스패닝 트리 프로토콜(Spanning Tree Protocol)
Ethernet Frame이 장비들에서 빙빙 도는 것을 Looping(루핑)이라고 한다. 이 Looping을 방지시켜주는 것이 STP(Spanning Tree Protocol)이다.
※ L3 계층에서 사용하는 IP Packet은 Header에 TTL Field가 있어 Packet의 Looping을 막아준다.
IEEE 802.1D-2004 Standard1에서 STP -> RSTP(Rapid STP)로 대체되었지만 현재도 다수의 스위치들은 STP를 사용하고 있다.
- 참고 Topology
- Reference
- Cisco ROUTER - 라우터 기본 설정, 확인
- Reference
- Cisco SWITCH - 스위치 기본 설정, 확인
Frame Looping시 발생하는 영향
1. 브로드캐스팅 폭풍(Broadcasting Storm) 발생
위의 Topology를 참고해서, R1이 SW1로 Broadcast Frame2을 보냈다고 가정했을 때, Switch는 Broadcasting Frame을 같은 VLAN상에 있는 모든 포트로 Flooding한다. 이 때 STP가 작동하지 않으면 SW1 -> SW2로, SW2 -> SW3으로, SW3 -> SW1로, 또 SW1 -> SW3으로, SW3 -> SW2로, SW2 -> SW1로 앞, 뒤로 전송하여 Broadcast Frame의 Looping이 일어나게 된다. 결과적으로 엄청난 브로드캐스팅 폭풍이 발생하게 되며, 이 Frame을 처리하느라 정상적인 동작이 어렵게 되어 속도가 저하되거나 아예 시스템이 다운되기까지 한다.
2. MAC Address Table 불안정
Looping이 발생하게 되면 동일한 MAC Address를 다른 Interface에서 받게 된다. 고로 MAC Address Table이 계속 변하는 MAC Table Instability(불안정) 현상이 발생한다.
3. 이중 Frame 수신
Frame이 Looping되면서 받은 Frame을 또 받고, 또 받고, 또 받으면서 해당 Frame을 사용하는 프로그램이 제대로 동작하지 않을 수 있다.
Spanning Tree Protocol - 동작 방식
STP가 동작을 시작하면 위의 Topology와 같은 물리적으로 Loop 구조인 Network에서 특정 Port를 차단 상태로 바꾸어 놓음으로써 논리적으로 Loop가 발생하지 않게 한다.
그러다 다른 동작중인 스위치의 Port가 Down되면 차단 상태로 바꿔놓은 특정 Port를 다시 전송 상태로 바꾸어 통신이 끊기지 않도록 한다.
그 Loop를 막는 경로를 구성하는 프레임을 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)라고 한다.
BPDU는 Configuration BPDU(설정 BPDU)와 TCN BPDU(Topology Change Notification BPDU) 2가지가 있다.
1. Configuration BPDU : Switch 및 Port의 역할을 결정하기 위하여 사용되는 Frame
2. TCN BPDU : Switch Network의 구조가 변경되었을 때 알리기 위하여 사용되는 Frame
Switch는 Configuration BPDU를 2초마다 전송하여 Root Switch를 선출하고, Switch Port의 역할을 결정하고, 그 BPDU를 인접 Switch로 중계한다.
Configuration BPDU에는 Bridge ID, Root Bridge ID, 경로값, Port ID 등과 Timer등이 포함되어 있다.
Spanning Tree Protocol - Switch 선출 방식
- 1. 전체 Switch 중 Root Switch를 선출한다.
- 2. Root Switch 이외의 모든 스위치에서 Root Port를 한개씩 선출한다. Root Port 경쟁시 선출 조건은 이러하다.
- 3. 각각의 Switch Segment당 Designated Port(지정 포트)를 한개씩 선출한다.
※ Root Switch의 연결된 Port들은 전부 Designated Port(DP)이다.
- 4. Root Port도, Designated Port도 아닌 Port인 Alternate Port(대체 Port)를 선출한다. 이 Port는 항상 차단된다.
show spanning-tree vlan 1 명령어를 통해서 STP 동작 상태를 확인할 수 있다.
※ VLAN 1은 기본 VLAN이다.
SW1#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0100
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et1/1 Desg FWD 100 128.6 Shr
Et3/1 Desg FWD 100 128.14 Shr
Et3/3 Desg FWD 100 128.16 Shr
Priority는 기본값 32768 + VLAN ID 1을 더한 32769값이 나오고, 현재 Switch가 Root Switch임을 알려주고 있다.
Hello Time, Max Age, Forward Delay 등 다양한 타이머값들이 나와있다.
Cost는 각 경로의 경로값이며 포트의 우선순위와 포트 번호를 표시하는 Prio.Nbr(Priority, Number)가 있다.
