cấu hình theo các khoảng thời gian Hello Time sau khi cấu trúc liên kết trở nên ổn định, bất kể chúng có nhận được BPDU cấu hình từ cầu gốc hay không
• Trong STP, một thiết bị phải đợi một khoảng thời gian của bộ đếm thời gian Max Age trước khi xác định rằng một cuộc đàm phán đã thất bại Ngược lại, một thiết bị có bật RSTP xác định rằng việc thương lượng giữa cổng của nó và thiết bị ngược dòng đã thất bại nếu cổng không nhận được bất kỳ BPDU cấu hình nào được gửi từ thiết bị ngược dòng trong khoảng thời gian chờ
(khoảng thời gian chờ = Hello Time × 3 × hệ số hẹn giờ)
• Khi cổng RSTP nhận được RST BPDU từ cầu nối được chỉ định ngược dòng, cổng sẽ so sánh RST BPDU nhận được với RST BPDU của chính nó
Nếu RST BPDU của chính nó tốt hơn, cổng sẽ loại bỏ RST BPDU đã nhận và ngay lập tức phản hồi thiết bị ngược dòng bằng RST BPDU của riêng nó
Sau khi nhận được RST BPDU, thiết bị ngược dòng sẽ thay thế RST BPDU của chính nó bằng RST BPDU đã nhận dựa trên các trường tương ứng Do đó, điều này dẫn đến sự hội tụ nhanh, vì các cổng RSTP xử lý BPDU kém hơn mà không phải đợi hết giờ
• RSTP giới thiệu một số cơ chế hội tụ nhanh, bao gồm cơ chế Đề xuất / Thỏa thuận, chuyển đổi nhanh cổng gốc và bổ sung các cổng biên
• RSTP giới thiệu nhiều chức năng bảo vệ, bao gồm bảo vệ BPDU, bảo vệ gốc, ngăn chặn vòng lặp và bảo vệ TC
Trong STP và RSTP, tất cả các VLAN trên mạng LAN sử dụng cùng một cây bao trùm, điều đó có nghĩa là cân bằng tải dựa trên VLAN không thể được thực hiện
Ngoài ra, một khi một liên kết bị chặn, nó sẽ không còn truyền lưu lượng truy cập, gây lãng phí băng thông và có thể khiến một số gói VLAN không thể được chuyển tiếp
Cách triển khai và quản lý mạng tối ưu hóa VLAN trong môi trường hạ tầng công cộng của STP,
2.3.1 Cách triển khai mạng tối ưu hóa VLAN
Triển Khai Mạng Tối Ưu Hóa VLAN
VLAN (Virtual Local Area Network) là công nghệ mạng cho phép tách một mạng vật lý thành nhiều mạng riêng ảo độc lập, giúp cải thiện hiệu suất và bảo mật mạng
Xác Định Yêu Cầu Mạng Đầu tiên, cần xác định yêu cầu mạng của mình Điều này bao gồm việc xác định số lượng VLAN cần thiết, cấu trúc mạng hiện tại và yêu cầu về hiệu suất và bảo mật
Cấu Hình VLAN Trên Thiết Bị Mạng
Tiếp theo, sẽ cấu hình VLAN trên các thiết bị mạng của mình Điều này bao gồm việc định cấu hình VLAN trên các cổng mạng, cấu hình VLAN trên Router và cấu hình VLAN trên cổng Ethernet
Hiểu Về Gắn Thẻ VLAN
Gắn thẻ VLAN là một phần quan trọng của việc cấu hình VLAN Nó cho phép phân biệt giữa các gói tin từ các VLAN khác nhau và đảm bảo rằng chúng được chuyển đến đúng VLAN Định Tuyến VLAN Và Giao Tiếp Giữa Các VLAN Để cho phép giao tiếp giữa các VLAN, cần cấu hình định tuyến VLAN Điều này thường đòi hỏi một thiết bị lớp 3, như một bộ định tuyến hoặc một công tắc lớp 3
Kiểm Tra Và Giám Sát Hoạt Động Của Mạng
