CCNA [Lab II-02] - (Lý Thuyết) Tìm Hiểu Giao Thức Ngăn Chặn Layer 2 Loop (STP, RSTP, MSTP)

Trong các mạng Ethernet, loop Layer 2 có thể gây ra broadcast storm, làm gián đoạn kết nối. Để giải quyết vấn đề này, các giao thức như STP, RSTP và MSTP được sử dụng nhằm đảm bảo đường truyền tối ưu và tránh vòng lặp. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ cơ chế hoạt động và ứng dụng của chúng.

MỤC LỤC

• Vòng lặp (Loop)
• Giới thiệu về STP
• Giới thiệu về RSTP
• Giới thiệu về MSTP

I/ Vòng Lặp (Loop)​

Khi các Switch được sử dụng để dự phòng trong mạng, các vòng lặp là một vấn đề tiềm ẩn. Khi một máy chủ trên một phân đoạn mạng truyền dữ liệu đến một máy chủ trên một phân đoạn mạng khác và cả hai được kết nối bởi hai hoặc nhiều Switch, mỗi Switch nhận được các data frames, tìm ra vị trí của thiết bị nhận và chuyển tiếp frame. Bởi vì mỗi Switch chuyển tiếp frame, mỗi frame được nhân đôi. Do đó, một vòng lặp xảy ra và khung lưu thông giữa hai đường dẫn mà không bị xóa khỏi mạng. Các bảng địa chỉ MAC cũng có thể được cập nhật với thông tin địa chỉ không chính xác, dẫn đến chuyển tiếp không chính xác.


Các giao thức ở Layer 2 LAN, như là Ethernet thiếu một cơ chế để nhận ra và loại bỏ các frame lặp vô tận. Trong trường hợp không có giao thức để giám sát các trạng thái chuyển tiếp liên kết, cấu trúc Switch Redundancy dễ bị tổn thương với các điều kiện sau:

• Bão Broadcast (Broadcast storms): Khi không có quá trình chống vòng lặp, mỗi Switch có thể bị nhận quá nhiều gói tin một cách vô tận. Tình huống này được gọi là broadcast storm.
• Truyền nhiều khung hình (Multiple frame transmission) : Nhiều bản sao của frame Unicast có thể được chuyển đến các trạm đích. Nhiều giao thức dự kiến chỉ nhận được một bản sao của mỗi lần truyền. Nhiều bản sao của cùng một khung có thể gây ra các lỗi không thể phục hồi.
• Sự không ổn định cơ sở dữ liệu MAC (MAC database instability): Sự không ổn định trong nội dung của bảng địa chỉ MAC kết quả từ thực tế là các cổng khác nhau của công tắc nhận được các bản sao của cùng một khung. Chuyển tiếp dữ liệu có thể bị suy yếu khi công tắc tiêu thụ các tài nguyên đang đối phó với sự không ổn định trong bảng địa chỉ MAC.

Cơ chế tránh vòng lặp được thiết kết ra để xử lí vấy đề này, và STP (Spanning Tree Protocol) được phát triển để giải quyết chúng.

II/ Giới thiệu về STP​

Spanning Tree Protocol (STP) là một giao thức mạng lớp 2 được thiết kế để ngăn chặn vòng lặp trong mạng Ethernet. Nó đảm bảo rằng chỉ có một đường dẫn hoạt động giữa các thiết bị mạng, đồng thời cung cấp khả năng dự phòng bằng cách tự động kích hoạt các liên kết dự phòng khi cần thiết.

1/ Mục đích của STP​

• Ngăn chặn vòng lặp mạng: Trong mạng Ethernet, nếu có nhiều đường kết nối giữa các switch, một frame có thể bị lặp vô hạn, gây nghẽn mạng.
• Cung cấp đường dự phòng: Nếu một đường chính bị lỗi, STP có thể kích hoạt đường dự phòng để đảm bảo kết nối.
• Tối ưu hóa đường đi trong mạng: STP chọn đường đi tốt nhất để chuyển tiếp dữ liệu, giúp mạng hoạt động hiệu quả hơn.

2/ Cách thức hoạt động của STP​

STP sử dụng thuật toán Spanning Tree Algorithm (STA) để xác định một cây spanning tree duy nhất bằng cách thực hiện các bước sau:

• Bầu chọn Root Bridge
  • Mỗi switch trong mạng có một Bridge ID (bao gồm Bridge Priority và địa chỉ MAC).
    • Bridge Priority : là tiêu chí bầu chọn chính, mặc định là 32768
    • MAC Address : là tiêu chí phụ khi Switch có cùng Bridge Priority
  • Có Bridge ID nhỏ nhất sẽ được chọn làm Root Bridge.
  • Ví dụ : như ảnh thì Switch B được chọn làm Root Bridge, Switch A và Switch B có cùng chỉ số Priority nhưng địa chỉ MAC của Switch B thấp hơn Switch A

