Spanning Tree Protocol erklärt: Was ist STP in Netzwerken?

Was ist das Spanning Tree Protocol (SPT)?

Das Spanning Tree Protocol (STP) ist ein Netzwerkprotokoll, das eine schleifenfreie Topologie für jedes überbrückte Ethernet-LAN (Local Area Network) gewährleistet. Im Grunde dient STP als Vorlage oder Kompass, um das Netzwerk effizienter zu durchqueren.

Stellen Sie sich eine Stadt mit einem komplexen Brückennetz vor, das ihre zahlreichen Inseln miteinander verbindet. Ohne eine Vorlage, die die Bildung geschlossener Schleifen verhindert, würde sich der Verkehr in einem endlosen Kreislauf verfangen und in der gesamten Stadt Chaos und Staus verursachen.

Ebenso zeichnet STP die beste Route für Datenpakete durch das Netzwerk vor, beseitigt die Gefahr von Schleifen und gewährleistet eine effiziente Kommunikation zwischen den Netzwerkgeräten.

So funktioniert das Spanning Tree Protocol

STP basiert auf Bridge Protocol Data Units (BPDUs), die im LAN ständig zwischen benachbarten Switches hin- und hergesendet werden und in ihren Frames sämtliche STP-Daten enthalten.

Beim Übertragen von BPDUs verwendet ein Switch eine eindeutige Quell-MAC-Adresse, die seinem Ursprungsport zugeordnet ist, und adressiert eine Multicast-Adresse mit einer bestimmten Ziel-MAC-Adresse. 

Jedes Mal, wenn eine Bridge mit dem Netzwerk verbunden wird oder sich dessen Topologie ändert, empfängt die Bridge eine spezielle BPDU, die eine Konfiguration anfordert.

STP arbeitet mit einer hierarchischen Struktur, deren Grundlage die Einrichtung einer Root-Bridge bildet. Die Root-Bridge wird in der Regel automatisch anhand der niedrigsten MAC-Adresse ausgewählt. Dabei handelt es sich häufig um das älteste und langsamste Gerät, weshalb Sie die Root-Bridge möglicherweise manuell auswählen sollten.

Sobald sie feststeht, dient die Root-Bridge als Bezugspunkt, von dem aus alle anderen Switches ihre Pfadkosten berechnen.

Die Pfadkosten werden anhand der aufsummierten Kosten der einzelnen Verbindungen ermittelt, wobei niedrigere Werte für günstigere Routen stehen.

Nachdem die Root-Bridge ausgewählt und die niedrigsten Pfadkosten ermittelt wurden, werden redundante Pfade anschließend blockiert, um die Bildung von Schleifen zu verhindern, während die verbleibenden aktiven Pfade einen reibungslosen Datenverkehr ermöglichen.

Alle Bridges und Switches, auf denen STP ausgeführt wird, sind 802.1D-konform.

5 STP-Portzustände

Während des Betriebs des Spanning Tree Protocol können Ports auf Netzwerk-Switches zwischen fünf verschiedenen Zuständen wechseln, die jeweils einem bestimmten Zweck auf dem Weg zu einer schleifenfreien Topologie dienen: deaktiviert, blockierend, lauschend, lernend und weiterleitend.

1. Deaktiviert: Der Port wurde administrativ abgeschaltet und nimmt nicht an STP teil.
2. Blockierend: Der Port empfängt und verarbeitet BPDUs, leitet jedoch keine Datenframes weiter und verhindert so wirksam die Bildung von Schleifen.
3. Lauschend: Der Port ist aktiv an der Wahl der Root-Bridge und der designierten Ports beteiligt und verarbeitet eingehende BPDUs, leitet aber weiterhin keine Datenframes weiter.
4. Lernend: Obwohl der Port weiterhin keine Datenframes weiterleitet, kann er nun seine MAC-Adresstabelle anhand der empfangenen Quelladressen aktualisieren.
5. Weiterleitend: In diesem letzten Zustand ist der Port voll funktionsfähig und ermöglicht den Fluss von Datenframes sowie die Verarbeitung von BPDUs.

