BTL mạng máy tính (BKHN): Lập Trình Mô Phỏng Hoạt Động Của Giao Thức Spanning Tree Cho Bridges

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ======o0o====== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN MẠNG MÁY TÍNH Đề Tài : Lập Trình Mơ Phỏng Hoạt Động Của Giao Thức Spanning Tree Cho Bridges Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Quang Vinh Sinh Viên 5/2019 MSSV LỜI NÓI ĐẦU Một mạng mạnh mẽ thiết kế khơng đem lại tính hiệu cho việc truyền gói frame, mà phải xem xét làm để khôi phục hoạt động mạng cách nhanh chóng mạng xảy lỗi Trong môi trường lớp 3, giao thức định tuyến sử dụng đường dự phòng đến mạng đích để đường bị lỗi nhanh chóng tận dụng đường thứ Định tuyến lớp cho phép nhiều đường đến đích để trì tình trạng hoạt động mạng cho phép cân tải qua nhiều đường Trong môi trường lớp (switching bridging), không sử dụng giao thức định tuyến không cho phép đường dự phòng, thay bridge cung cấp việc truyền liệu mạng cổng switch Giao thức Spanning Tree cung cấp liên kết dự phòng để mạng chuyển mạch lớp khơi phục từ lỗi mà khơng cần có can thiệp kịp thời STP định nghĩa chuẩn IEEE 802.1D MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CÁC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO I Tổng quan giao thức Spanning Tree 1.1 Spanning Tree phải sử dụng nó? 1.1.1 Vòng lặp broadcast 1.1.2 Việc sai lệch bảng bridge 1.2 Hai khái niệm STP .10 1.2.1 Bridge ID (BID) 10 1.2.2 Chi phí đường 11 1.3 Các bước định STP 13 1.4 Sự hội tụ STP ban đầu (Initial STP Convergence) .14 1.4.1 Bước 1: Quyết định bridge gốc (Root Bridge) .15 1.4.2 Bước 2: Chọn cổng gốc (Root Port) 17 1.4.3 Bước 3: Quyết định cổng định (Designated Port) 19 1.5 Các trạng thái STP 21 1.6 Bộ định thời gian STP 24 1.7 Hai loại BPDU .26 1.7.1 BPDU cấu hình .26 1.7.2 TCN BPDU (Topology Change Notification BPDU) 27 1.8 Quá trình thay đổi cấu trúc mạng 27 II Mô giao thức Spanning Tree cho Bridges 32 2.1 Hạn chế chương trình 32 2.2 Đánh giá phần mềm 32 2.3 Kết chương trình thực tế .33 III Kết luận 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 CÁC HÌNH ẢNH SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Hình 1.1 1: Bridging loop mạng Hình 1.1 2: Khơng có STP, broadcast tạo Feedback loop .7 Hình 1.1 3: Định dạng DIXv2 Ethernet frame Hình 1.1 4: Frame unicast gây Bridging Loop làm sai lệnh bảng bridge 10 Hình 1.2 1: Hai trường BID 11 Hình 1.4 1: Mơ hình mạng sử dụng STP 14 Hình 1.4 2: Chọn Bridge Root 15 Hình 1.4 3: Các thành phần BPDU .16 Hình 1.4 4: chọn Root Port 18 Hình 1.4 5: chọn Designated Port 19 Hình 1.5 1: trạng thái cổng hoạt động chuyển trạng thái 22 Hình 1.5 2: Sơ đồ mạng với cổng định danh 23 Hình 1.6 1: Lỗi xảy liên kết Root Bridge Root Port Cat-C .25 Hình 1.8 1: TCN BPDU dùng để cập nhật bảng Bridge nhanh .27 Hình 1.8 2: Trình tự bước trình thay đổi cấu trúc mạng 29 Hình 2.3 1: Hình minh họa mơ STP cho Bridges 33 Hình 2.3.2: So sánh BID để tìm Root Bridge ………………………………… 34 Hình 2.3.3: Hình mơ cổng bị shut down………………………….35 CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Bảng 1.2 1: Danh sách chi phí .12 Bảng 1.4 1: Các thành phần STP mạng có 15 switch 146 đoạn mạng .20 Bảng 1.5 1: Các trạng