• Xác định Port Roles (Vai trò cổng)
  • Root Port (RP): Cổng có đường đi ngắn nhất đến Root Bridge.
    • Switch gốc sẽ gửi các gói Hello BPDU mỗi 2 giây
    • Các Switch sẽ liên tục chuyển tiếp các gói Hello
    • Sau đó các Switch sẽ dựa trên Path Cost để tính ra đường đi ngắn nhất đến Root Bridge
    • Bảng chi phí cổng do IEEE đề xuất

• Cập nhật trạng thái cổng:
  • Blocking: Port đã kết nối nhưng không được sử dụng để chuyển dữ liệu, vì nó được thiết lập để ngăn chặn các vòng lặp trong mạng.
  • Listening: Port đang nghe STP BPDUs và tiến hành quá trình xây dựng cây Spanning-Tree, tuy nhiên nó vẫn không chuyển dữ liệu.
  • Learning: Port đang tiếp tục lắng nghe các BPDUs STP và học về các port và bridge khác trong mạng, tuy nhiên nó vẫn không chuyển dữ liệu.
  • Forwarding: Port được kích hoạt và đã được chuyển đổi sang trạng thái forward dữ liệu
  • Disable: Port bị vô hiệu hóa và không tham gia vào STP.

III/ Giới thiệu về RSTP​

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) là phiên bản cải tiến của STP (Spanning Tree Protocol - Giao thức Cây bao trùm) giúp mạng hội tụ nhanh hơn và ổn định hơn. RSTP được định nghĩa trong IEEE 802.1w và thường được sử dụng trong mạng Ethernet để ngăn chặn các vòng lặp, đồng thời cho phép tái hội tụ nhanh hơn khi có thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng.

Các đặc điểm chính của RSTP:

• Hội tụ nhanh hơn – Trong khi STP truyền thống có thể mất từ 30-50 giây để hội tụ, RSTP chỉ mất vài giây.
• Vai trò cổng (Port Roles) – RSTP giới thiệu các vai trò cổng mới để ngăn chặn vòng lặp hiệu quả hơn:
• Root Port (RP) – Cổng có đường đi tốt nhất đến Root Bridge.
• Designated Port (DP) – Cổng chuyển tiếp cho một đoạn mạng.
• Alternate Port – Cổng dự phòng cho Root Port.
• Backup Port – Cổng dự phòng cho Designated Port.
• Disabled Port – Cổng không tham gia vào STP.
• Cổng biên (Edge Ports) – Các cổng kết nối trực tiếp với thiết bị đầu cuối (PC, máy in…) sẽ vào trạng thái Forwarding ngay lập tức, tương tự như tính năng PortFast trong thiết bị Cisco.
• Tương thích ngược với STP – RSTP có thể hoạt động chung với STP (802.1D) trong môi trường mạng hỗn hợp.

IV/ Giới thiệu về MSTP​

MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) là phiên bản mở rộng của RSTP (IEEE 802.1w), được định nghĩa trong IEEE 802.1s. MSTP cho phép nhóm nhiều VLAN vào một Multiple Spanning Tree Instance (MSTI), giúp tối ưu hóa đường đi của lưu lượng và sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả hơn.

Các đặc điểm chính của MSTP:

• Hỗ trợ nhiều VLAN trên một cây STP – MSTP nhóm nhiều VLAN vào một cây STP thay vì mỗi VLAN có một cây riêng như trong PVST+ (Per VLAN Spanning Tree Plus).
• Hội tụ nhanh – MSTP dựa trên RSTP, giúp mạng hội tụ nhanh hơn khi có sự thay đổi trong cấu trúc liên kết.
• Tối ưu hóa đường đi – Giúp tránh lãng phí tài nguyên bằng cách cho phép các VLAN khác nhau sử dụng các đường đi khác nhau trong mạng.
• Khả năng mở rộng tốt hơn STP và RSTP – MSTP giúp giảm tải CPU và bộ nhớ so với việc chạy nhiều phiên bản STP riêng lẻ.
• Tương thích ngược – MSTP có thể tương tác với STP và RSTP trong các môi trường hỗn hợp.

Cấu trúc của MSTP

MSTP sử dụng MST Region để nhóm các switch có chung cấu hình MST. Một MST Region có thể chứa nhiều MST Instance (MSTI) và luôn có một Common Internal Spanning Tree (CIST) để kết nối các miền MST với nhau.

• CIST (Common Internal Spanning Tree): Cây bao trùm chung kết nối tất cả các vùng MST với nhau.
• MSTI (Multiple Spanning Tree Instances): Các cây spanning tree riêng biệt bên trong MST Region.

V/ Bảng so sánh STP, RSTP, MSTP​

Tài liệu tham khảo
Spanning-Tree Protocol