Tải bản đầy đủ
Chương 7: Giao thức Spanning tree

Chương 7: Giao thức Spanning tree

Tải bản đầy đủ

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

440

Mạng có khả năng chịu đợc lỗi nhờ có sự dự phòng. Dự phòng ở đây có
nghĩa là chuẩn bị những gì nhiều hơn mức cần thiết bình thờng. Nhng dự phòng
giúp tăng độ tin cậy của mạng nh thế nào?
Giả sử nh bạn chỉ có một cách duy nhất để đi làm là đi làm bằng xe hơi của
bạn, vậy nếu chiếc xe hơi này bị h có nghĩa là bạn không thể đi làm cho đến khi
chiếc xe hơi này đợc sửa chữa xong.
Nếu chiếc xe này cứ trung binh 10 ngày lại h mất 1 ngày thì khả năng sử
dụng của nó là 90%. Điều này có nghĩa là cứ 10 ngày thì bạn chỉ đi làm đợc 9
ngày. Do đó độ tin cậy đạt đợc 90%.
Nếu bạn mua thêm một xe hơi nữa để đi là. Đúng là không cần thiết phải có
đến 2 chiếc xe hơi chỉ để đi làm nhng bạn lại có xe dự phòng khi chiếc xe chính bị
h. Nh vậy việc đi làm của bạn sẽ không còn bị phụ thuộc vào một chiếc xe nữa.
Cả hai chiếc xe cũng có thể bị h cùng một lúc, khoảng 100 ngày thì có một
ngày nh thế. Nh vậy bạn mua thêm chiếc xe thứ 2 để dự phòng, độ tin cậy đã
tăng lên 99%.

CD4pro.info

Hình 7.1.1
7.1.2. Cấu trúc dự phòng.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

441

Mục tiêu của cấu trúc dự phòng là loại bỏ điểm tập trung của sự cố. Tất cả
các hệ thống mạng cần phải có dự phòng để nâng mức độ bảo đảm.
Hệ thống đờng giao thông là một ví dụ về cấu trúc có tính dự phòng. Nếu
có một con đờng bị đóng lại để sửa chữa thì sẽ luôn có đờng khác để đi đến đích.
Ví dụ có một công đồng cách trung tâm thị trấn bởi có một con sông. Nếu
chỉ bắc một chiếc cầu qua sông đó thì có nghĩa là chỉ có một con đờng đi vào thị
trấn. Cấu trúc nh vậy là không có sự dự phòng.
Nếu cây cầu này bị ngập hoặc bị h hỏng do tai nạn thì sẽ không thể đi vào
thị trấn bằng chiếc cầu này đợc nữa.
Bắc thêm một chiếc cầu thứ hai qua sông để tạo cấu trúc có dự phòng. Khi
đó ngời dân ở ngoại ô sẽ không còn bị cắt đứt với trung tâm thị trấn khi một cây
cầu bị h hỏng nữa.

CD4pro.info

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

442

CD4pro.info
Hình 7.1.2. mô hình có dự phòng và không có dự phòng.
7.1.3. Cấu trúc chuyển mạch dự phòng.
Hệ thống mạng có thiết bị và đờng dự phòng sẽ có khả năng tồn tại cao
hơn, tránh đợc mô hình chỉ có một điểm trung tâm của sự cố vì nếu một đờng kết
nối hoặc một thiết bị gặp sự cố thì đờng dự phòng hoặc thiết bị dự phòng sẽ lãnh
trách nhiệm thay thế.
Ví dụ nh hình 7.1.3, nếu Switch A bị h, lu lợng từ segment 2 sang
segment 1 và sang router vẫn có thể đi qua Switch B.
Nếu port 1 trên Switch A bị h thi giao thông vẫn có thể đi qua port 1 trên
Switch B.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

443

Hình 7.1.3
Switch học địa chỉ MAC của thiết bị kết nối vào port của nó, nhờ đó nó có
thể chuyển dữ liệu đến đúng đích. Nếu switch không biết gì về địa chỉ của máy
đích thì nó sẽ chuyển gói ra tất cả các port cho đến khi nào nó học đợc địa chỉ
MAC của thiết bị này. Gói quảng bá và multicast cũng đợc chuyển ra tất cả các
port của switch.

