Giao thức Spanning Tree, đôi khi chỉ được gọi là Spanning Tree, là Waze hoặc MapQuest của mạng Ethernet hiện đại, điều hướng lưu lượng truy cập dọc theo tuyến đường hiệu quả nhất dựa trên điều kiện thời gian thực.
Dựa trên thuật toán do nhà khoa học máy tính người Mỹ Radia Perlman tạo ra khi cô đang làm việc cho Digital Equipment Corporation (DEC) vào năm 1985, mục đích chính của Spanning Tree là ngăn chặn các liên kết dư thừa và sự lặp lại của các đường truyền thông trong các cấu hình mạng phức tạp. Là một chức năng phụ, Spanning Tree có thể định tuyến các gói xung quanh các điểm gặp sự cố để đảm bảo rằng thông tin liên lạc có thể truyền qua các mạng có thể bị gián đoạn.
Cấu trúc liên kết cây kéo dài so với cấu trúc liên kết vòng
Khi các tổ chức mới bắt đầu nối mạng máy tính của họ vào những năm 1980, một trong những cấu hình phổ biến nhất là mạng vòng. Ví dụ, IBM đã giới thiệu công nghệ Token Ring độc quyền của mình vào năm 1985.
Trong cấu trúc liên kết mạng vòng, mỗi nút kết nối với hai nút khác, một nút nằm phía trước nó trên vòng và một nút nằm phía sau nó. Tín hiệu chỉ truyền xung quanh vòng theo một hướng duy nhất, với mỗi nút trên đường đi sẽ chuyển bất kỳ và tất cả các gói đi vòng quanh vòng.
Mặc dù các mạng vòng đơn giản hoạt động tốt khi chỉ có một số ít máy tính, nhưng các mạng vòng sẽ trở nên kém hiệu quả khi có hàng trăm hoặc hàng nghìn thiết bị được thêm vào mạng. Một máy tính có thể cần gửi các gói qua hàng trăm nút chỉ để chia sẻ thông tin với một hệ thống khác trong phòng liền kề. Băng thông và thông lượng cũng trở thành một vấn đề khi lưu lượng truy cập chỉ có thể chảy theo một hướng, không có kế hoạch dự phòng nếu một nút trên đường đi bị hỏng hoặc tắc nghẽn quá mức.
Vào những năm 90, khi Ethernet ngày càng nhanh hơn (100Mbit/giây. Fast Ethernet được giới thiệu vào năm 1995) và chi phí của mạng Ethernet (cầu nối, bộ chuyển mạch, cáp) trở nên rẻ hơn đáng kể so với Token Ring, Spanning Tree đã giành chiến thắng trong cuộc chiến cấu trúc liên kết mạng LAN và Token Chiếc nhẫn nhanh chóng biến mất.
Cây Spanning hoạt động như thế nào
Spanning Tree là một giao thức chuyển tiếp cho các gói dữ liệu. Đó là một phần là cảnh sát giao thông và một phần là kỹ sư xây dựng mạng lưới đường cao tốc mà dữ liệu di chuyển qua. Nó nằm ở Lớp 2 (lớp liên kết dữ liệu), vì vậy nó chỉ quan tâm đến việc di chuyển các gói đến đích thích hợp chứ không phải loại gói nào được gửi hoặc dữ liệu chứa trong đó.
Spanning Tree đã trở nên phổ biến đến mức việc sử dụng nó được xác định trongChuẩn mạng IEEE 802.1D. Như được định nghĩa trong tiêu chuẩn, chỉ có thể tồn tại một đường dẫn hoạt động giữa hai điểm cuối hoặc trạm bất kỳ để chúng hoạt động bình thường.
