Detalhes de implementação para RSTP e redundância de anel estendida proprietária

Na rede, você pode encontrar muitos materiais sobre o protocolo RSTP. Neste artigo, proponho comparar o protocolo RSTP com o protocolo proprietário da Phoenix Contact - Extended Ring Redundancy.

Detalhes da implementação do RSTP

Informação geral

Tempo de convergência - 1-10 s
Topologias possíveis - qualquer

Acredita-se que o RSTP permita combinar switches apenas em um anel:


Mas o RSTP permite conectar comutadores arbitrariamente. Por exemplo, o RSTP pode manipular essa topologia.



Princípio de operação

O RSTP reduz qualquer topologia para uma árvore. Uma das opções se torna o centro da topologia - a opção raiz. O comutador raiz passa a maioria dos dados por si próprio.

O princípio de operação do RSTP é o seguinte:

1. energia é fornecida aos comutadores;
2. a opção raiz está selecionada;
3. outros switches determinam o caminho mais rápido para o switch raiz;
4. os canais restantes são bloqueados e se tornam redundantes.

Escolhendo uma opção raiz

Switches RSTP trocam pacotes BPDU. BPDU é um pacote de serviços que contém informações de RSTP. Os BPDUs vêm em dois tipos:

• Configuração BPDU.
• Notificação de alteração de topologia.

O BPDU de configuração é usado para construir a topologia. Somente o comutador raiz envia. A configuração BPDU contém:

• ID do remetente (ID da ponte);
• ID da ponte raiz
• identificador da porta da qual o pacote foi enviado (ID da porta);
• o custo da rota para o switch raiz (custo do caminho raiz).

A notificação de alteração de topologia pode ser enviada por qualquer opção. Eles são enviados quando a topologia é alterada.

Após a ativação, todos os comutadores se consideram raiz. Eles começam a transmitir pacotes BPDU. Assim que o switch recebe um BPDU com um Bridge ID menor que o seu, ele deixa de se considerar raiz.

O ID da ponte consiste em dois valores - endereço MAC e prioridade da ponte. Não podemos mudar o endereço MAC. A prioridade da ponte é 32768 por padrão.Se você não alterar a prioridade da ponte, o switch com o endereço MAC mais baixo se tornará a raiz. O switch com o endereço MAC mais baixo é o mais antigo e talvez não o mais produtivo. É recomendável que você determine manualmente a opção de raiz da topologia. Para fazer isso, você precisa configurar uma pequena prioridade de ponte no comutador raiz (por exemplo, 0). Você também pode definir um comutador raiz de backup, atribuindo a ele uma prioridade de ponte um pouco maior (por exemplo, 4096).


Escolhendo um caminho para o comutador raiz

O switch raiz envia pacotes BPDU para todas as portas ativas. BPDU tem um campo Custo de caminho. Custo do caminho significa o custo do caminho. Quanto maior o custo do caminho, mais tempo o pacote é transmitido por ele. Quando o BPDU passa pela porta, o custo é adicionado ao campo Custo do Caminho. O número adicionado é chamado Custo da porta.



Adiciona um valor específico ao Custo do caminho quando um BPDU passa por uma porta. O valor adicionado é chamado de Custo da porta e pode ser determinado manual ou automaticamente. O custo da porta pode ser determinado manualmente e automaticamente.

Quando um comutador não raiz possui vários caminhos alternativos para a raiz, escolhe o mais rápido. Ele compara o custo do caminho desses caminhos. A porta da qual o BPDU veio com o menor custo de caminho se torna a raiz (porta raiz).







O custo das portas atribuídas automaticamente pode ser encontrado na tabela:

Funções e status da porta

As portas do switch têm vários status e funções de porta.

Status da porta (para STP):

• Desativado - Inativo.
• Bloqueio - ouve BPDU, mas não transmite. Não transmite dados.
• Escutando - escuta e transmite BPDU. Não transmite dados.
• Aprendizagem - ouve e transmite BPDU. Prepara para transferência de dados - preenche a tabela de endereços MAC.
• Encaminhamento - transmite dados, escuta e transmite BPDU.

O tempo de convergência do STP é de 30 a 50 segundos. Depois que o switch é ligado, todas as portas passam por todos os status. Em cada status, a porta é de alguns segundos. Devido a este princípio operacional, o STP possui um tempo de convergência tão longo. O RSTP possui menos status de porta.