SW2#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
Cost 100
Port 14 (Ethernet3/1)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0200
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et1/2 Desg FWD 100 128.7 Shr
Et3/1 Root FWD 100 128.14 Shr
Et3/2 Desg FWD 100 128.15 Shr
SW3#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
Cost 100
Port 16 (Ethernet3/3)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0300
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/2 Altn BLK 100 128.15 Shr
Et3/3 Root FWD 100 128.16 Shr
SW2와 SW3에서도 show spanning-tree vlan 1 명령어를 통해서 확인한 결과, 이렇게 표현될 수 있다.
Spanning Tree Protocol - Port 상태
STP는 Port의 상태를 차단(BLK, Blocking), 청취(LIS, Listening), 학습(LRN, Learning), 전송(FWD, Forwarding) 및 비활성(Disabled) 상태로 분류한다.
- 1. 차단(Blocking) : Data Frame을 송수신하지 않고 BPDU만 수신한다. Port가 활성화되면 RP, DP일 때 청취, AP일 때 차단 상태가 된다. 만약 AP -> RP or DP 상태로 변경되면 Max Age 타이머인 20초 후에 청취 상태로 변경된다.
- 2. 청취(Listening) : Port가 DP이면 청취 상태에서 BPDU를 전송한다. 15초가 지나면 학습(Learning) 상태로 변하는데, 이 시간을 Forward Delay(전송 지연) 타이머라고 한다.
- 3. 학습(Learning) : MAC Address Table을 채우기 시작한다. 15초가 지나면 전송(Forwarding) 상태로 변하는데, 이 시간도 Forward Delay(전송 지연) 타이머라고 한다.
- 4. 전송(Forwarding) : Data Frame을 정상적으로 송수신한다.
Stabilized Network는 Switch간을 연결하는 각 Port의 상태는 FWD(전송) or BLK(차단) 상태 중 하나에 머물러 있다.
Down상태에 있는 Port들은 모두 STP Disabled 상태이다. STP가 Disabled되는 경우는 스패닝 트리 설정이 잘못된 경우나 설정 사항을 위반한 경우이다.
Switch를 시작하면 POST 상태 이후(Power On Self Test) 30초 후에 전송 상태로 변경이 된다. 기본적으로 포트가 활성화되면 LIS(청취) 상태부터 시작하기 때문이다.
Spanning Tree Protocol - Port 장애시 동작 확인
위의 주황색 줄로 이어진 Loop 없는 Stabilized Topology의 상태에서, 만약 간접 연결된 링크인 SW1과 SW2의 Segment가 Down된다고 생각해보자.
※ 간접 연결된 링크는 Alternative Port가 없는 Switch간의 링크를 뜻한다.
Down되는 즉시 SW1과 SW2를 연결하는 e3/1 Port들은 1. 비활성화 되면서 2. 차단 상태로 변경된다.
그 후 SW3은 SW2에게서 Inferior(후순위) BPDU를 수신한 후 링크 장애가 발생했다는 것을 알고, Alternate Port였던 e3/2를 Designated Port로 변경한다.
※ SW3이 SW2에서 수신하는 BPDU에 포함된 Root Bridge ID가 SW1에서 값이 더 높은 SW2로 변경된다. 이와 같이 Roog Bridge ID가 후순위로 변경된 것을 Inferior BPDU(후순위 BPDU)라고 한다.
그러나 전송 상태는 위의 Port 상태에서 배웠듯이 Max Age Time인 20초가 지나야 변경이 된다.
이후 청취 상태 15초, 학습 상태 15초, 총 50초를 기다린 뒤에 e3/2 Port를 전송 상태로 변경하고 데이터 프레임을 송수신한다.
SW1#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0100
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 15 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et1/1 Desg FWD 100 128.6 Shr
Et3/3 Desg FWD 100 128.16 Shr
SW2#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
Cost 200
Port 15 (Ethernet3/2)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0200
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et1/2 Desg FWD 100 128.7 Shr
Et3/2 Root FWD 100 128.15 Shr
SW3#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
Cost 100
Port 16 (Ethernet3/3)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0300
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/2 Desg FWD 100 128.15 Shr
Et3/3 Root FWD 100 128.16 Shr
위의 토플로지처럼 SW1과 SW2의 e3/1 Port가 shutdown됐을 때 SW1의 e3/3은 DP를 유지하고 SW2의 e3/2 Port가 Inferior BPDU를 받아 DP에서 RP로 변경되면서 Alternate Port였던 SW3의 e3/2가 DP로 변경이 된 것을 확인할 수 있다.
또한 직접 연결된 링크인 SW1과 SW3의 Segment가 Down된다고 생각해보자.
