STP - Spanning Tree Protocol

การเกิด Loop ในระบบเครือข่ายนั้นเป็นปัญหาร้ายแรงอย่างมาก เพราะจะทำให้การรับส่งข้อมูลนั้นมีปัญหาและทำให้ระบบไม่สามารถสื่อสารกันได้ดังนั้นในการติดตั้งระบบเครือข่าย ผู้ติดตั้งระบบจำเป็นต้องมีทักษะและวิธีการรับแก้ไขปัญหาการเกิด Loop ในระบบเครือข่ายนี้ และวิธีที่นิยมใช้ในการแก้ไขปัญหานี้ก็คือการทำ Spanning Tree ในระบบเครือข่าย ฉะนั้นในบทความนี้เราจะพามารู้จักกับการทำงานของ Spanning Tree หรือ โปรโตคอล STP กัน

รู้จักปัญหา Loop กันก่อน

Loop คือ สถานะที่อุปกรณ์ส่งข้อมูลออกไปบนระบบ แล้วเกิดการวนแบบไม่มีที่สิ้นสุด เมื่อมีการต่อใช้งานระบบเครือข่ายผ่าน Switch โดยมีเส้นทางเดียวจากต้นทางไปยังปลายทาง  ถ้า Link ระหว่าง Switch ทั้งสองตัวเกิดมีปัญหาขึ้นมา ก็ทำให้ระบบไม่สามารถใช้งานได้ เราจึงต้องมีการเพิ่ม Switch ขึ้นมาอีกหนึ่งตัว เพื่อให้มีเส้นทางสำรอง เมื่อ Link ระหว่าง Switch เดิมมีปัญหา ระบบจะยังสามารถใช้งานต่อได้ โดยผ่านไปทาง Switch อีกตัว แต่ว่าเนื่องจาก Switch ทั้ง 3 ตัว ต่อกันแบบ Loop ทำให้ข้อมูลที่ส่งไป เกิดการส่งวนไปวนมาได้ แบบไม่มีที่สิ้นสุด โดยทางเทคนิคเราเรียกปัญหานี้ว่าการเกิด Bridge Loop

ซึ่งหลังจากการเกิด Bridege Loop มาแล้ว จะมีปัญหาหลักๆ อยู่ 3 อย่างตามมาในระบบเครือข่าย ดังต่อไปนี้

Broadcast Storm คือเมื่อเกิด Loop ขึ้น Broadcast Traffic จะถูกส่งต่อไปเรื่อยๆ แบบไม่สิ้นสุด เกิดเป็นพายุBroadcast (Broadcast Storm) ทำให้ CPU ของ Switch นั้นสูงขึ้นและทำงานไม่ได้ในที่สุด

Multiple Frame Transmissions คือเครื่องปลายทางได้รับข้อมูล (Frame) เข้ามาซ้ำ ทำให้เสียเวลาในการประมวลผล

MAC Database Instability คือ Switch ได้รับ MAC Address ของอุปกรณ์เดียวเข้ามาหลายทาง ทำให้ Switch เรียนรู้ MAC Address ที่ผิดพลาด

Spanning Tree Protocol คืออะไร

Spanning-Tree Protocol (STP) เป็น Protocol ที่ใช้ป้องกันลูป (Loop) ใน Layer 2 โดยการทำงานคือจะ Blocking Port เพื่อไม่ให้รับส่งข้อมูลจนกว่าเส้นทางหลักจะมีปัญหา และยังช่วยเสริมให้มีเส้นทางสำรอง เช่น สมมุติว่าเรามีจุดหมายปลายทางอยู่จุดหนึ่งแล้วเส้นทางนี้เกิดมีปัญหาทำให้ระบบใช้งานไม่ได้เลย ก็ทำให้ระบบทั้งหมดมีปัญหาไปด้วย ตัว Spanning Tree มันก็จะมีระบบช่วยป้องกันไม่ให้ระบบหยุดการทำงาน ถ้าเส้นทางหนึ่งมีปัญหาก็สามารถไปใช้เส้นทางอื่นได้ Redundancy ของ Spanning Tree มันทำให้ระบบมีเสถียรภาพ เพราะใช้ตลอดเวลาก็ไม่ Down ถึงแม้เส้นทางใดเส้นทางหนึ่งใช้ไม่ได้ก็ตาม Spanning tree ก็จะมีเส้นทางขึ้นมาใช้แทนโดยรวมทำให้มีเสถียรภาพมากขึ้น

หากคุณกำลังสงสัยว่าทำไม Protocol ตัวนี้ถึงถูกนำมาใช้งานกับอุปกรณ์ Layer 2 นั้นก็เพราะว่าการเกิด Loop นั้นส่วนใหญ่จะเกิดมาจากอุปกรณ์ Layer 2 อย่าง Switch ในส่วนของอุปกรณ์ Layer 3 จะมี TTL(Time to Live) ไว้สำหรับป้องกันการเกิดลูปอยู่แล้ว

หลักการทำงานของ STP

หลักการเลือกเส้นทางการส่งข้อมูลของ Spanning Tree มีขั้นตอนการพิจารณาดังต่อไปนี้

1. เลือก Root Bridge คือใน 1 Network จะมี Switch เพียง 1 ตัวที่เป็น Root Bridge พิจารณาจาก Switch ที่มี Bridge ID น้อยที่สุด (Bridge ID = Priority + MAC Address) และขาของ Bridge ID เป็น Designated Port

2. เลือก Root Port พิจารณาจาก Port ที่มีค่า Path Cost ไปหา Root Bridge ต่ำสุดถ้า Path Cost เท่ากันให้พิจารณาจาก Bridge ID โดย Switch จะมี Root Port ได้เพียง 1 ตัวเท่านั้น

3. เลือก Design Port ใน Link ระหว่าง Switch กับ Switch หรือที่เรียกว่า Segment ต้องมี 1 Designated Port โดยพิจารณาจาก Path Cost ไป Root Bridge ต่ำสุด หากเท่ากันให้พิจารณาจาก Bridge ID ต่ำสุด ถ้า Bridge ID เท่ากัน ให้พิจารณาจาก Port ID ต่ำสุด และ port ที่เหลือจาก Root Port และ Designated Port คือ Block Port

ตัวอย่างการคำนวณ STP

หา Root Bridge พิจารณาจาก Bridge ID ที่ต่ำสุด คือ SW-A และกำหนด DP

หา Root Port พิจารณาจาก Path Cost ในที่นี้เป็น FastEthernet(100 Mbps) = 19 ให้พิจารณาแต่ละตัว

SW-C ไปยัง SW-A ผ่าน Fa 0/1 = 19,
SW-C ไปยัง SW-A ผ่าน Fa 0/2 และFa 0/24 = 38,
SW-B ไปยัง SW-A ผ่าน Fa 0/24 = 19,
SW-B ไปยัง SW-A ผ่าน  Fa 0/2 และFa 0/1 = 38

เราจะได้ Switch ที่มี Root Port ที่ SW-B ที่ Fa 0/24 และ SW-C ที่ Fa 0/1

หา Designated Port ในที่นี้จะมี Path Cost เท่ากัน ให้พิจารณาจาก Bridge ID และผลลัพธ์ที่ได้คือ

Designated Port อยู่ที่ SW-B ที่ Fa 0/2 และ Block Port คือ SW-C ที่ Fa 0/2