Sau khi cấu hình, cần kiểm tra để đảm bảo rằng mạng đang hoạt động đúng như mong đợi Điều này bao gồm việc giám sát hiệu suất mạng, kiểm tra sự ổn định của mạng và giải quyết bất kỳ sự cố nào có thể phát sinh Đánh Giá Và Tối Ưu Hóa
Cuối cùng, sẽ đánh giá hiệu suất của mạng sau khi triển khai và tìm cách tối ưu hóa nếu cần Điều này có thể bao gồm việc điều chỉnh cấu hình VLAN, thêm hoặc loại bỏ VLAN, hoặc thay đổi cấu trúc mạng
Bảng 5 quy trình cấu hình cho STP
Bước 1 Định cấu hình STP
RSTP được bật theo mặc định với cài đặt mặc định trên tất cả các ports chuyển đổi để ngăn chặn các vòng lặp Lớp 2 trong mạng awplus# configure terminal
Vào chế độ Cấu hình chung awplus(config)# spanning-tree mode stp
Theo mặc định, thiết bị ở chế độ RSTP
Thay đổi sang chế độ STP awplus(config)# spanning-tree enable
Theo mặc định, cây bao trùm được bật trên tất cả các cổng switch Nếu nó đã bị vô hiệu hóa, kích hoạt nó cho STP awplus(config)# spanning-tree priority
Theo mặc định, tất cả các thiết bị đều có cùng một root bridge mức độ ưu tiên là 32768 (8000 ở hệ thập lục phân), do đó thiết bị với địa chỉ MAC thấp nhất sẽ trở thành cầu nối gốc Nếu muốn thiết bị làm root bridge, đặt mức độ ưu tiên của root bridge thành giá trị thấp hơn 32768
Nhập một giá trị trong phạm vi từ 0 đến 61440 Nếu nhập một số không phải là bội số của 4096, nút chuyển sẽ làm tròn số đó xuống
Bước 2 Cấu hình Root Guard
Tính năng Root Guard đảm bảo rằng cổng được kích hoạt là cổng được chỉ định
Nếu cổng được kích hoạt Root Guard nhận được BPDU cao hơn, cổng này sẽ chuyển sang trạng thái Nghe (đối với STP) hoặc trạng thái loại bỏ (đối với RSTP và MSTP) awplus(config)# interface
Vào chế độ Cấu hình Giao diện cho các cổng switch mà bạn muốn bật Root Guard cho nó awplus(config-if)# spanning-tree guard root
Kích hoạt tính năng Guard Root cho các cổng này awplus(config-if)# exit Trở về chế độ cấu hình toàn cầu awplus(config)# exit Quay lại chế độ Privileged Exec
Bước 3 Kiểm tra cấu hình STP awplus# show spanning-tree [interface
Hiển thị cấu hình cây bao trùm cho thiết bị và xác nhận mức độ ưu tiên của cầu gốc mới (Ưu tiên cầu) Lưu ý rằng ID cầu nối có dạng như sau:
80000000cd240331 và các ID khác cũng tuân theo mẫu tương tự Số này được tạo thành từ 8000—mức độ ưu tiên của cầu gốc của thiết bị theo hệ thập lục phân 0000cd240331—địa chỉ MAC của thiết bị
Bảng 6 quy trình cấu hình cho RSTP
Bước 1 Định cấu hình RSTP
RSTP được bật theo mặc định với các cài đặt mặc định trên tất cả các cổng chuyển đổi để ngăn chặn các vòng lặp Lớp 2 trong mạng Không cần cấu hình nếu muốn sử dụng RSTP với các cài đặt mặc định này Nếu cần khôi phục thiết bị về RSTP sau khi thiết bị được đặt sang chế độ khác hoặc sửa đổi cài đặt RSTP mặc định, làm theo quy trình bên dưới awplus# Vào chế độ Cấu hình chung configure terminal awplus(config)# spanning-tree mode rstp