※ 직접 연결된 링크는 Altnative Port가 있는 Switch간의 링크를 뜻한다.
Down되는 즉시 SW3은 Altnative Port인 e3/2를 Root Port로 변경한 뒤 Max Age Time을 동작시키지 않고 바로 청취 상태로 변경한다.
※ 차단(Blocking)되어있는 상태가 아니기 때문에 바로 청취(Listening) 상태로 변경된다.
따라서 청취 상태 15초, 학습 상태 15초, 총 30초를 기다린 뒤에 e3/2 Port를 전송 상태로 변경하고 데이터 프레임을 송수신한다.
SW1#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0100
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 15 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et1/1 Desg FWD 100 128.6 Shr
Et3/1 Desg FWD 100 128.14 Shr
SW3#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 32769
Address aabb.cc00.0100
Cost 200
Port 15 (Ethernet3/2)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
Address aabb.cc00.0300
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 15 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/2 Root FWD 100 128.15 ShrSW1의 e3/3 Port가 끊기면서 SW3의 e3/2 Port가 Root로 변경되는 것을 확인할 수 있다.
Spanning Tree Protocol PortFast
위에서 배웠듯이 Switch의 각 Port는 STP에 의해서 청취, 학습, 전송 상태 단계를 거친다.
Portfast는 포트가 활성화되면 바로 전송 상태가 되게 하는 것을 말하는데, 보통 가장 끝인 종단 장치(PC, Server등)에 연결된 포트에 많이 사용한다.
Portfast가 설정된 포트라도 BPDU를 받게 되면 그에 따른 적절한 STP 동작을 취하게 된다.
debug spanning-tree events 명령어를 통해서 STP의 동작을 확인할 수 있다.
SW1#debug spanning-tree events
Spanning Tree event debugging is on
SW1#conf t
SW1(config)#int e1/1
SW1(config-if)#shutdown
*Oct 30 15:07:36.018: STP: VLAN0001 Et1/1 -> blocking
SW1(config-if)#
SW1(config-if)#no shutdown
*Oct 30 15:07:54.975: STP: VLAN0001 Et1/1 -> listening
*Oct 30 15:08:09.975: STP: VLAN0001 Et1/1 -> learning
*Oct 30 15:08:24.980: STP: VLAN0001 Et1/1 -> forwarding
e1/1 Port를 Shutdown했을 시 해당 포트의 STP가 비활성화 되면서 blocking 되는 것을 확인할 수 있으며, 다시 no Shutdown 명령어로 Port를 활성화시켰을 시 바로 청취, 학습, 그리고 전송 상태로 변하게 된다.
SW1(config)#int e1/1
SW1(config-if)#spanning-tree portfast
%Warning: portfast should only be enabled on ports connected to a single
host. Connecting hubs, concentrators, switches, bridges, etc... to this
interface when portfast is enabled, can cause temporary bridging loops.
Use with CAUTION
%Portfast has been configured on Ethernet1/1 but will only
have effect when the interface is in a non-trunking mode.
SW1(config-if)#shutdown
*Oct 30 15:17:02.318: STP: VLAN0001 Et1/1 ->blocking
SW1(config-if)#no shutdown
*Oct 30 15:17:21.082: STP: VLAN0001 Et1/1 ->jump to forwarding from blocking
portfast 활성화 후 Port를 비활성화 후 활성화시에 청취, 학습 상태를 넘기고 바로 전송 상태가되는 것을 확인할 수 있다.
Spanning Tree Protocol - Root Switch 조정
SW1(config)#int range e3/1, e3/3
SW1(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW1(config-if-range)#switchport mode trunk
SW2(config)#int range e3/1-2
SW2(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW2(config-if-range)#switchport mode trunk
SW3(config)#int range e3/2-3
SW3(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW3(config-if-range)#switchport mode trunk
SW1(config)#vtp domain VTP_01
Changing VTP domain name from NULL to VTP_01
설정 후 Server Domain에 VLAN을 만들고, VLAN 10의 Root Switch를 SW1로, VLAN 20의 Root Switch를 SW2로 만들어주기 위하여 STP의 Priority를 조절해준다.
※ Priority는 4096 배수값으로 0~65535 사이로 조정하면 된다.
SW1(config)#vlan 10
SW1(config-vlan)#name 1st_VLAN
SW1(config-vlan)#vlan 20
SW1(config-vlan)#name 2nd_VLAN
SW1(config-vlan)#exit
SW1(config)#spanning-tree vlan 10 root primary
SW2(config)#spanning-tree vlan 10 root secondary
SW1(config)#spanning-tree vlan 20 priority 4096
SW2(config)#spanning-tree vlan 20 priority 0
설정 후 show spanning-tree vlan 10 명령어를 이용하여 SW1이 VLAN 10 Root Switch로 동작하는지 확인한다.