Status da porta (para RSTP):

• Descartando - Inativo.
• Descartando - ouve BPDU, mas não transmite. Não transmite dados.
• Descartar - ouve e transmite BPDU. Não transmite dados.
• Aprendizagem - ouve e transmite BPDU. Prepara para transferência de dados - preenche a tabela de endereços MAC.
• Encaminhamento - transmite dados, escuta e transmite BPDU.
• No RSTP, os status Desativado, Bloqueio e Escuta são combinados em um - Descartando.

Funções da porta:

• Porta raiz - porta pela qual os dados são transmitidos. Serve como o caminho mais rápido para o switch raiz.
• Porta designada - porta pela qual os dados são transmitidos. Definido para cada segmento da LAN.
• Porta alternativa - porta pela qual os dados não são transmitidos. É um caminho alternativo para o comutador raiz.
• Porta de backup - porta pela qual os dados não são transmitidos. É o caminho de backup para um segmento em que uma porta com suporte ao RSTP já está conectada. A porta de backup é usada se dois canais do switch estiverem conectados ao mesmo segmento (leia o hub).
• Porta desativada - o RSTP está desativado nesta porta.

A seleção da porta raiz é descrita acima. Como a porta designada é selecionada?

Primeiro de tudo, vamos definir o que é um segmento de LAN. O segmento da LAN é um domínio de colisão. Para um switch ou roteador, cada porta forma um domínio de colisão separado. Segmento de LAN - um canal entre comutadores ou roteadores. Se falarmos sobre o hub, todas as portas do hub estarão no mesmo domínio de colisão.

Somente uma porta designada é atribuída a um segmento.

No caso de segmentos onde já existem portas raiz, tudo está claro. A segunda porta do segmento se torna Porta Designada.



Mas existem canais de backup nos quais haverá uma porta designada e uma porta alternativa. Como eles serão escolhidos? A Porta Designada se tornará a porta com o menor Custo de Caminho para o comutador raiz. Se os custos do caminho forem iguais, a porta designada será a porta que reside no comutador com o ID da ponte mais baixo. Se o ID da ponte for igual, a Porta designada se tornará a porta com o número mais baixo. A segunda porta será alternativa.





O último momento permanece: quando a função de backup é atribuída à porta? Como já mencionado acima, a porta de backup é usada apenas quando dois canais do switch estão conectados a um segmento, ou seja, ao hub. Nesse caso, a porta designada é selecionada exatamente de acordo com o mesmo critério:

• Custo do menor caminho para o comutador raiz.
• ID da menor ponte.
• ID da porta menos.

Número máximo de dispositivos na rede

O padrão IEEE 802.1D não impõe requisitos estritos ao número de dispositivos em uma LAN com RSTP. Mas o padrão recomenda o uso de não mais que 7 switches em uma ramificação (não mais que 7 saltos), ou seja, não mais que 15 no ringue. Se esse valor for excedido, o tempo de convergência da rede começa a aumentar.

Detalhes da implementação do ERR.

Informação geral

Tempo de convergência

Tempo de convergência do ERR - 15 ms. Com o número máximo de interruptores no anel e a presença de anéis de emparelhamento - 18 ms.

Topologias possíveis

O ERR não permite que os dispositivos sejam combinados livremente como RSTP. O ERR possui topologias claras que você pode usar:

• Ring
• Anel duplicado
• Emparelhe até três anéis

Ring



Quando todos os comutadores estão unidos em um anel no ERR, em cada comutador é necessário configurar as portas que participarão da construção do anel.

Anel duplo


Os interruptores podem ser combinados em um anel duplo, o que aumenta muito a confiabilidade do anel.

Limitações de anel duplo:

• Um anel duplo não pode ser usado para emparelhar interruptores com outros anéis. Para fazer isso, use o acoplamento de anel.
• Um anel duplo não pode ser usado para um anel de emparelhamento.

Anéis de emparelhamento



Quando o emparelhamento na rede pode ter no máximo 200 dispositivos.

O emparelhamento de anéis implica combinar os demais anéis em outro anel.

Se o anel estiver conectado ao anel de emparelhamento por meio de um comutador, isso será chamado emparelhamento dos anéis por um comutador . Se dois comutadores do anel local estiverem conectados ao anel de emparelhamento, isso será feito através de dois comutadores .

