STP·RSTP의 선출·포트 역할·수렴

01왜 물리적인 여분 링크를 논리적으로 막는가

• 개념STP는 이중화된 L2 연결에서 논리적인 트리를 선택해 프레임 루프를 막는 프로토콜이다. 여분 링크를 물리적으로 제거하지 않고 포트의 전달 역할과 상태를 조정한다.
• L2 루프의 원인Ethernet 헤더에는 라우터가 감소시키는 IP TTL과 같은 프레임 수명 제한이 없다. 스위치 사이에 루프가 있고 broadcast나 unknown unicast가 계속 복제되면 같은 프레임이 반복해서 돌 수 있다.

  • 중복 수신, MAC 주소가 여러 포트 사이를 오가는 flapping, 링크·CPU 부하가 함께 나타난다.
  • 단순히 CPU가 높다는 사실만으로 루프를 확정할 수는 없지만 이 현상들의 연관을 이해해야 한다.
• 논리 트리STP는 루프가 실제 발생한 뒤 임의의 선을 하나 끊는 반응형 장치가 아니다. BPDU를 계속 교환해 공통 Root와 경로를 정하고, 데이터 forwarding에 사용할 논리 트리를 미리 만든다.

  • 차단 포트는 관리자가 shutdown한 포트와 다르다.
  • BPDU를 통해 제어 정보를 받아야 대체 경로가 필요한 시점에 역할을 다시 계산할 수 있다.

02BPDU가 전달하는 비교 자료

• BPDU 비교 정보기본 BPDU에는 프로토콜 식별·버전·유형과 flags, Root ID, Root Path Cost, Sender Bridge ID, Sender Port ID, Message Age·Max Age·Hello Time·Forward Delay가 들어간다.

  • Root ID는 자신이 가장 좋다고 알고 있는 루트, Sender Bridge ID는 지금 이 BPDU를 보낸 스위치다.
  • 둘은 non-root 장비의 BPDU에서 서로 다르다.
• Bridge IDBridge ID는 우선순위와 MAC을 중심으로 비교한다. 확장 system ID를 사용하는 VLAN별 구현에서는 priority 부분에 VLAN ID가 결합되고 설정 가능한 priority는 보통 4096단위다.

  • 가장 낮은 BID가 Root Bridge가 된다.
  • GNS3에서 먼저 만든 장비의 MAC이 작을 수 있지만 장비 생성 순서 자체가 루트 선출 규칙은 아니다.
  • 명시한 priority와 실제 BID로 선출 결과를 계산한다.

03Root Port는 non-root 장비에 하나씩 생긴다

• Root Port 선택non-root 스위치는 Root까지 가장 좋은 경로를 주는 포트를 Root Port로 선택한다. 먼저 더 좋은 Root ID를 채택한 뒤 누적 Root Path Cost, 상류 송신 Bridge ID, 상류 송신 Port ID, 필요하면 로컬 Port ID 순으로 우열을 비교한다.

  • Root Path Cost에는 해당 포트로 들어왔을 때의 로컬 경로 비용을 더해 판단한다.
• Root Bridge의 역할Root Bridge는 자기 자신까지 도달할 Root Port가 없다. 루트의 정상 활성 포트는 연결된 세그먼트의 Designated Port가 되는 것이 일반적이다.

  • Root Port와 Designated Port는 서로 다른 선출 결과다.
  • BPDU 송수신 유무만으로 역할 이름을 정하지 않고 선택한 경로와 해당 세그먼트의 광고 우열을 본다.

04Designated·Alternate·Backup의 선택

• Designated Port각 LAN 세그먼트에서 가장 좋은 BPDU를 광고하는 포트가 Designated Port다. 동일 Root를 향한 비용이 낮은 쪽이 우선이며 비용까지 같으면 Sender BID·Port ID를 비교한다.

  • 다른 경로가 Root Port로 선택되어 이 링크가 중복이면 RSTP에서 Alternate가 되어 discarding할 수 있다.
  • Backup은 같은 공유 세그먼트에 연결된 자기 다른 포트의 대체라는 별도 역할이다.
• Alternate·Backup‘전체 네트워크에서 가장 먼 스위치의 가장 큰 포트 하나를 차단한다’는 공식은 없다. 루프가 여러 개거나 경로 비용이 비대칭이면 잘못된 답을 낸다.