Theo mặc định, thiết bị ở chế độ RSTP
Nếu nó đã được thay đổi thành chế độ STP hoặc MSTP, thay đổi nó trở lại RSTP awplus(config)# spanning-tree enable
Theo mặc định, cây bao trùm được bật trên tất cả các cổng switch Nếu nó đã bị tắt, thì bật nó cho RSTP awplus(config)# spanning-tree priority
Theo mặc định, tất cả các thiết bị đều có cùng mức độ ưu tiên của cầu gốc, 32768 (8000 ở dạng thập lục phân), do đó thiết bị có địa chỉ MAC thấp nhất sẽ trở thành cầu nối gốc Nếu muốn thiết bị làm cầu nối gốc, hãy đặt mức độ ưu tiên của cầu nối gốc thành giá trị thấp hơn 32768 Nhập một giá trị trong phạm vi từ 0 đến 61440 Nếu nhập một số không phải là bội số của 4096, nút chuyển sẽ làm tròn số đó xuống
Bước 2 Cấu hình các cổng biên
ỨNG DỤNG THỰC TẾ VÀ LỢI ÍCH
Thực hiện thử nghiệm và mô phỏng các tình huống thực tế trong môi trường hạ tầng công cộng
3.1.1 Cách thực hiện thử nghiệm STP - RSTP – MSTP thí nghiệm so sánh
Thí nghiệm này được thiết kế để chứng minh sự khác biệt trong vận hành giữa ba phiên bản STP chính Chúng ta sẽ sử dụng cùng một cấu trúc liên kết cho mỗi phần trình diễn cũng như giải thích cách hoạt động của từng phiên bản STP Cấu trúc liên kết sau đây được sử dụng để chứng minh:
● Đảm bảo tất cả liên kết giữa các switch đều là cổng trung kế
802.1D - Cây kéo dài truyền thống Mục tiêu phòng thí nghiệm 1 Đảm bảo tất cả các thiết bị chuyển mạch đang chạy Cây kéo dài 802.1D
2 SW1 phải là cầu nối gốc cho miền STP Một Đảm bảo SW1 có nhiều khả năng trở thành root bridge nhất
3 SW4 phải được chỉ định là cầu nối trên tuyến SW2/SW4 4 SW3 phải được chỉ định là cầu nối trên liên kết SW2/SW3 5 Spanning-Tree sẽ phát hiện lỗi trong vòng 10 giây
6 Chuyển cổng chỉ mất 10 giây để chuyển từ Chặn sang Chuyển tiếp
7 SW2 sẽ ngay lập tức chuyển sang một liên kết thay thế bất cứ khi nào nó mất cổng gốc
8 Tất cả các thiết bị chuyển mạch sẽ phục hồi nhanh chóng sau các lỗi liên kết gián tiếp
9 Tất cả các thiết bị chuyển mạch sẽ không nhận được bất kỳ BPDU cao cấp nào trên tất cả các cổng được chỉ định của chúng Một Nếu đúng như vậy, cổng này sẽ bị vô hiệu hóa khỏi việc tham gia STP
10 Tất cả các cổng không được chỉ định sẽ bị chặn nếu chúng ngừng nhận BPDU 3.1.2 Mô phỏng các tình huống thực tế
Giải pháp & Giải thích 1 Đảm bảo tất cả các thiết bị chuyển mạch đang chạy Cây kéo dài 802.1D
Có ba phiên bản giao thức Spanning Tree mà hầu hết các thiết bị chuyển mạch Cisco đều hỗ trợ: 802.1D, 802.1w và 802.1s 802.1D là Giao thức Spanning-Tree kế thừa được giới thiệu lần đầu tiên Nó được cấu hình trong iOS bằng lệnh pvst chế độ cây bao trùm ở chế độ cấu hình toàn cầu
Lưu ý: Các thiết bị chuyển mạch của Cisco triển khai cái được gọi là Per-VLAN Spanning-Tree Plus, một phiên bản điều chỉnh của tiêu chuẩn ban đầu nhằm tạo ra một phiên bản cây bao trùm riêng biệt cho mỗi Vlan Thông tin thêm về điều này sẽ được giải thích trong phần MST 802.1s của Lab