Spanning Tree được thiết kế để loại bỏ khả năng dữ liệu truyền giữa các phân đoạn mạng sẽ bị kẹt trong một vòng lặp. Nói chung, các vòng lặp nhầm lẫn thuật toán chuyển tiếp được cài đặt trong các thiết bị mạng, khiến thiết bị không còn biết nơi gửi gói tin nữa. Điều này có thể dẫn đến việc trùng lặp các khung hoặc chuyển tiếp các gói trùng lặp tới nhiều đích. Tin nhắn có thể được lặp đi lặp lại. Thông tin liên lạc có thể bị trả lại cho người gửi. Nó thậm chí có thể làm sập mạng nếu có quá nhiều vòng lặp bắt đầu xảy ra, ngốn hết băng thông mà không mang lại bất kỳ lợi ích đáng kể nào trong khi chặn các lưu lượng truy cập không vòng lặp khác đi qua.
Giao thức cây kéo dàingăn chặn các vòng lặp hình thànhbằng cách đóng tất cả ngoại trừ một đường dẫn có thể có cho mỗi gói dữ liệu. Các công tắc trên mạng sử dụng Spanning Tree để xác định các đường dẫn gốc và cầu nối nơi dữ liệu có thể di chuyển, đồng thời đóng các đường dẫn trùng lặp về mặt chức năng, khiến chúng không hoạt động và không sử dụng được khi có đường dẫn chính.
Kết quả là truyền thông mạng diễn ra liền mạch bất kể mạng trở nên phức tạp hay rộng lớn như thế nào. Theo một cách nào đó, Spanning Tree tạo ra các đường dẫn duy nhất xuyên qua mạng để dữ liệu di chuyển bằng phần mềm giống như cách mà các kỹ sư mạng đã thực hiện bằng cách sử dụng phần cứng trên các mạng vòng lặp cũ.
Lợi ích bổ sung của Spanning Tree
Lý do chính khiến Spanning Tree được sử dụng là để loại bỏ khả năng lặp lại định tuyến trong mạng. Nhưng cũng có những lợi thế khác.
Vì Spanning Tree liên tục tìm kiếm và xác định những đường dẫn mạng nào có sẵn để các gói dữ liệu đi qua nên nó có thể phát hiện xem nút nằm dọc theo một trong những đường dẫn chính đó có bị vô hiệu hóa hay không. Điều này có thể xảy ra vì nhiều lý do, từ lỗi phần cứng đến cấu hình mạng mới. Nó thậm chí có thể là tình huống tạm thời dựa trên băng thông hoặc các yếu tố khác.
Khi Spanning Tree phát hiện một đường dẫn chính không còn hoạt động, nó có thể nhanh chóng mở một đường dẫn khác đã bị đóng trước đó. Sau đó, nó có thể gửi dữ liệu xung quanh điểm gặp sự cố, cuối cùng chỉ định đường vòng là đường dẫn chính mới hoặc gửi các gói trở lại cầu ban đầu nếu nó có sẵn trở lại.
Mặc dù Cây kéo dài ban đầu tương đối nhanh chóng trong việc tạo ra những kết nối mới khi cần thiết, nhưng vào năm 2001, IEEE đã giới thiệu Giao thức Cây kéo dài nhanh (RSTP). Còn được gọi là phiên bản 802.1w của giao thức, RSTP được thiết kế để cung cấp khả năng phục hồi nhanh hơn đáng kể nhằm đáp ứng các thay đổi của mạng, ngừng hoạt động tạm thời hoặc lỗi hoàn toàn của các thành phần.
Và trong khi RSTP giới thiệu các hành vi hội tụ đường dẫn mới và vai trò cổng cầu nối để tăng tốc quá trình, nó cũng được thiết kế để tương thích ngược hoàn toàn với Spanning Tree ban đầu. Vì vậy, các thiết bị có cả hai phiên bản giao thức có thể hoạt động cùng nhau trên cùng một mạng.
Những hạn chế của Spanning Tree
Trong khi Spanning Tree đã trở nên phổ biến trong nhiều năm sau khi nó được giới thiệu, vẫn có những người cho rằng nóthời gian đã đến. Lỗi lớn nhất của Spanning Tree là nó đóng các vòng lặp tiềm năng trong mạng bằng cách tắt các đường dẫn tiềm năng nơi dữ liệu có thể di chuyển. Trong bất kỳ mạng cụ thể nào sử dụng Spanning Tree, khoảng 40% đường dẫn mạng tiềm năng được đóng đối với dữ liệu.