thái STP 21 Bảng 1.5 2: Các trạng thái STP ký hiệu cổng 23 Bảng 1.6 1: STP Timer 24 Bảng 1.7 1: Các trường BPDU cấu hình 26 Bảng 1.8 1: Giá trị bảng Bridge trước có thay đổi cấu trúc mạng 28 Bảng 1.8 2: Giá trị bảng Bridge sau thay đổi cấu trúc mạng 30 Bảng 1.8 3: Trường cờ BPDU cấu hình .31 I Tổng quan giao thức Spanning Tree 1.1 Spanning Tree phải sử dụng nó? Spanning Tree Protocol (STP) giao thức ngăn chặn lặp vòng, cho phép bridge truyền thơng với để phát vòng lặp vật lý mạng Sau giao thức định rõ thuật tốn mà bridge tạo cấu trúc mạng logic chứa vòng lặp (loop-free) Nói cách khác STP tạo cấu trúc free- loop gồm nhánh nối tồn mạng lớp Vòng lặp xảy mạng với nhiều nguyên nhân Hầu hết nguyên nhân thơng thường kết việc cố gắng tính tốn để cung cấp khả dự phòng, trường hợp này, liên kết switch bị hỏng, liên kết switch khác tiếp tục hoạt động, nhiên vòng lặp xảy lỗi Hình 1.1.1 biểu diễn mạng chuyển mạch với vòng lặp cố ý dùng để cung cấp khả dự phòng Hình 1.1 1: Bridging loop mạng Hai nguyên nhân gây lặp vòng tai hại mạng chuyển mạch broadcast sai lệch bảng bridge 1.1.1 Vòng lặp broadcast Vòng lặp broadcast vòng lặp lớp kết hợp nguy hiểm Hình 1.1.2 biểu diễn broadcast tạo vòng lặp phản hồi (Feedback loop) Hình 1.1 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-FFFF- FF)  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: Một 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 Chú ý: frame tràn qua đoạn mạng Ethernet tạo thành vòng lặp theo hướng ngược lại, vòng lặp feedback xảy hai hướng Một kết luận quan trọng hình 1.1.2 vòng lặp bridge nguy hiểm nhiều so với vòng lặp định tuyến Hình 1.1.3 mơ tả định dạng DIXv2 Ethernet frame Hình 1.1 3: Định dạng DIXv2 Ethernet frame DIXv2 Ethernet Frame chứa địa MAC, trường Type CRC Trong IP header chứa trường time-to-live (TTL) thiết lập host gốc giảm qua router Gói bị loại bỏ TTL = 0, điều cho phép router ngăn chặn datagram bị “run-away” Khơng giống IP, Ethernet khơng có trường TTL, sau frame bắt đầu bị lặp mạng tiếp tục ngắt bridge ngắt kiên kết Trong mạng phức tạp mạng mơ tả hình 1.1.1, hình 1.1.2 gây vòng lặp feedback nhanh theo tỉ lệ số mũ Vì frame tràn qua nhiều cổng switch, tổng số frame tăng nhanh nhiều Ngoài cần phải ý đến bão broadcast người dùng host A B hình 1.1.2 Broadcast xử lý CPU tất thiết bị mạng Trong trường hợp này, PC cố xử lý bão broadcast Nếu ta ngắt số kết nối, trở lại hoạt động bình thường Tuy nhiên, ta kết nối trở lại broadcast sử dụng 100% CPU Nếu ta không xử lý điều mà tiếp tục sử dụng mạng, tạo vòng lặp vật lý mạng 1.1.2 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 vòng lặp Hình 1.1.4 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 không chạy STP, frame đến cổng 1/1 hai switch Bước 3: Vì host B bị down, nên Cat-1 khơng có địa MAC (BBBB- BB- BB-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-BB- BBBB-BB-BB, điều tạo feedback loop làm down mạng Bước 6: 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 Hình 1.5.2 biểu diễn mạng với phân chia cổng danh sách trạng thái Chú ý tất cổng chuyển tiếp trừ cổng 1/2 Cat-C Hình 1.5 2: Sơ đồ mạng với cổng định danh Trạng thái/cổng Ký hiệu Blocking B Forwading F Cổng định DP