Có thể xác minh cấu hình này bằng lệnh show span-tree: Đầu ra hiển thị phiên bản spanning-tree là "ieee", điều này có nghĩa là logic STP truyền thống đang được sử dụng trên các thiết bị chuyển mạch
2 SW1 phải là Root Bridge cho Spanning-Tree Domain
STP chọn một công tắc làm cầu nối gốc dựa trên việc trao đổi thông tin BPDU
BPDU chứa ID Cầu nối của bộ chuyển mạch cục bộ bao gồm mức độ ưu tiên, 32768 mặc định và địa chỉ MAC Nó cũng chứa ID cầu nối trong đó switch được cho là cầu gốc
Mỗi switch trước tiên tuyên bố chính nó là cầu nối gốc và bắt đầu gửi BPDU ra khỏi tất cả các cổng của chúng, tự liệt kê là cầu nối gốc Chỉ có công tắc gửi BPDU tốt nhất mới trở thành cầu nối gốc BPDU được coi là tốt nhất nếu một trong những điều sau đây là đúng:
- Nó chứa ID cầu thấp nhất
- Ưu tiên thấp hơn - Địa chỉ MAC thấp hơn - Có chi phí thấp nhất so với root bridge hiện tại - Người gửi BPDU có ID cầu nối thấp hơn - ID cổng gửi thấp hơn
- Cổng chuyển mạch mà BPDU được nhận có ID cổng thấp hơn
Chúng ta có thể kiểm tra quá trình này bằng cách sử dụng gỡ lỗi các sự kiện spanning-tree được sửa đổi đầu ra từ lệnh này hiển thị thông tin quan trọng về cuộc bầu cử cầu gốc STP ban đầu:
Việc gỡ lỗi cho thấy ban đầu, SW4 tin rằng mình là cầu nối gốc và bắt đầu gửi BPDU Sau đó, nó nghe nói về một cầu gốc mới (32769-aabb.cc00.0200, SW2) thay thế chính nó là gốc vì ID cầu thấp hơn của nó SW4 sau đó chọn gốc mới đó làm cầu gốc và ngừng truyền BPDU của chính nó Cuối cùng, nó nhận được từ của một Bridge gốc mới (32769-aabb.cc00.0100, SW1) thay thế SW2 vì ID Bridge thấp hơn SW4 chấp nhận đây là root mới
Tác vụ yêu cầu cấu hình SW1 làm cầu gốc và để đảm bảo nó có nhiều khả năng trở thành cầu nối gốc Điều này có nghĩa là chúng ta nên đặt mức độ ưu tiên thành giá trị thấp nhất có thể, vì đây là tiêu chí đầu tiên được kiểm tra để bầu chọn cầu nối gốc Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng lệnh spanning-tree vlan 1-4094 priority 0 như sau:
LƯU Ý: gỡ lỗi spanning-tree events vẫn được kích hoạt khi thực hiện lệnh này Điều này cho phép bạn thấy mức độ ưu tiên có hiệu lực
3 &; 4 Bầu cử Cầu được Chỉ định Sau khi chọn cầu gốc, mỗi switch phải xác định cổng gốc của nó, cổng dẫn trực tiếp đến cầu gốc Điều này được thực hiện bằng cách so sánh chi phí đường dẫn cho tất cả các liên kết trong mạng STP dẫn đến thư mục gốc Cầu nối gốc bắt nguồn từ BPDU với chi phí bằng 0 trong số tất cả các cổng của nó và điều này xếp tầng xuống các thiết bị chuyển mạch không phải root Họ nhận được BPDU này và lặp lại nó, thêm chi phí riêng của họ vào gốc cho BPDU Công tắc tập hợp tất cả các BPDU nhận được trên tất cả các cổng và chọn cổng nhận chi phí thấp nhất làm Cổng gốc