SW1#show spanning-tree vlan 10
VLAN0010
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24586
Address aabb.cc00.0100
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 24586 (priority 24576 sys-id-ext 10)
Address aabb.cc00.0100
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/1 Desg FWD 100 128.14 Shr
Et3/3 Desg FWD 100 128.16 Shr
SW2#show spanning-tree vlan 20
VLAN0020
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 20
Address aabb.cc00.0200
This bridge is the root
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 20 (priority 0 sys-id-ext 20)
Address aabb.cc00.0200
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/1 Desg FWD 100 128.14 Shr
Et3/2 Desg FWD 100 128.15 Shr
SW3의 VLAN 10, 20 Port 상태를 보면 SW2를 연결하는 e3/2 Port, SW1을 연결하는 e3/3 Port가 차단(Block)되어 있는 것을 확인할 수 있다.
SW3#show spanning-tree vlan 10
VLAN0010
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 24586
Address aabb.cc00.0100
Cost 100
Port 16 (Ethernet3/3)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32778 (priority 32768 sys-id-ext 10)
Address aabb.cc00.0300
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/2 Altn BLK 100 128.15 Shr
Et3/3 Root FWD 100 128.16 Shr
SW3#show spanning-tree vlan 20
VLAN0020
Spanning tree enabled protocol ieee
Root ID Priority 20
Address aabb.cc00.0200
Cost 100
Port 15 (Ethernet3/2)
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Bridge ID Priority 32788 (priority 32768 sys-id-ext 20)
Address aabb.cc00.0300
Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
Aging Time 300 sec
Interface Role Sts Cost Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Et3/2 Root FWD 100 128.15 Shr
Et3/3 Altn BLK 100 128.16 ShrSpanning Tree Protocol EtherChannel
두 Switch간에 연결된 다수 개의 Port를 하나의 Port처럼 동작시키는 것을 말하며, 물리적인 포트 특성에 따라 여러 EtherChannel로 분류할 수 있다. L2, L3 Interface에서 동작이 가능하며, Access Port 및 Trunk Port로 동작시킬 수 있다.3
EtherChannel의 포트 중 하나의 포트에 장애가 발생하면, 나머지 정상 포트를 통해서 트래픽이 전송된다. STP는 EtherChannel을 하나의 Port로 간주하며, Access Port로 구성 하려면 Port의 Speed, Duplex, VLAN 번호가 같아야한다. Trunk Port로 구성하려면 Port의 Encapsulation, Native VLAN Number, VLAN Number가 같아야 한다.
SW1과 SW2 사이에 e3/1-2로 동시에 연결하여, Trunk 설정 후 channel-group 1 mode on 명령어를 사용하여 EtherChannel로 동작시킨다.
SW1(config)#int range e3/1-2
SW1(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW1(config-if-range)#switchport mode trunk
SW1(config-if-range)#channel-group 1 mode on
Creating a port-channel interface Port-channel 1
SW1(config-if-range)#no shutdown
SW2(config)#int range e3/1-2
SW2(config-if-range)#switchport trunk encapsulation dot1q
SW2(config-if-range)#switchport mode trunk
SW2(config-if-range)#channel-group 1 mode on
Creating a port-channel interface Port-channel 1
SW2(config-if-range)#no shutdown
SW1#sh etherchannel summary
Flags: D - down P - bundled in port-channel
I - stand-alone s - suspended
H - Hot-standby (LACP only)
R - Layer3 S - Layer2
U - in use f - failed to allocate aggregator
M - not in use, minimum links not met
u - unsuitable for bundling
w - waiting to be aggregated
d - default port
Number of channel-groups in use: 1
Number of aggregators: 1
Group Port-channel Protocol Ports
------+-------------+-----------+-----------------------------------------------
1 Po1(SU) - Et0/0(P) Et0/1(P)
SW2#show etherchannel summary
Flags: D - down P - bundled in port-channel
I - stand-alone s - suspended
H - Hot-standby (LACP only)
R - Layer3 S - Layer2
U - in use f - failed to allocate aggregator
M - not in use, minimum links not met
u - unsuitable for bundling
w - waiting to be aggregated
d - default port
Number of channel-groups in use: 1
Number of aggregators: 1
Group Port-channel Protocol Ports
------+-------------+-----------+-----------------------------------------------
1 Po1(SU) - Et0/0(P) Et0/1(P) 사용되고 있는 etherchannel이 1개이며, 이름은 Po1, S는 2계층, U는 in use, 정상적으로 작동하고 있다는 것을 확인할 수 있다.
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