Cổng gốc RP Cổng không định NDP Bảng 1.5 2: Các trạng thái STP ký hiệu cổng 1.6 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 Timer Mục đích Hello Timer Khoảng thời gian gửi BPDU cấu hình gửi Bridge gốc Forward Delay Thời hạn trạng thái Listening Learning Max Age Giá trị mặc định 2s Thời gian lưu trữ BPDU 15s 20s 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 (Max Age), 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 không 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) Chú ý: thời gian hội tụ STP từ 30s đến 50s Hai điểm quan trọng cần nhớ sử dụng định thời STP là:  Thứ nhất: không thay đổi giá trị thời gian mặc định khơng có cân nhắc cẩn thận  Thứ hai: ta sửa thời gian từ bridge gốc 1.7 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 1.7.1 BPDU cấu hình: Các trường BPDU cấu hình tóm tắt bảng 1.7.1 Trường Chiều dài (octet) Luôn Luôn Protocol ID Version Ý nghĩa Type Flag 1 Root ID Cho biết kiểu BPDU BPDU cấu hình = LSB = Cờ thay đổi cấu trúc mạng MSB = Cờ xác nhận thay đổi cấu trúc mạng BID bridge gốc Root Path Cost (chi phí đường gốc) Chi phí tích lũy đến bridge gốc Sender BID BID bridge Cổng ID ID cổng gửi BPDU Message Age Max Age Hello Time Forward Delay Khoảng thời gian tử bridge gốc tạo BPDU đến phát BPDU Khoảng thời gian lưu thông tin BPDU Khoảng thời gian BPDU Thời gian trạng thái listening learning Bảng 1.7 1: Các trường BPDU cấu hình 1.7.2 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 thông tin bổ sung 1.8 Quá trình thay đổi cấu trúc mạng Nếu TCP BPDU đơn giản làm thể vai trò quan trọng nó? Ta xem xét thay đổi cấu trúc mạng hình 1.8.1 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 1.8 1: 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 khơng có TCN BPDU tiếp tục bị ngắt khoảng 250s Trong khoảng thời gian lỗi, ba switch chứa địa MAC host E bảng Bridge bảng 1.8.1 Cổng liên quan đến địa Bảng Bridge MAC host E Cat-A Cổng 1/1 Cat-B Cổng 1/2 Cat-C Cổng 1/1 Bảng 1.8 1: 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 đòi hỏi phải gửi thơng báo đến bridge gốc, giả sử bridge khơng phải bridge gốc, bắt đầu q trình thơng báo cách gửi TCN BPDU cổng gốc Nó tiếp tục gửi TCN BPDU thông 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 (6): Sau bridge gốc thiết lập cờ xác nhận thay đổi cấu trúc mạng – TCA (để xác nhận với bridge trước đó), cờ thay đổi cấu trúc mạng – TC (Topology Change) BPDU cấu hình mà gửi (7): Bridge gốc tiếp tục thiết lập cờ thay đổi cấu trúc mạng – TC tất BPDU cấu hình mà gửi ngồi với tổng thời gian 35s (Forward Delay + Max Age) Cờ thu ngắn giá trị 300s xuống 15s (tức độ trễ chuyển tiếp Forward Delay) Hình 8.2 tóm tắt bước trình thay đổi cấu trúc mạng Hình 1.8 2: Trình tự bước trình thay đổi cấu trúc mạng Dựa vào hình 1.8.2 ta biết q trình thay đổi cấu trúc mạng cho hình 1.8.1 sau: Bước Cat-B C gửi TCN BPDU cổng 1/1 Vì bridge upstream bridge gốc nên bỏ qua bước Sau bước xảy đồng thời Trong BPDU cấu hình mà bridge gốc gửi đi, cờ TCN ACK thiết lập để xác nhận nhận TCN hai brigde downstream Tiếp theo bước 7, Cat-A thiết lập cờ TA 35s (Forward Delay + Max Age) để cập nhật bảng bridge nhanh Như ba switch nhận cờ TA khoảng thời gian cho