Sau khi chọn cầu gốc và cổng root, các switch còn lại cần xác định cổng nào không phải root nên được Chỉ định để mang dữ liệu về phía Root Bridge Các thiết bị chuyển mạch này cũng chịu trách nhiệm chuyển tiếp dữ liệu điều khiển STP (BPDU) xuống STP về phía các công tắc lá
LƯU Ý: Trong triển khai STP bình thường, chỉ các cổng được chỉ định chuyển tiếp BPDU
Cầu được chỉ định được bầu theo các tiêu chí sau:
- Chi phí đường dẫn gốc thấp nhất đến cầu gốc - ID cầu gửi thấp nhất
- Ưu tiên thấp nhất - Địa chỉ MAC thấp nhất - ID cổng người gửi thấp nhất
Các tác vụ yêu cầu đảm bảo SW3 là công tắc được chỉ định trên phân đoạn SW2 / SW3 và SW4 là công tắc được chỉ định trên phân đoạn SW2 / SW4 Bởi vì tất cả các thiết bị chuyển mạch có cùng chi phí cho cầu gốc, các tác vụ này có thể được thực hiện bằng cách đặt mức độ ưu tiên thấp hơn SW2 trên SW3 và SW4 bằng lệnh vlan 1-4094 ưu tiên 28671 spanning-tree
Đánh giá lợi ích và ứng dụng thực tế của việc tối ưu hóa VLAN thông qua các giao thức STP, RSTP và MSTP
3.2.1 Đánh giá lợi ích của việc tối ưu hóa VLAN
Tăng hiệu suất mạng: Việc tách mạng vật lý thành các VLAN nhỏ hơn giúp giảm tắc nghẽn và tăng hiệu suất mạng
Tăng bảo mật: VLAN giúp tăng bảo mật mạng bằng cách ngăn chặn truy cập trái phép từ các thiết bị trong các VLAN khác
Tối ưu hóa quản lý mạng: VLAN cho phép quản lý các nhóm thiết bị từ nhiều mạng (cả có dây và không dây) được kết hợp thành một mạng logic duy nhất
Ngăn chặn vòng lặp: STP, RSTP và MSTP giúp ngăn chặn vòng lặp trong mạng, đảm bảo sự ổn định và hiệu suất của mạng
Tối ưu hóa tài nguyên mạng: MSTP cho phép tạo nhiều cây bao phủ (spanning tree) độc lập, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mạng
Trong môi trường thực tế, việc tối ưu hóa VLAN thông qua các giao thức STP, RSTP và MSTP có thể được áp dụng trong các doanh nghiệp và tổ chức với nhiều lợi ích như tăng hiệu suất mạng, tăng bảo mật, và tối ưu hóa quản lý mạng
3.2.2 Đánh giá ứng dụng thực tế của việc tối ưu hóa VLAN Thông qua việc sử dụng trong các môi trường như trường học, doanh nghiệp, và tổ chức chính phủ
Trường học: VLAN giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến Broadcast, cung cấp tính năng mở rộng thêm lớp bảo mật bổ sung và giúp quản lý thiết bị đơn giản và tiện lợi hơn Ngoài ra, VLAN cũng giúp cải thiện hiệu suất và quản lý công việc tổng thể, từ đó giúp trường học tăng cường khả năng cạnh tranh với các đối thủ cùng ngành
Doanh nghiệp: VLAN giúp giảm số lượng thiết bị cho cấu trúc liên kết mạng, tăng cường bảo mật hệ thống mạng và giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến
Broadcast Nó cũng giúp cung cấp truy cập từ xa tới tài nguyên của tổ chức mọi lúc, mọi nơi, kết nối các chi nhánh văn phòng với nhau và kiểm soát truy cập của khách hàng, nhà cung cấp và các thực thể bên ngoài tới những tài nguyên của tổ chức