Trong các môi trường mạng cực kỳ phức tạp, chẳng hạn như các môi trường trong trung tâm dữ liệu, khả năng mở rộng quy mô nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu là rất quan trọng. Nếu không có những hạn chế do Spanning Tree áp đặt, các trung tâm dữ liệu có thể mở ra nhiều băng thông hơn mà không cần thêm phần cứng mạng. Đây quả là một tình huống trớ trêu, bởi vì môi trường mạng phức tạp chính là lý do khiến Spanning Tree được tạo ra. Và giờ đây, sự bảo vệ được cung cấp bởi giao thức chống lại vòng lặp, theo một cách nào đó, đang ngăn cản những môi trường đó phát huy hết tiềm năng của chúng.
Một phiên bản cải tiến của giao thức có tên là Cây kéo dài đa phiên bản (MSTP) đã được phát triển để sử dụng mạng LAN ảo và cho phép mở nhiều đường dẫn mạng hơn cùng lúc, đồng thời vẫn ngăn hình thành vòng lặp. Nhưng ngay cả với MSTP, khá nhiều đường dẫn dữ liệu tiềm năng vẫn bị đóng trên bất kỳ mạng cụ thể nào sử dụng giao thức này.
Đã có nhiều nỗ lực độc lập, không chuẩn hóa nhằm cải thiện các hạn chế về băng thông của Spanning Tree trong nhiều năm qua. Mặc dù các nhà thiết kế của một số trong số họ đã tuyên bố thành công trong nỗ lực của mình, nhưng hầu hết đều không hoàn toàn tương thích với giao thức cốt lõi, nghĩa là các tổ chức cần áp dụng những thay đổi không được tiêu chuẩn hóa trên tất cả các thiết bị của họ hoặc tìm cách nào đó để cho phép chúng tồn tại với switch chạy Spanning Tree tiêu chuẩn. Trong hầu hết các trường hợp, chi phí duy trì và hỗ trợ nhiều phiên bản của Spanning Tree không đáng để bỏ ra.
Cây Spanning sẽ tiếp tục trong tương lai?
Ngoài những hạn chế về băng thông do Spanning Tree đóng đường dẫn mạng, không có nhiều suy nghĩ hoặc nỗ lực để thay thế giao thức. Mặc dù IEEE thỉnh thoảng phát hành các bản cập nhật để thử và làm cho nó hiệu quả hơn nhưng chúng luôn tương thích ngược với các phiên bản hiện có của giao thức.
Ở một khía cạnh nào đó, Spanning Tree tuân theo quy tắc “Nếu nó không bị hỏng thì đừng sửa nó”. Spanning Tree chạy độc lập trong nền của hầu hết các mạng để duy trì lưu lượng truy cập, ngăn hình thành các vòng lặp gây ra sự cố và định tuyến lưu lượng xung quanh các điểm rắc rối để người dùng cuối thậm chí không bao giờ biết liệu mạng của họ có bị gián đoạn tạm thời như một phần của hoạt động hàng ngày hay không. hoạt động trong ngày. Trong khi đó, ở phần phụ trợ, quản trị viên có thể thêm thiết bị mới vào mạng của mình mà không cần suy nghĩ quá nhiều về việc liệu chúng có thể liên lạc với phần còn lại của mạng hoặc thế giới bên ngoài hay không.
Vì tất cả những điều đó, có khả năng Spanning Tree sẽ vẫn được sử dụng trong nhiều năm tới. Đôi khi có thể có một số cập nhật nhỏ, nhưng Giao thức cây kéo dài cốt lõi và tất cả các tính năng quan trọng mà nó thực hiện có lẽ vẫn còn ở đây.
Thời gian đăng: Nov-07-2023