bảng bridge 15s Chú ý khoảng thời gian ngắn 15s khơng bắt buộc cho tồn bảng, làm q trình nhanh thơi Các thiết bị tiếp tục nói suốt 15s mà không cho bảng bridge nghĩ Tuy nhiên, host D cố gắng gửi frame đến host E 20s (giả sử host E khơng nói hết), frame tràn đến tất đoạn mạng địa EE- EE-EE-EE-EE-EE khơng có bảng bridge Ngay frame đến host E host E trả lời, switch học giá trị bảng bridge tương ứng với cấu trúc mạng Bảng 1.8.2 biểu diễn toàn bảng bridge cho địa MAC E ba switch sau cấu trúc mạng hội tụ lưu lượng lại tiếp tục Bảng Bridge Cổng liên quan đến địa MAC host E Cat-A Cổng 1/2 Cat-B Cổng 1/1 Cat-C Cổng 1/2 Bảng 1.8 2: Giá trị bảng Bridge sau thay đổi cấu trúc mạng Tại thời điểm này, kết nối host D E thiết lập lại lưu lượng lại tiếp tục Chú ý TCN BPDU giảm thời gian lỗi từ 300s (5ph) xuống 50s 30 Hình 1.8.3 mơ tả trường cờ BPDU cấu hình, hai cờ TCA TA lưu trữ octet BPDU cấu hình Bảng 1.8 3: Trường cờ BPDU cấu hình Như thảo luận, cờ TCN thiết lập bridge upstream để nói cho bridge dowstream ngưng gửi TCN BPDU Còn cờ TC thiết lập bridge gốc để giảm khoảng thời gian lỗi từ 300s xuống 15s (Forward Delay) II Mô giao thức Spanning Tree cho Bridges 2.1 Hạn chế chương trình Chương trình cho đề tài mô hoạt động giao thức Spanning Tree cho Bridges thiết kế cho hệ thống gồm bridge Muốn thay đổi mô cho 4, 5… bridges phải chỉnh sửa tay Phần mềm xác định trạng thái bridge hệ thống sau trải qua 2.2 Đánh giá phần mềm 2.2.1 Ưu điểm  Phần mềm thiết kế giao diện đơn giản, trực quan, dễ sử dụng  Phần mềm thực với giao thức STP hệ thống bridges 2.2.2 Nhược điểm  Chưa mô với số lượng ngẫu hứng Bridges  Một số q trình bị hỏng kênh truyền Segment khơng đưa vào phần mềm 2.3 Kết chương trình thực tế Hình kết mơ phần mềm Cisco Packet Tracer giao thức Spanning Tree cho bridges Hình 2.3 1: Hình minh họa mơ STP cho Bridges Hình 2.3.2: So sánh BID để tìm Root Bridge Hình 2.3.3: Hình mơ cổng bị shut down III Kết luận Bài tập lớn mơn Mạng Máy Tính giúp chúng em tìm hiểu nhiều kiến thức lĩnh vực truyền thông mạng Việc thực tập lớn lần thiếu hụt nhiều kiến thức, hồn thành cung cấp cho chúng em biết thêm nhiều kiến thức STP Thông qua việc thực tập lớn môn này, chúng em tính lũy nhiều kiến thức thực tế chuyên ngành điện tử viễn thông Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]: http://fit.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/fit/trungnh/63097205Tom-t%E1%BA%AFt-Spanning-Tree-Protocols.pdf [2]: https://www.cisco.com/c/en/us/support/docs/lan-switching/spanning-treeprotocol/5234-5.html [3]: http://svuit.vn/threads/lab-10-cau-hinh-spanning-tree-protocol-164/ ... 1.8 Quá trình thay đổi cấu trúc mạng 27 II Mô giao thức Spanning Tree cho Bridges 32 2.1 Hạn chế chương trình 32 2.2 Đánh giá phần mềm 32 2.3 Kết chương trình. .. bridging), không sử dụng giao thức định tuyến khơng cho phép đường dự phòng, thay bridge cung cấp việc truyền liệu mạng cổng switch Giao thức Spanning Tree cung cấp liên kết dự phòng để mạng chuyển mạch... ĐẦU Một mạng mạnh mẽ thiết kế khơng đem lại tính hiệu cho việc truyền gói frame, mà phải xem xét làm để khôi phục hoạt động mạng cách nhanh chóng mạng xảy lỗi Trong mơi trường lớp 3, giao thức định