Tổ chức chính phủ: VLAN giúp cung cấp truy cập từ xa tới tài nguyên của tổ chức mọi lúc, mọi nơi, kết nối các chi nhánh văn phòng với nhau và kiểm soát truy cập của khách hàng, nhà cung cấp và các thực thể bên ngoài tới những tài nguyên của tổ chức
Cách thức và khả năng áp dụng kiến thức từ dự án vào môi trường thực tế
Xác định và phân loại vòng lặp: Trong một hệ thống mạng, việc đầu tiên cần làm là xác định và phân loại các vòng lặp có thể xảy ra Điều này giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc mạng và tìm ra các giải pháp phù hợp
Chọn và cấu hình giao thức phù hợp: Dựa vào yêu cầu và đặc điểm của mạng, bạn sẽ chọn giao thức phù hợp (STP, RSTP, MSTP) và cấu hình chúng trên các thiết bị mạng
Kiểm tra và giám sát hoạt động của giao thức: Sau khi cấu hình, bạn cần kiểm tra để đảm bảo rằng giao thức đang hoạt động đúng như mong đợi Nếu có sự cố, bạn cần phân tích nguyên nhân và tìm cách khắc phục Đánh giá hiệu suất và tối ưu hóa: Cuối cùng, bạn cần đánh giá hiệu suất của mạng sau khi áp dụng giao thức và tìm cách tối ưu hóa nếu cần
3.3.2 Khả năng áp dụng kiến thức từ dự án và môi trường thực tế Khả năng áp dụng kiến thức từ dự án về STP, RSTP, MSTP vào môi trường thực tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước và độ phức tạp của mạng, yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy, cũng như kinh nghiệm và kiến thức của người quản lý mạng
SO SÁNH CÁC GIAO THỨC STP, RSTP, MSTP TỐI ƯU HÓA VLAN
So sánh các giao thức STP, RSTP, MSTP trong việc tối ưu hóa VLAN
Bảng 8 so sánh các giao thức trong việc tối ưu hóa VLAN
1 Tiêu chuẩn IEEE của nó là 802.1D
Tiêu chuẩn IEEE của nó là 802.1W
Tiêu chuẩn IEEE của nó là 802.1S
2 IEEE 802.1D là con đầu lòng của gia đình STP
IEEE 802.1W là phiên bản kế thừa và cải tiến của STP
IEEE 802.1S được xây dựng dựa trên RSTP để nhóm các VLAN thành các phiên bản để có khả năng mở rộng, dễ quản lý, bảo mật, v.v
3 STP dẫn đến sự hội tụ mạng chậm hơn và không quá mạnh mẽ khi so sánh với RSTP và MSTP
Mặt khác, RSTP tăng tốc đáng kể sự hội tụ mạng và mạnh mẽ hơn STP
RSTP là giao thức cơ bản cho MSTP và đó là lý do tại sao nó cũng cung cấp sự hội tụ nhanh hơn tương tự như
Nhưng nó có nhiều tính năng hơn RSTP
4 Việc triển khai STP đơn giản hơn RSTP và MSTP
Triển khai RSTP dễ dàng hơn khi so sánh với MSTP
MSTP cần hiểu đúng về STP và các khái niệm MSTP bổ sung trước khi triển khai Điều này làm cho việc triển khai trở nên khó khăn hơn và lý do đôi khi các kỹ sư mạng chọn RSTP thay thế
5 STP có ba chức năng cổng: - Root Port Designated Port Blocked Port
RSTP sử dụng bốn cổng:
- Cổng gốc được chỉ định,
MSTP có vai trò năm cổng: -
Cổng sao lưu cổng thay thế
6 STP hỗ trợ năm trạng thái cổng khác nhau: -
, Nghe , Chặn bị vô hiệu hóa
RSTP bao gồm các trạng thái ba cổng: -
Chuyển tiếp Học tập Loại bỏ (Nó thay thế Chuyển tiếp, Học tập và Nghe để hội tụ nhanh.)
