Implementierungsdetails für RSTP und Proprietary Extended Ring Redundancy

Im Netzwerk finden Sie viele Materialien zum RSTP-Protokoll. In diesem Artikel schlage ich vor, das RSTP-Protokoll mit dem proprietären Protokoll von Phoenix Contact - Extended Ring Redundancy zu vergleichen.

Details zur RSTP-Implementierung

Allgemeine Informationen

Konvergenzzeit - 1-10 s
Mögliche Topologien - beliebige

Es wird allgemein angenommen, dass Sie mit RSTP Schalter nur in einem Ring kombinieren können:


Mit RSTP können Sie Switches jedoch beliebig anschließen. Beispielsweise kann RSTP diese Topologie verarbeiten.



Funktionsprinzip

RSTP reduziert jede Topologie auf einen Baum. Einer der Switches wird zum Zentrum der Topologie - der Root-Switch. Der Root-Switch leitet die meisten Daten über sich selbst weiter.

Das Funktionsprinzip von RSTP ist wie folgt:

1. Die Schalter werden mit Strom versorgt.
2. der Root-Schalter ist ausgewählt;
3. andere Switches bestimmen den schnellsten Pfad zum Root-Switch.
4. Die restlichen Kanäle sind blockiert und werden redundant.

Root-Switch auswählen

RSTP-Switches tauschen BPDU-Pakete aus. BPDU ist ein Servicepaket, das RSTP-Informationen enthält. Es gibt zwei Arten von BPDUs:

• Konfiguration BPDU.
• Benachrichtigung über Topologieänderungen.

Konfiguration BPDU wird zum Erstellen der Topologie verwendet. Nur der Root-Switch sendet es. Konfiguration BPDU enthält:

• Absender-ID (Bridge-ID);
• Root Bridge ID
• Kennung des Ports, von dem das Paket gesendet wurde (Port-ID);
• die Kosten für die Route zum Root-Switch (Root Path Cost).

Die Benachrichtigung über Topologieänderungen kann von jedem Switch gesendet werden. Sie werden gesendet, wenn sich die Topologie ändert.

Nach dem Einschalten betrachten sich alle Schalter als root. Sie beginnen, BPDU-Pakete zu übertragen. Sobald der Switch eine BPDU mit einer kleineren Bridge-ID als seiner eigenen empfängt, betrachtet er sich nicht mehr als Root.

Die Bridge-ID besteht aus zwei Werten - MAC-Adresse und Bridge-Priorität. Wir können die MAC-Adresse nicht ändern. Die Bridge-Priorität ist standardmäßig 32768. Wenn Sie die Bridge-Priorität nicht ändern, wird der Switch mit der niedrigsten MAC-Adresse zum Root. Der Switch mit der niedrigsten MAC-Adresse ist der älteste und möglicherweise nicht der produktivste. Es wird empfohlen, den Topologie-Root-Switch manuell zu bestimmen. Dazu müssen Sie eine kleine Bridge-Priorität auf dem Root-Switch konfigurieren (z. B. 0). Sie können einen Backup-Root-Switch auch definieren, indem Sie ihm eine etwas größere Bridge-Priorität zuweisen (z. B. 4096).


Auswählen eines Pfads zum Root-Switch

Der Root-Switch sendet BPDU-Pakete an alle aktiven Ports. BPDU hat ein Feld Pfadkosten. Pfadkosten bezeichnet die Kosten des Pfades. Je höher die Kosten des Pfades sind, desto länger wird das Paket darüber übertragen. Wenn die BPDU den Port passiert, werden die Kosten dem Feld Pfadkosten hinzugefügt. Die hinzugefügte Nummer heißt Port Cost.



Fügt den Pfadkosten einen bestimmten Wert hinzu, wenn eine BPDU einen Port durchläuft. Der hinzugefügte Wert wird als Portkosten bezeichnet und kann entweder manuell oder automatisch ermittelt werden. Die Portkosten können sowohl manuell als auch automatisch ermittelt werden.