4 STP-Modi

Das Spanning Tree Protocol bietet mehrere Betriebsmodi, die den unterschiedlichen Anforderungen von Netzwerkadministratoren gerecht werden.

• Common Spanning Tree (CST): Eine einzige STP-Instanz umfasst das gesamte Netzwerk, unabhängig von der Anzahl der vorhandenen VLANs. CST ist einfach, bietet jedoch nur eine begrenzte Detailsteuerung und Flexibilität.
• Per-VLAN Spanning Tree (PVST): PVST ist Cisco-Geräten vorbehalten und ermöglicht die Erstellung separater Spanning Trees für jedes VLAN. PVST bietet einen höheren Grad an Kontrolle, verbraucht dafür aber mehr Ressourcen.
• Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+): PVST+ ist eine Erweiterung von PVST und ermöglicht die Interoperabilität mit Geräten anderer Hersteller, die den Standard IEEE 802.1Q implementieren.
• Multiple Spanning Tree (MST): Ein besonders effizienter Modus, mit dem mehrere VLANs zu einer einzigen Spanning-Tree-Instanz gruppiert werden können, wodurch Ressourcenverbrauch und Verwaltungskomplexität sinken.

3 STP-Timer

Drei grundlegende Timer steuern den Betrieb des Spanning Tree Protocol und gewährleisten eine rechtzeitige und effiziente Konvergenz des Netzwerks.

• Hello-Timer: Das Intervall, in dem die Root-Bridge BPDUs an benachbarte Switches überträgt; normalerweise ist es auf 2 Sekunden eingestellt. 
• Forward Delay: Die Dauer, die ein Port sowohl im Zustand „Lauschend“ als auch im Zustand „Lernend“ verbringt, bevor er in den Zustand „Weiterleitend“ wechselt; der Standardwert beträgt 15 Sekunden.
• Max Age: Die maximale Zeit, während der ein Switch eine BPDU behält, bevor er sie als veraltet betrachtet und verwirft; standardmäßig sind 20 Sekunden eingestellt.

Lohnt es sich, STP zu aktivieren?

Die Entscheidung, SPT zu aktivieren, hängt von den spezifischen Anforderungen und Zielen Ihres Unternehmensnetzwerks ab. STP ist besonders für Unternehmensnetzwerke mit redundanten Pfaden nützlich, in denen die Gefahr von Schleifen und Broadcast-Stürmen unmittelbar besteht. In kleineren Netzwerken mit minimaler Redundanz oder in Netzwerken mit klar definierten Layer-3-Grenzen ist STP dagegen möglicherweise weniger entscheidend.

Vorteile von STP

Das Spanning Tree Protocol bietet Netzwerkadministratoren mehrere beachtliche Vorteile:

• Schleifenvermeidung: Die wichtigste Funktion von STP besteht darin, Schleifen zu beseitigen, eine stabile Netzwerktopologie zu gewährleisten und Broadcast-Stürme zu verhindern.
• Redundanz: Durch das selektive Blockieren und Freigeben von Ports ermöglicht STP die effiziente Nutzung redundanter Pfade und erhöht so die Fehlertoleranz des Netzwerks.
• Skalierbarkeit: STP kann die Hinzufügung neuer Switches oder VLANs bewältigen und die Netzwerktopologie bei Bedarf dynamisch anpassen.
• Vereinfachte Bridge-Logik: STP vereinfacht die Bridge-Logik, indem es eine Root-Bridge einrichtet, die den gesamten Datenverkehr im Netzwerk überblickt und eine effiziente Datenweiterleitung gewährleistet.
• Backup-Verbindungen: Außerdem stellt es Backup-Verbindungen bereit, die aktiv werden, wenn bei der Hauptverbindung technische Probleme auftreten.

Nachteile von STP

Trotz seiner Vorteile weist STP gewisse Einschränkungen und Nachteile auf:

• Konvergenzzeit: Die Konvergenz von STP kann relativ langsam sein, insbesondere in großen Netzwerken, was vorübergehend zu Unterbrechungen des Datenverkehrs führen kann.
• Ineffiziente Nutzung von Verbindungen: Blockierte Ports führen zu ungenutzter Bandbreite, da sie bis zu einer Änderung der Topologie inaktiv bleiben.
• Komplexität: Die Konfiguration und Verwaltung von STP kann kompliziert sein, insbesondere in Netzwerken mit mehreren VLANs und Spanning-Tree-Instanzen.