Vì MSTP được xây dựng trên RSTP, nó có cùng ba trạng thái cổng:
- Chuyển tiếp Học tập Loại bỏ
7 Nó thiếu tất cả các loại liên kết
Nó hỗ trợ hai loại liên kết: liên kết chia sẻ và liên kết điểm-điểm
Nó cũng có hai loại liên kết, tức là liên kết được chia sẻ và liên kết điểm tới điểm
8 STP chỉ sử dụng 2 bit từ octet cờ:Bit 7:
Bit 0: Thay đổi cấu trúc liên kết
Trong RSTP, các bit cờ sau được sử dụng:
Bit 0 cho TCN Bit 1 cho Đề xuất Bit 2 và 3 cho vai trò Cổng Bit 4 để học Bit 5 để chuyển tiếp Bit 6 cho Thỏa thuận Bit 7 cho TCN
9 Trong STP, cầu gốc là cầu nối duy nhất gửi BPDU
Những người khác sau đó chuyển BPDU (Đơn vị dữ liệu giao thức Bridge)
Tất cả các cầu nối trong RSTP đều có khả năng chuyển tiếp BPDU
Trong MSTP, tất cả các cầu nối đều có thể chuyển tiếp BPDU
10 Trong Giao thức Spanning Tree, khi một cầu nối phát hiện ra sự thay đổi trong mạng, nó sẽ thông báo cho root, người sau đó thông báo cho tất cả những người khác thông qua BPDU với bộ bit TCA, hướng dẫn họ xóa các mục nhập cơ sở dữ liệu của họ khi
Trong RSTP, TC (Thay đổi cấu trúc liên kết) bị ngập lụt trên toàn mạng; mỗi cầu nối tạo TC (Thay đổi cấu trúc liên kết) và thông báo cho các nước láng giềng khi xảy ra thay đổi cấu trúc liên kết, ngay lập tức xóa các mục cơ sở dữ liệu cũ
"short-timer" (Độ trễ chuyển tiếp) hết hạn
11 Nếu một cầu nối không root không nhận được Hello sau 10
* Hello (được quảng cáo từ root), cầu nối không root sẽ bắt đầu yêu cầu vai trò root bằng cách tạo Hello của riêng nó
Mặt khác, RSTP không hoạt động cho đến khi nó nhận được 3 * Xin chào trên cổng gốc (được quảng cáo từ gốc)
12 STP đợi cho đến khi tất cả TC đã đến thư mục gốc và bộ hẹn giờ ngắn (Độ trễ chuyển tiếp) đã hết hạn trước khi flash tất cả các mục nhập cơ sở dữ liệu gốc
RSTP ngay lập tức xóa tất cả các cơ sở dữ liệu cục bộ ngoại trừ
MAC của cổng nhận các thay đổi cấu trúc liên kết (đề xuất)
13 STP tương thích với RSTP và MSTP Nhưng bạn nên kiểm tra với nhà cung cấp thiết bị trước khi triển khai nhiều hơn một loại Giao thức cây mở rộng trong mạng của mình
Rapid Spanning Tree Protocol tương thích ngược với STP
CST (Common Spanning Tree), tương thích ngược với RSTP và STP
14 Cân bằng tải hoặc sử dụng nhiều đường dẫn vật lý trong mạng là không thể với STP
Tất cả các VLAN phải đi theo cùng một con đường Spanning Tree
Tương tự như STP Trái ngược với STP và
RSTP, với MSTP, bạn có thể nhóm các VLAN thành các Phiên bản MST riêng biệt và có thể sử dụng nhiều đường dẫn vật lý
15 Các cổng được kết nối với điểm cuối (máy tính xách tay, máy tính, máy in, v.v.) không thể được định cấu hình làm cổng cạnh để chuyển đổi nhanh
Không có khái niệm về cổng cạnh trong STP
Khi được kết nối với các điểm cuối trong khi ở RSTP, các cổng này có thể được định cấu hình làm cạnh, cổng để cho phép thay đổi nhanh chóng trạng thái chuyển tiếp