Wenn ein Nicht-Root-Switch mehrere alternative Pfade zum Root hat, wählt er den schnellsten. Er vergleicht die Pfadkosten dieser Pfade. Der Port, von dem die BPDU mit den niedrigsten Pfadkosten kam, wird zum Root (Root-Port).







Die Kosten für die automatisch zugewiesenen Ports finden Sie in der Tabelle:

Portrollen und -status

Switch-Ports haben mehrere Status und Portrollen.

Portstatus (für STP):

• Deaktiviert - Inaktiv.
• Blockieren - Hört BPDU ab, sendet aber nicht. Überträgt keine Daten.
• Zuhören - hört zu und überträgt BPDU. Überträgt keine Daten.
• Lernen - hört zu und überträgt BPDU. Bereitet die Datenübertragung vor - füllt die MAC-Adresstabelle aus.
• Weiterleitung - überträgt Daten, hört zu und überträgt BPDU.

Die STP-Konvergenzzeit beträgt 30-50 Sekunden. Nach dem Einschalten durchlaufen alle Ports alle Status. In jedem Status beträgt der Port einige Sekunden. Aufgrund dieses Funktionsprinzips hat STP eine so lange Konvergenzzeit. RSTP hat weniger Portstatus.

Portstatus (für RSTP):

• Verwerfen - Inaktiv.
• Verwerfen - Hört BPDU ab, sendet aber nicht. Überträgt keine Daten.
• Verwerfen - hört zu und überträgt BPDU. Überträgt keine Daten.
• Lernen - hört zu und überträgt BPDU. Bereitet die Datenübertragung vor - füllt die MAC-Adresstabelle aus.
• Weiterleitung - überträgt Daten, hört zu und überträgt BPDU.
• In RSTP werden die Status Deaktiviert, Blockieren und Abhören zu einem Status zusammengefasst - Verwerfen.

Port Rollen:

• Root-Port - Port, über den Daten übertragen werden. Es dient als schnellster Weg zum Root-Switch.
• Bezeichneter Port - Port, über den Daten übertragen werden. Für jedes LAN-Segment definiert.
• Alternativer Port - Port, über den keine Daten übertragen werden. Dies ist ein alternativer Pfad zum Root-Switch.
• Sicherungsport - Port, über den keine Daten übertragen werden. Dies ist der Sicherungspfad für ein Segment, in dem bereits ein Port mit RSTP-Unterstützung verbunden ist. Der Backup-Port wird verwendet, wenn zwei Kanäle des Switches mit demselben Segment verbunden sind (lesen Sie den Hub).
• Deaktivierter Port - RSTP ist an diesem Port deaktiviert.

Die Auswahl des Root-Ports ist oben beschrieben. Wie wird der designierte Port ausgewählt?

Definieren wir zunächst, was ein LAN-Segment ist. Das LAN-Segment ist eine Kollisionsdomäne. Für einen Switch oder Router bildet jeder Port eine separate Kollisionsdomäne. LAN-Segment - ein Kanal zwischen Switches oder Routern. Wenn wir über den Hub sprechen, befinden sich alle Ports des Hubs in derselben Kollisionsdomäne.

Einem Segment ist nur ein Designated Port zugeordnet.

Bei Segmenten, in denen bereits Root-Ports vorhanden sind, ist alles klar. Der zweite Port des Segments wird zum Designated Port.



Es gibt jedoch Sicherungskanäle, in denen es einen designierten Port und einen alternativen Port gibt. Wie werden sie ausgewählt? Der designierte Port wird zum Port mit den geringsten Pfadkosten zum Root-Switch. Wenn die Pfadkosten gleich sind, ist der designierte Port der Port, der sich auf dem Switch mit der niedrigsten Bridge-ID befindet. Wenn die Bridge-ID gleich ist, wird der designierte Port zum Port mit der niedrigsten Nummer. Der zweite Port ist Alternate.