Ao parear através de um switch no dispositivo, ambas as portas estão ativadas. O tempo de convergência neste caso será de aproximadamente 15 a 17 ms. Com esse emparelhamento, a chave de emparelhamento será um ponto de falha, porque tendo perdido essa chave, todo o anel é perdido imediatamente. O emparelhamento através de dois switches evita isso.





É possível combinar toques duplicados.



Controle de caminho


A função Path Control permite configurar as portas pelas quais os dados serão transmitidos em operação normal. Se o canal falhar e a rede for reconstruída para a topologia de backup, após a restauração do canal, a rede será reconstruída novamente para a topologia especificada.

Esse recurso economiza em cabos redundantes. Além disso, a topologia usada para solucionar problemas sempre será conhecida.

A topologia principal alterna para backup em 15 ms. A comutação reversa durante a recuperação da rede leva cerca de 30 ms.

Limitações:

• Não pode ser usado com anel duplo.
• A função deve estar ativada em todos os comutadores da rede.
• Um dos comutadores está configurado como um assistente de controle de caminho.
• A transição automática para a topologia principal após a recuperação é executada após 1 segundo por padrão (esse parâmetro pode ser alterado usando SNMP no intervalo de 0 a 99 s).

Princípio de operação



Princípio de funcionamento do ERR

Por exemplo, considere seis opções - 1-6. Os interruptores estão juntos. Cada switch usa duas portas para conectar-se ao anel e armazena seus status. Alterna os status da porta para o outro. Esses dados do dispositivo são usados ​​para definir o estado inicial das portas.


As portas têm apenas duas funções - Bloqueado e Encaminhamento .

O switch com o endereço MAC mais alto bloqueia a porta. Todas as outras portas no anel transmitem dados.

Se a porta bloqueada parar de funcionar, a próxima porta com o maior endereço MAC ficará bloqueada.

Após a inicialização, os comutadores começam a enviar a Ring Protocol Data Unit (R-PDU). A R-PDU é transmitida usando multicast. O R-PDU é uma mensagem de serviço, como os BPDUs no RSTP. A R-PDU contém os status da porta do switch e seu endereço MAC.

Algoritmo de falha de canal
Quando um link falha, os comutadores enviam uma R-PDU para notificá-los sobre alterações no status da porta.

Algoritmo de recuperação de canal
Quando um canal com falha é colocado em operação, os comutadores enviam uma R-PDU para notificá-los sobre uma alteração no status da porta.

O switch com o endereço MAC mais alto se torna o novo switch raiz.

Um canal com falha se torna um backup.











Após a recuperação, uma das portas do canal permanece bloqueada e a segunda é colocada no estado de encaminhamento. Uma porta bloqueada se torna a porta com a velocidade mais alta. Se as velocidades forem iguais, a porta do switch com o endereço MAC mais alto será bloqueada. Esse princípio permite bloquear uma porta que passa de bloqueada para encaminhar na velocidade máxima.



Número máximo de dispositivos na rede

O número máximo de comutadores em um anel de ERR é 200.

Interoperabilidade de ERR e RSTP

O RSTP pode ser usado em combinação com o ERR. Mas o anel RSTP e o anel ERR devem atravessar apenas através de um comutador.



Sumário

O ERR é ótimo para organizar topologias típicas. Por exemplo, um anel ou um anel duplicado.





Topologias semelhantes são frequentemente usadas para redundância em instalações industriais.

Além disso, com a ajuda do ERR, a segunda topologia pode ser implementada com menos confiabilidade, mas com mais orçamento. Isso pode ser feito usando um anel duplicado.



Mas nem sempre é possível aplicar ERR. Existem esquemas bastante exóticos. Com um de nossos clientes, testamos a topologia a seguir.



Nesse caso, não é possível aplicar ERR. Para esse esquema, usamos o RSTP. O cliente tinha um requisito estrito de tempo de convergência inferior a 3 s. Para alcançar esse tempo, foi necessário identificar claramente os comutadores raiz (primário e de backup), bem como o custo das portas no modo manual.

Como resultado, o ERR vence visivelmente no tempo de convergência, mas não fornece a flexibilidade que o RSTP fornece.