Cả RSTP và STP đều có một khiếm khuyết, đó là tất cả các VLAN trên cùng một mạng LAN đều có chung một cây kéo dài Do đó, cân bằng tải không thể được thực hiện giữa các VLAN và các gói của một số VLAN có thể không được chuyển tiếp
Như thể hiện trong Hình 4, RSTP được áp dụng cho mạng LAN Cấu trúc của cây spanning được thể hiện bằng các đường chấm và SwitchF là công tắc gốc Liên kết giữa SwitchB và SwitchE và liên kết giữa SwitchA và SwitchD bị chặn Liên kết của VLAN 2 và VLAN 3 cho phép các gói tin từ hai VLAN đi qua Các liên kết khác không cho phép các gói từ VLAN 2 và VLAN 3 đi qua
Hình 4 khiếm khuyết của RSTP
Máy chủ A và Máy chủ B thuộc VLAN 2 Liên kết giữa SwitchB và SwitchE bị chặn và liên kết giữa SwitchC và SwitchF không cho phép các gói từ VLAN 2 đi qua Do đó, Máy chủ A và Máy chủ B không thể giao tiếp với nhau
MSTP tương thích với STP và RSTP và khắc phục các khiếm khuyết của STP và RSTP Mạng MSTP hội tụ nhanh và cung cấp các đường dẫn dự phòng để chuyển tiếp dữ liệu Ngoài ra, mạng MSTP thực hiện cân bằng tải giữa các VLAN
MSTP chia một mạng lưới chuyển mạch thành nhiều vùng, mỗi vùng có nhiều cây trải dài độc lập với nhau Mỗi spanning tree được gọi là multiple spanning tree instance (MSTI) và mỗi region được gọi là vùng multispanning tree (MST)
MSTP liên kết VLAN với MSTI thông qua bảng ánh xạ VLAN
Mỗi VLAN chỉ có thể được liên kết với một MSTI nghĩa là dữ liệu của cùng một VLAN chỉ có thể được truyền trong một MSTI
Tuy nhiên một MSTI có thể được liên kết với nhiều VLAN
MSTP được áp dụng cho mạng LAN, như thể hiện trong Hình 5, và sau đó MSTI được tạo ra, như thể hiện trong Hình 5
Hình 5 mở rộng các cây trong một khu vực MST
Hai cây kéo dài được tạo ra thông qua tính toán:
• Trong MSTI 1, SwitchD hoạt động như công tắc gốc để chuyển tiếp các gói VLAN 2
• Trong MSTI 2, SwitchF hoạt động như công tắc gốc để chuyển tiếp các gói của VLAN 3
Trong trường hợp này, tất cả các VLAN có thể giao tiếp và các gói của các VLAN khác nhau được chuyển tiếp dọc theo các đường dẫn khác nhau Do đó, cân bằng tải được thực hiện
Như thể hiện trong Hình 6, bốn vùng MST nằm trong mạng LAN Mỗi khu vực bao gồm bốn công tắc Các khái niệm về MSTP được làm rõ dựa trên Hình 6
Hình 6 mạng LAN cho mô hình MSTP
Một vùng MST bao gồm một số thiết bị chuyển mạch trong mạng LAN và các phân đoạn mạng giữa các thiết bị chuyển mạch Một mạng LAN có thể bao gồm một số vùng MST được kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp Có thể nhóm một số khóa chuyển vào vùng MST bằng cách sử dụng lệnh cấu hình MSTP Trong Hình 6, mạng LAN bao gồm bốn vùng MST, đó là A0, B0, C0 và D0
Nhiều cây kéo dài có thể được tạo trong một khu vực MST Mỗi cây kéo dài độc lập với nhau và ánh xạ một VLAN Một cây kéo dài như vậy được gọi là MSTI Trong Hình 7, vùng MST D0 có ba MSTI: MSTI0, MSTI1 và MSTI2