Was ist das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)?

Das Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), das im Standard IEEE 802.1w definiert ist, stellt eine Weiterentwicklung des klassischen STP dar. 

RSTP soll einige Schwächen von STP beheben, indem es schnellere Konvergenzzeiten und eine höhere Effizienz bietet. Durch die Einführung von Funktionen wie alternativen und Backup-Ports kann RSTP schnell auf Änderungen der Netzwerktopologie reagieren, die Konvergenzzeit verkürzen und Unterbrechungen minimieren.

Gibt es Alternativen zu STP?

STP und seine Varianten sind zwar weiterhin beliebte Lösungen zur Schleifenvermeidung, doch auch alternative Technologien wie Shortest Path Bridging (SPB) und Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) können ähnliche Ziele erreichen.

Shortest Path Bridging (SPB)

SPB basiert auf dem Standard IEEE 802.1aq und verbindet die Vorteile von OSI-Layer-2- und Layer-3-Protokollen. Dadurch entsteht eine vereinfachte und skalierbare Lösung zur Schleifenvermeidung und Netzwerkverwaltung.

Zu den wichtigsten Funktionen von SPB gehört die Verwendung des Dijkstra-Algorithmus, eines auf der Graphentheorie basierenden Algorithmus, der den kürzesten Pfad zwischen Knoten in einem gewichteten Graphen ermittelt. Durch die Implementierung des Dijkstra-Algorithmus berechnet SPB die optimalen Routen zwischen Switches, gewährleistet einen effizienten Datenverkehr und beseitigt gleichzeitig das Risiko von Schleifen.

Darüber hinaus erhöht SPB die Flexibilität und Ausfallsicherheit des Netzwerks, indem es mehrere Pfade mit gleichen Kosten unterstützt und dadurch bessere Möglichkeiten für Lastverteilung und Fehlertoleranz bietet.

Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL)

TRILL basiert auf dem Standard IETF RFC 6326 und verwendet Routingprotokolle für den kürzesten Pfad auf Layer 2 des OSI-Modells; außerdem unterstützt es Umgebungen mit mehreren Hops. TRILL kann mit jeder Netzwerktopologie arbeiten und dabei Verbindungen nutzen, die andernfalls blockiert worden wären. Es kann gleichzeitig mit STP eingesetzt werden. Tatsächlich wurde es wie STP von derselben Person, Radia Perlman, als Nachfolger von STP entwickelt.

Der wichtigste Vorteil von TRILL besteht darin, dass es Kapazitäten im Netzwerk freigibt, die bei der Verwendung von STP zur Vermeidung von Routing-Schleifen nicht genutzt werden können. Dadurch können Ihre Ethernet-Frames den kürzesten Weg zu ihrem Ziel nehmen. Das wiederum ermöglicht eine effizientere Nutzung der Netzwerkinfrastruktur und senkt das Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Diese Vorteile sind insbesondere in Rechenzentren wichtig, die Cloud-Computing-Infrastrukturen betreiben. TRILL gilt außerdem als stabiler als STP, da es im Falle eines Hardwareausfalls eine schnellere Wiederherstellung ermöglicht.

Fazit: STP in Unternehmensnetzwerken einsetzen

Das Spanning Tree Protocol bleibt mit seiner Fähigkeit, eine schleifenfreie Netzwerktopologie zu gewährleisten, ein wichtiges Werkzeug im Arsenal von Netzwerkadministratoren.

STP ist zwar nicht frei von Nachteilen, doch die Einführung des Rapid Spanning Tree Protocol und alternativer Technologien bietet zusätzliche Möglichkeiten, Netzwerkstabilität und -optimierung zu erreichen.

Ein umfassendes Verständnis von STP und seinen Varianten ermöglicht es Netzwerkadministratoren, das volle Potenzial ihrer Netzwerke auszuschöpfen und fundierte Entscheidungen zu treffen, die den individuellen Anforderungen ihres Netzwerks gerecht werden.

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