Der letzte Moment bleibt: Wann wird die Sicherungsrolle dem Port zugewiesen? Wie bereits oben erwähnt, wird der Sicherungsport nur verwendet, wenn zwei Kanäle des Switches mit einem Segment verbunden sind, dh mit dem Hub. In diesem Fall wird der designierte Port genau nach denselben Kriterien ausgewählt:

• Geringste Pfadkosten zum Root-Switch.
• Am wenigsten Brücken-ID.
• Am wenigsten Port ID.

Maximale Anzahl von Geräten im Netzwerk

Der IEEE 802.1D-Standard stellt keine strengen Anforderungen an die Anzahl der Geräte in einem LAN mit RSTP. Der Standard empfiehlt jedoch, nicht mehr als 7 Switches in einem Zweig zu verwenden (nicht mehr als 7 Hop), d. H. nicht mehr als 15 im Ring. Wenn dieser Wert überschritten wird, beginnt sich die Netzwerkkonvergenzzeit zu erhöhen.

Details zur Implementierung von ERR.

Allgemeine Informationen

Konvergenzzeit

ERR-Konvergenzzeit - 15 ms. Mit der maximalen Anzahl von Schaltern im Ring und dem Vorhandensein von Paarungsringen - 18 ms.

Mögliche Topologien

Mit ERR können Geräte nicht frei als RSTP kombiniert werden. ERR verfügt über klare Topologien, die Sie verwenden können:

• Ring
• Doppelter Ring
• Koppeln Sie bis zu drei Ringe

Ring



Wenn alle Switches in ERR in einem Ring zusammengefasst sind, müssen auf jedem Switch die Ports konfiguriert werden, die am Ringaufbau teilnehmen.

Doppelring


Schalter können zu einem Doppelring kombiniert werden, was die Zuverlässigkeit des Rings erheblich erhöht.

Doppelring-Einschränkungen:

• Ein Doppelring kann nicht zum Koppeln von Schaltern mit anderen Ringen verwendet werden. Verwenden Sie dazu die Ringkupplung.
• Ein Doppelring kann nicht für einen Paarungsring verwendet werden.

Paarungsringe



Beim Pairing im Netzwerk dürfen nicht mehr als 200 Geräte vorhanden sein.

Das Koppeln von Ringen bedeutet, dass die verbleibenden Ringe zu einem anderen Ring kombiniert werden.

Wenn der Ring über einen Schalter mit dem Paarungsring verbunden ist, wird dies als Paarung der Ringe über einen Schalter bezeichnet . Wenn zwei Schalter vom lokalen Ring mit dem Pairing-Ring verbunden sind, erfolgt dies über zwei Switches .

Beim Pairing über einen Switch am Gerät sind beide Ports aktiviert. Die Konvergenzzeit beträgt in diesem Fall ungefähr 15-17 ms. Bei dieser Kopplung ist der Kopplungsschalter ein Fehlerpunkt, weil Wenn dieser Schalter verloren geht, geht der gesamte Ring sofort verloren. Das Koppeln über zwei Schalter vermeidet dies.





Es ist möglich, doppelte Ringe abzugleichen.



Pfadkontrolle


Mit der Pfadsteuerungsfunktion können Sie die Ports konfigurieren, über die Daten im normalen Betrieb übertragen werden. Wenn der Kanal ausfällt und das Netzwerk auf die Sicherungstopologie zurückgesetzt wird, wird das Netzwerk nach der Wiederherstellung des Kanals wieder auf die angegebene Topologie zurückgesetzt.

Diese Funktion spart redundantes Kabel. Darüber hinaus ist die für die Fehlerbehebung verwendete Topologie immer bekannt.

Die Haupttopologie wechselt in 15 ms zur Sicherung. Das Rückwärtsschalten während der Netzwerkwiederherstellung dauert ca. 30 ms.

