Le protocole Spanning Tree expliqué : qu’est-ce que le STP dans les réseaux ?

Qu’est-ce que le protocole Spanning Tree (SPT) ?

Le protocole Spanning Tree (STP) est un protocole réseau qui garantit une topologie sans boucle pour tout réseau local Ethernet ponté (LAN). En substance, le STP sert de plan ou de boussole pour parcourir le réseau plus efficacement.

Imaginez une ville dotée d’un réseau complexe de ponts reliant ses nombreuses îles. Sans plan pour empêcher la formation de boucles fermées, le trafic s’enchevêtrerait dans un cycle sans fin, provoquant chaos et congestion dans toute la ville.

De la même manière, le STP cartographie le meilleur itinéraire pour que les paquets de données traversent le réseau, éliminant le risque de boucles et garantissant une communication efficace entre les périphériques réseau.

Fonctionnement du protocole Spanning Tree

Le STP repose sur des unités de données de protocole de pont (BPDU), qui sont constamment envoyées entre les commutateurs voisins du LAN et contiennent toutes les données STP dans leurs trames.

Lorsqu’il transmet des BPDU, un commutateur utilise une adresse MAC source distincte associée à son port d’origine et cible une adresse de multidiffusion caractérisée par une adresse MAC de destination spécifique. 

Chaque fois qu’un pont est connecté au réseau ou que sa topologie change, il reçoit une BPDU spéciale demandant une configuration.

Le STP fonctionne selon une structure hiérarchique, dont la base est l’établissement d’un pont racine. Celui-ci est généralement choisi automatiquement en fonction de l’adresse MAC la plus basse. Il s’agit souvent du périphérique le plus ancien et le plus lent ; vous pouvez donc vouloir sélectionner manuellement le pont racine.

Une fois déterminé, le pont racine devient le point de référence à partir duquel tous les autres commutateurs calculent le coût de leur chemin.

Les coûts des chemins sont déterminés par la somme cumulée des coûts de chaque liaison, les valeurs les plus faibles représentant des itinéraires favorables.

Une fois le pont racine sélectionné et les coûts de chemin les plus faibles établis, les chemins redondants sont placés dans un état de blocage afin d’empêcher la formation de boucles, tandis que les chemins actifs restants assurent la circulation fluide du trafic de données.

Tous les ponts et commutateurs sur lesquels s’exécute le STP sont conformes à la norme 802.1D.

5 états des ports STP

Pendant le fonctionnement du protocole Spanning Tree, les ports des commutateurs réseau peuvent passer par cinq états distincts, chacun ayant une fonction précise pour parvenir à une topologie sans boucle : désactivé, blocage, écoute, apprentissage et transfert.

1. Désactivé : Le port est désactivé par l’administrateur et ne participe pas au STP.
2. Blocage : Le port reçoit et traite les BPDU, mais ne transfère pas les trames de données, empêchant ainsi la formation de boucles.
3. Écoute : Le port participe activement à l’élection du pont racine et des ports désignés, et traite les BPDU entrants, mais s’abstient toujours de transférer les trames de données.
4. Apprentissage : Bien qu’il ne transfère toujours pas les trames de données, le port peut désormais mettre à jour sa table d’adresses MAC en fonction des adresses sources qu’il reçoit.
5. Transfert : Dans cet état final, le port est pleinement opérationnel et facilite la circulation des trames de données ainsi que le traitement des BPDU.

4 modes STP

Le protocole Spanning Tree propose plusieurs modes de fonctionnement, adaptés aux besoins variés des administrateurs réseau.

• Common Spanning Tree (CST) : Une seule instance du STP couvre l’ensemble du réseau, quel que soit le nombre de VLAN présents. Le CST offre une grande simplicité, mais manque de contrôle granulaire et de flexibilité.
• Per-VLAN Spanning Tree (PVST) : Exclusif aux appareils Cisco, le PVST permet de créer des arbres recouvrants distincts pour chaque VLAN. Le PVST offre un degré de contrôle supérieur, au prix d’une consommation accrue de ressources.
• Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+) : Évolution du PVST, le PVST+ permet l’interopérabilité avec les appareils non-Cisco qui implémentent la norme IEEE 802.1Q.
• Multiple Spanning Tree (MST) : Mode très efficace qui permet de regrouper plusieurs VLAN au sein d’une seule instance Spanning Tree, réduisant ainsi l’utilisation des ressources et la complexité de gestion.

3 minuteurs STP

Trois minuteurs fondamentaux régissent le fonctionnement du protocole Spanning Tree et garantissent une convergence rapide et efficace du réseau.

• Minuteur Hello : Intervalle auquel le pont racine transmet des BPDU aux commutateurs voisins, généralement fixé à 2 secondes. 
• Délai de transfert : Durée pendant laquelle un port reste dans les états Écoute et Apprentissage avant de passer à l’état Transfert, avec une valeur par défaut de 15 secondes.
• Âge maximal : Durée maximale pendant laquelle un commutateur conserve une BPDU avant de la considérer comme obsolète et de la supprimer, fixée par défaut à 20 secondes.

Activer le STP en vaut-il la peine ?