  • 각 non-root의 Root Port를 먼저 정하고 각 세그먼트의 Designated를 정한 뒤 남는 경로를 해석해야 한다.
  • 포트 역할과 상태는 다르며 Root라는 역할이 선정되어도 전통 STP의 전이 중에는 아직 forwarding이 아닐 수 있다.

05삼각형의 포트 선출과 장애 후 경로

• 계산 전제S1·S2·S3의 삼각형에서 S1이 Root다. 각 FastEthernet 링크의 short path cost는 19이고 S2의 BID가 S3보다 낮다.
• 전환 조건실제 수렴 시간은 STP/RSTP 종류, 직접 링크다운 감지, BPDU 만료에 따라 다르다. VLAN별 Root가 다르면 같은 물리 포트의 역할도 달라질 수 있다.

1. Root까지 직접 경로S2와 S3는 S1에 직접 연결된 포트를 Root Port로 선택한다. 두 스위치의 Root Path Cost는 각각 19다.
2. S2–S3 구간 비교같은 구간에서 양쪽이 광고하는 비용이 19로 같으므로 BID를 비교한다. 더 낮은 S2 쪽이 Designated가 된다.
3. 중복 경로 차단S3 쪽은 선택되지 않은 중복 경로로 차단된다. 여분 물리 링크는 남겨 두되 정상 데이터의 루프를 막는다.
4. 직접 링크 장애S2–S1이 끊어지면 S2는 S3 경유 비용 38의 경로를 사용할 수 있다. 필요한 프로토콜 상태 전환이 끝나야 실제 전달이 재개된다.

07전통 STP의 상태와 2·20·15초

• 전통 STP 상태Blocking은 데이터 전달과 MAC 학습을 하지 않고 BPDU 정보를 받는다. Root/Designated로 선택된 포트는 Listening에서 루프 없는 역할을 계산하고, Learning에서 출발지 MAC 학습을 시작하지만 아직 일반 데이터를 전달하지 않는다.

  • Forwarding에서 학습과 전달을 모두 수행한다.
  • Disabled는 사용하지 않는 상태다.
  • 여기서 ‘MAC 정보를 송수신’하는 별도 학습 패킷이 오가는 것이 아니라 수신 프레임의 출발지를 테이블에 기록한다.
• Hello·Max Age·Forward Delay일반 기본 타이머는 Hello2초, Max Age20초, Forward Delay15초다. 전통 경로에서 Listening15초와 Learning15초가 이어질 수 있으며 BPDU 만료를 기다리는 장애라면 추가 지연이 생긴다.

  • 따라서 모든 장애가 정확히 30초 또는 50초라고 고정할 수 없다.
  • Root의 타이머 정보가 트리에 전파되고 실제 프로토콜·플랫폼 설정에 따라 결과가 달라진다.

08RSTP가 빠르게 전환할 수 있는 이유

• RSTP 상태·역할RSTP는 상태를 Discarding·Learning·Forwarding으로 정리하고 Alternate 경로와 point-to-point 링크의 proposal/agreement 교환으로 빠른 전환을 지원한다.

  • 더 좋은 경로를 제안받은 스위치는 다른 관련 포트들을 동기화해 루프를 막을 수 있음을 확인한 뒤 agreement를 보낸다.
  • 그러면 단순히 고정 Listening·Learning 시간을 모두 기다리는 대신 빠르게 forwarding할 수 있다.
• 빠른 전환 조건빠른 전환은 양쪽 프로토콜·링크 유형·역할 조건이 맞을 때 가능하다. 공유 매체나 구형 STP와의 호환 구간에서 같은 속도를 보장하지 않는다.

  • RSTP에서는 각 브리지가 주기적으로 BPDU를 생성하며 토폴로지 변화 전파와 MAC 재학습 방식도 전통 STP와 다르다.
  • PortFast가 RSTP를 켜는 명령은 아니며 edge 포트의 빠른 전환을 뜻하는 별도 설정이다.

10PVST+·Rapid PVST+·MST의 트리 단위

• VLAN별 트리PVST+는 VLAN별로 STP 인스턴스를, Rapid PVST+는 VLAN별 rapid 동작을 사용한다. VLAN10의 Root를 S1, VLAN20의 Root를 S2로 정하면 트리별로 서로 다른 링크를 사용할 수 있지만 각 VLAN 내부에서는 루프 없는 트리를 유지한다.

