Das Spanning Tree Protocol im Überblick

Das Spanning Tree Protocol (STP) wurde 1985 von Radia Perlman entwickelt und ist als IEEE 802.1D standardisiert. Es verhindert Layer-2-Loops, indem es eine schleifenfreie Baumtopologie aus einem vermaschten Netzwerk berechnet.

Der Name erklärt

Ein Spanning Tree (überspannender Baum) ist ein Konzept aus der Graphentheorie. Es beschreibt einen Teilgraph, der:

• Alle Knoten (Switches) enthält
• Keine Schleifen bildet
• Zusammenhängend ist (jeder Switch ist erreichbar)

STP berechnet genau so einen Baum für Ihr Netzwerk.

Die drei Schritte des STP-Algorithmus

Schritt 1: Root Bridge bestimmen

Alle Switches im Netzwerk wählen einen einzigen Switch als Root Bridge (Wurzel des Baums). Die Root Bridge ist der zentrale Referenzpunkt, von dem aus alle Pfade berechnet werden.

Schritt 2: Kürzeste Pfade berechnen

Jeder Switch berechnet den kürzesten Pfad (geringste Kosten) zur Root Bridge. Der Port, der zur Root Bridge führt, wird zum Root Port.

Schritt 3: Redundante Pfade blockieren

Auf jedem Netzwerksegment (Verbindung zwischen Switches) wird ein Designated Port bestimmt. Alle anderen Ports, die einen Loop verursachen würden, werden in den Blocking-Zustand versetzt.

BPDUs - Die Sprache von STP

Switches kommunizieren über BPDUs (Bridge Protocol Data Units), um die Baumstruktur zu berechnen. BPDUs enthalten:

Feld	Beschreibung
Root Bridge ID	Die ID des aktuell angenommenen Root-Switches
Root Path Cost	Die Gesamtkosten des Pfads zur Root Bridge
Sender Bridge ID	Die ID des sendenden Switches
Port ID	Die ID des sendenden Ports

Wie BPDUs funktionieren

1. Beim Start sendet jeder Switch BPDUs aus, in denen er sich selbst als Root Bridge vorschlägt
2. Switches vergleichen empfangene BPDUs mit ihren eigenen
3. Der Switch mit der niedrigsten Bridge ID gewinnt
4. Nach der Wahl sendet nur noch die Root Bridge Configuration BPDUs (alle 2 Sekunden)
5. Andere Switches leiten diese BPDUs weiter und aktualisieren die Pfadkosten

Pfadkosten (Path Cost)

Die Pfadkosten bestimmen, welcher Weg zur Root Bridge der "billigste" ist:

Bandbreite	STP-Kosten (802.1D)	RSTP-Kosten (802.1w)
10 Mbit/s	100	2.000.000
100 Mbit/s	19	200.000
1 Gbit/s	4	20.000
10 Gbit/s	2	2.000

Je höher die Bandbreite, desto geringer die Kosten. STP bevorzugt automatisch schnellere Verbindungen.

Ein Beispiel

        [Root Bridge]
        Switch A (Prio 4096)
       /          \
   Kosten 4    Kosten 4
     /              \
Switch B          Switch C
(Prio 32768)     (Prio 32768)
     \              /
   Kosten 4    Kosten 4
        \      /
      [Verbindung]

1. Switch A wird Root Bridge (niedrigste Priority)
2. Switch B wählt seinen Port zu Switch A als Root Port (Kosten: 4)
3. Switch C wählt seinen Port zu Switch A als Root Port (Kosten: 4)
4. Auf der Verbindung B-C: Switch B hat den gleichen Root Path Cost wie Switch C
5. Switch B gewinnt als Designated (niedrigere Bridge ID) - Switch C blockiert seinen Port

Der STP-Ablauf in der Praxis

1. Initialisierung: Alle Switches senden BPDUs und beanspruchen die Root-Rolle
2. Root-Wahl: Der Switch mit der niedrigsten Bridge ID wird Root Bridge
3. Pfadberechnung: Jeder Switch berechnet seinen günstigsten Pfad zur Root
4. Port-Zuweisung: Root Ports, Designated Ports und Blocked Ports werden zugewiesen
5. Stabile Topologie: Nur die Ports im Forwarding-Zustand leiten Daten weiter

Zusammenfassung

• STP berechnet eine schleifenfreie Baumstruktur aus dem physischen Netzwerk
• Die Root Bridge ist der zentrale Bezugspunkt
• BPDUs sind die Nachrichten, mit denen Switches STP-Informationen austauschen
• Pfadkosten bestimmen den kürzesten Weg zur Root Bridge
• Redundante Pfade werden blockiert, stehen aber als Backup bereit

In der nächsten Lektion schauen wir uns die Root Bridge Wahl im Detail an.