La décision d’activer le SPT dépend des besoins et objectifs spécifiques de votre réseau d’entreprise. Le STP est particulièrement utile pour les réseaux d’entreprise dotés de chemins redondants, où le risque de boucles et de tempêtes de diffusion est imminent. En revanche, dans les petits réseaux présentant peu de redondance ou dans ceux dont les limites de couche 3 sont clairement définies, le STP n’est peut-être pas aussi essentiel.

Avantages du STP

Le protocole Spanning Tree offre plusieurs avantages notables aux administrateurs réseau :

• Prévention des boucles : La fonction première du STP est d’éliminer les boucles, garantissant une topologie réseau stable et empêchant les tempêtes de diffusion.
• Redondance : En bloquant et débloquant sélectivement les ports, le STP permet d’exploiter efficacement les chemins redondants et améliore la tolérance aux pannes du réseau.
• Évolutivité : Le STP peut prendre en charge l’ajout de nouveaux commutateurs ou VLAN, en ajustant dynamiquement la topologie réseau selon les besoins.
• Simplification de la logique de pontage : Le STP simplifie la logique de pontage en établissant un pont racine qui voit tout le trafic du réseau et garantit un transfert efficace des données.
• Sauvegardes : Il fournit également des liaisons de secours qui deviennent actives lorsque la connexion principale rencontre des problèmes techniques.

Inconvénients du STP

Malgré ses avantages, le STP présente certaines limites et certains inconvénients :

• Temps de convergence : La convergence du STP peut être relativement lente, notamment dans les grands réseaux, ce qui peut entraîner des perturbations temporaires du trafic de données.
• Utilisation inefficace des liaisons : Les ports bloqués entraînent une perte de bande passante, puisqu’ils restent inactifs jusqu’à ce qu’un changement de topologie survienne.
• Complexité : La configuration et la gestion du STP peuvent être complexes, en particulier dans les réseaux comportant plusieurs VLAN et instances Spanning Tree.

Qu’est-ce que le Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) ?

Le Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), défini par la norme IEEE 802.1w, est une évolution du STP classique. 

Le RSTP vise à remédier à certaines lacunes du STP en offrant des temps de convergence plus courts et une efficacité accrue. Grâce à des fonctionnalités telles que les ports alternatifs et de secours, le RSTP peut réagir rapidement aux changements de topologie du réseau, réduisant le temps de convergence et limitant les perturbations.

Existe-t-il des alternatives au STP ?

Bien que le STP et ses variantes restent des choix populaires pour empêcher les boucles, d’autres technologies peuvent atteindre des objectifs similaires, comme le Shortest Path Bridging (SPB) et le Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL).

Shortest Path Bridging (SPB)

Reposant sur la norme IEEE 802.1aq, le SPB combine les avantages des protocoles OSI de couche 2 et de couche 3, offrant une solution simplifiée et évolutive pour empêcher les boucles et gérer le réseau.

L’une des principales fonctionnalités du SPB est son utilisation de l’algorithme de Dijkstra, un algorithme fondé sur la théorie des graphes conçu pour trouver le chemin le plus court entre des nœuds dans un graphe pondéré. En appliquant l’algorithme de Dijkstra, le SPB calcule les itinéraires optimaux entre les commutateurs, garantissant une circulation efficace du trafic de données tout en éliminant le risque de boucles.

En outre, le SPB améliore la flexibilité et la résilience du réseau en prenant en charge plusieurs chemins de coût égal, ce qui renforce les capacités d’équilibrage de charge et de tolérance aux pannes.

Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL)

Reposant sur la norme IETF RFC 6326, le TRILL utilise des protocoles de routage à plus court chemin au niveau de la couche 2 du modèle OSI et prend en charge les environnements multihop. Il peut fonctionner avec n’importe quelle topologie réseau, en utilisant des liaisons qui auraient autrement été bloquées, et peut être utilisé simultanément avec le STP. Il a d’ailleurs été conçu par la même personne, Radia Perlman, comme successeur du STP.

Le principal avantage du TRILL est de libérer de la capacité sur votre réseau qui ne peut pas être utilisée — pour empêcher les boucles de routage — avec le STP, afin que vos trames Ethernet empruntent le chemin le plus court jusqu’à leur destination. Cela permet à son tour d’utiliser plus efficacement l’infrastructure réseau et de réduire le rapport coût-bénéfice.

Ces avantages sont particulièrement importants dans les centres de données qui exécutent une infrastructure de cloud computing. Le TRILL est également considéré comme plus stable que le STP, car il offre un temps de récupération plus court en cas de défaillance matérielle.

En résumé : utiliser le STP dans les réseaux d’entreprise

Grâce à sa capacité à garantir une topologie réseau sans boucle, le protocole Spanning Tree reste un outil essentiel dans l’arsenal des administrateurs réseau.

Bien que le STP ne soit pas exempt d’inconvénients, l’introduction du Rapid Spanning Tree Protocol et de technologies alternatives offre d’autres options pour assurer la stabilité et l’optimisation du réseau.

Une compréhension approfondie du STP et de ses variantes permettra aux administrateurs réseau d’exploiter pleinement le potentiel de leurs réseaux et de prendre des décisions éclairées adaptées à leurs besoins spécifiques.

Nous avons passé en revue les meilleurs commutateurs réseau du marché pour vous aider à rationaliser votre réseau.