  • 이것은 한 프레임을 여러 링크로 복제하는 부하 분산이 아니다.
• MST 영역MST는 여러 VLAN을 제한된 수의 instance에 매핑한다. 같은 region으로 동작하려면 region 이름, revision, VLAN-to-instance 매핑 같은 구성 식별이 맞아야 한다.

  • 모든 VLAN마다 별도 계산을 유지하는 부담을 줄이면서 서로 다른 인스턴스에 다른 경로를 줄 수 있다.
  • MST의 설정 revision은 VTP의 데이터베이스 최신성 revision과 같은 자동 증가 버전 번호로 해석하지 않는다.

11PortFast·BPDU Guard·Root Guard·Loop Guard

• PortFast·BPDU Guard단말만 연결되는 edge 포트는 PortFast로 초기 forwarding을 빠르게 할 수 있다. 일반 스위치 간 중복 링크에 무분별하게 적용하면 정상적인 수렴 절차를 우회할 위험이 있다.

  • BPDU Guard는 edge 포트에서 예상하지 않은 BPDU를 받았을 때 포트를 err-disable하여 잘못 연결된 스위치와 루프 위험을 차단하는 방식이다.
• Root Guard·Loop GuardRoot Guard는 해당 방향의 superior BPDU 때문에 의도하지 않은 Root가 생기는 것을 막는다. Loop Guard는 계속 들어와야 할 BPDU가 사라져 차단 경로가 잘못 forwarding으로 바뀌는 상황을 완화한다.

  • UDLD는 단방향 물리 링크 검출에 관련된 별도 기능이며 BPDU Filter는 BPDU 송수신을 숨길 수 있어 보호기능들과 동일시하지 않는다.
  • 각각의 실패 조건이 다르므로 하나를 켜면 모든 L2 장애가 해결되는 것은 아니다.

12출력의 Root ID·Bridge ID·Cost 판독

• Root ID·포트 출력show spanning-tree에서 Root ID와 Bridge ID가 같고 This bridge is the root가 보이면 그 인스턴스의 로컬 장비가 Root다. non-root의 Cost19와 Port는 Root까지의 비용과 선택한 Root Port를 나타낸다.

  • 인터페이스 표의 cost는 포트 비용, designated 관련 cost는 받은 BPDU의 광고값처럼 서로 다른 열일 수 있다.
  • 열 제목과 출력 형식을 보지 않고 두 cost를 모두 ‘내 거리’로 읽지 않는다.
• 실습 비용·배선원본 출력의 네 스위치 예제에서는 마지막 스위치의 총비용 38과 두 후보 상류의 BID 비교로 어느 포트가 차단되는지 정했다. 실제 연결이 도면과 교차된 다른 실습에서는 기대한 루프 자체가 없어 BLK가 나타나지 않았다.

  • CPU 사용률이나 패킷 수만으로 STP 실패를 단정하지 않고, 같은 VLAN의 물리·논리 경로를 재구성해야 한다.

! VLAN10의 Root 우선순위를 명시하는 실습 예
spanning-tree vlan 10 priority 4096
!
! 단말 전용 access 포트 예
interface GigabitEthernet0/1
 switchport mode access
 switchport access vlan 10
 spanning-tree portfast
 spanning-tree bpduguard enable
!
show spanning-tree vlan 10
show spanning-tree vlan 10 detail
show spanning-tree inconsistentports

IOS 계열 예. Root 선정은 VLAN별 의도와 전체 토폴로지를 기준으로 하며 실제 실행 기록이 아니다.

수업 원본 자료

Root ID와 Bridge ID가 같은 장비

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이 자료에서 읽어낼 것

1. Root ID와 Bridge ID의 주소가 같고 This bridge is the root가 명시되어 있다.
2. Hello2초·MaxAge20초·ForwardDelay15초와 FWD 포트의 cost19를 서로 다른 항목으로 읽는다.

수업 원본 자료

VLAN별 Root 경로와 차단 포트

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이 자료에서 읽어낼 것

1. VLAN10의 Root Port는 FastEthernet1/1, VLAN20은 FastEthernet1/0이며 두 경우 Root Path Cost는38이다.
2. 각 포트의 cost19와 Root까지의 누적38은 다른 값이다. VLAN10의Fa1/2와 VLAN20의Fa1/3은BLK로 나타난다.