Einschränkungen:

• Kann nicht mit Dual Ring verwendet werden.
• Die Funktion muss auf allen Switches im Netzwerk aktiviert sein.
• Einer der Schalter ist als Pfadsteuerungsassistent konfiguriert.
• Der automatische Übergang zur Haupttopologie nach der Wiederherstellung erfolgt standardmäßig nach 1 Sekunde (dieser Parameter kann mit SNMP im Bereich von 0 s bis 99 s geändert werden).

Funktionsprinzip



ERR-Arbeitsprinzip

Betrachten Sie zum Beispiel sechs Schalter - 1-6. Die Schalter klingeln zusammen. Jeder Switch verwendet zwei Ports, um eine Verbindung zum Ring herzustellen, und speichert deren Status. Schaltet den Vorwärtsportstatus aufeinander um. Diese Gerätedaten werden verwendet, um den Anfangszustand der Ports festzulegen.


Ports haben nur zwei Rollen - Blockiert und Weiterleitung .

Der Switch mit der höchsten MAC-Adresse blockiert den Port. Alle anderen Ports im Ring übertragen Daten.

Wenn der blockierte Port nicht mehr funktioniert, wird der nächste Port mit der größten MAC-Adresse blockiert.

Nach dem Booten senden die Switches die Ring Protocol Data Unit (R-PDU). Die R-PDU wird über Multicast übertragen. Die R-PDU ist eine Dienstnachricht, wie die BPDUs in RSTP. Die R-PDU enthält den Portstatus des Switches und seine MAC-Adresse.

Kanalfehleralgorithmus
Wenn eine Verbindung ausfällt, senden die Switches eine R-PDU, um sie über Änderungen des Portstatus zu informieren.

Kanalwiederherstellungsalgorithmus
Wenn ein ausgefallener Kanal in Betrieb genommen wird, senden die Switches eine R-PDU, um sie über eine Änderung des Portstatus zu informieren.

Der Switch mit der höchsten MAC-Adresse wird zum neuen Root-Switch.

Ein ausgefallener Kanal wird zu einem Backup.











Nach der Wiederherstellung bleibt einer der Kanalports blockiert, und der zweite wird in den Weiterleitungsstatus versetzt. Ein blockierter Port wird zum Port mit der höchsten Geschwindigkeit. Wenn die Geschwindigkeiten gleich sind, wird der Switch-Port mit der höchsten MAC-Adresse blockiert. Mit diesem Prinzip können Sie einen Port blockieren, der mit maximaler Geschwindigkeit von blockiert zu Weiterleitung wechselt.



Maximale Anzahl von Geräten im Netzwerk

Die maximale Anzahl von Schaltern in einem ERR-Ring beträgt 200.

Interoperabilität von ERR und RSTP

RSTP kann in Kombination mit ERR verwendet werden. Der RSTP-Ring und der ERR-Ring dürfen sich jedoch nur durch einen Schalter kreuzen.



Zusammenfassung

ERR eignet sich hervorragend zum Organisieren typischer Topologien. Zum Beispiel ein Ring oder ein duplizierter Ring.





Ähnliche Topologien werden häufig für Redundanz in Industrieanlagen verwendet.

Darüber hinaus kann mit Hilfe von ERR die zweite Topologie weniger zuverlässig, aber kostengünstiger implementiert werden. Dies kann mit einem doppelten Ring erfolgen.



Es ist jedoch nicht immer möglich, ERR anzuwenden. Es gibt ziemlich exotische Schemata. Mit einem unserer Kunden haben wir die folgende Topologie getestet.



In diesem Fall kann ERR nicht angewendet werden. Für ein solches Schema haben wir RSTP verwendet. Der Kunde hatte eine strikte Konvergenzzeit von weniger als 3 s. Um diese Zeit zu erreichen, mussten die Root-Switches (Primär- und Backup-Switches) sowie die Kosten für Ports im manuellen Modus eindeutig identifiziert werden.

Infolgedessen gewinnt ERR spürbar an Konvergenzzeit, bietet jedoch nicht die Flexibilität, die RSTP bietet.