CD4pro.info

Chính vì vậy, cấu trúc chuyển mạch dự phòng nh hình 7.1.3 có thể sẽ gây ra
trận bão quảng bá, chuyển nhiều lợt frame và bảng địa chỉ MAC không ổn định.
7.1.4. Trận bão quảng bá.
Gói multicast cũng đợc switch sử lý giống nh gói quảng bá là chuyển ra
tất cả các port trừ port nhận gói vào.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

444

Hình 7.1.4.a

CD4pro.info

Hình 7.1.4.b. Hậu quả là gây ra một trận bão quảng bá trên mạng.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

445

Ta xét ví dụ trên hình 7.1.4.a: giả sử Host X gửi một gói quảng bá và gói yêu
cầu ARP để hỏi địa chỉ lớp 2 của router chẳng hạn. Khí đó switch A nhận đợc gói
quảng bá này sẽ chuyển gói quảng bá này sẽ chuyển gói ra tất cả các port. Switch B
cũng thực hiện nh vậy. Kết quả là Switch B sẽ nhận lại các gói quảng bá đợc gửi
từ Switch A và ngợc lại, Switch A cũng nhận lại các gói quảng bá đợc gửi từ
Switch B. Cả hai Switch này nhận đợc gói quảng bá của nhau và lại chuyển tiếp ra
tất cả các port.
Cứ nh vậy, mỗi một gói quảng bá mà switch nhận vào sẽ đợc nhân ra tất
cả các port gây lên trận bão quảng bá trên mạng. Trận bão quảng bá này sẽ đợc
tiếp tục cho đến khi nào một trong hai switch bị ngắt kết nối ra. Switch và các thiết
bị đầu cuối sẽ bị quá tải vì phải sử lý quá nhiều các gói quảng bá và không thể sử lý
đợc các gói dữ liệu khác của user. Khi đó hệ thống mạng xem nh bị tê liệt.
7.1.5. Truyền nhiều lợt frame.
Cấu trúc mạng chuyển mạch dự phòng có thể làm cho thiết bị đầu cuối nhận
đợc nhiều frame trung lặp nhau.

CD4pro.info

Hình 7.1.5
Ta xét ví dụ trên hình 7.1.5: giả sử rằng cả hai switch vừa mới xoá địa chỉ
MAC của Router Y trên bảng địa chỉ vì hết thời hạn và giả sử rằng Host X vẫn còn
giữ địa chỉ MAC của router Y trong bảng ARP của mình lên nó gửi một frame trực
tiếp tới Router Y. Router Y nhận đợc gói giữ liệu này vì nó nằm trong cùng
segment với Host X.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

446

Switch A cũng nhận đợc frame này nhng không có địa chỉ MAC của
Router Y trên bảng địa chỉ nên nó chuyển frame ra tất cả các port của nó. Tơng tự
trên switch B cũng vậy. Kết quả là Router Y nhận đợc nhiều frame trùng nhau.
Điều này làm cho các thiết bị tốn tài nguyên để xử lý nhiều frame không cần thiết.
7.1.6. Cơ sở dữ liệu địa chỉ MAC không ổn định.
Cấu trúc mạng chuyển mạch dự phong có thể làm cho các switch học đợc
thông tin sai về địa chỉ, switch sẽ học đợc một địa chỉ MAC trên một port mà
trong khi địa chỉ MAC này thật sự nằm trên port khác.

CD4pro.info
Hình 7.1.6
Ta xét ví dụ nh trên hình 7.1.6: giả sử địa chỉ MAC của Router Y không có
trong bảng địa chỉ của cả hai switch.
Giả sử host X gửi một gói dữ liệu trực tiếp đến Router Y. Switch A và B đều
nhận đợc gói gữi liệu này và học đợc địa chỉ MAC của Host X là nằm trên port
0. Sau khi đó dữ liệu này đợc hai switch chuyển ra tất cả các port vì trên hai
switch đều cha có địa chỉ MAC của Router Y. Kết quả là switch A nhận lại gói dữ
liệu này từ switch B vào port 1 và ngợc lại, Switch B cũng nhận lại dữ liệu từ
Switch A vào port 1. Khi đó Switch A và B học lại là địa chỉ MAC của Host X nằm
trên port 1, kế tiếp, khi Router Y gửi một gói dữ liệu cho Host X, Switch Avà B
cũng đều nhận đợc gói dữ liệu từ Router Y đến Host X sẽ bị rơi vào vòng lặp.
7.2. Giao thức Spanning

Tree (Giao thức phân nhánh cây).

7.2.1. Cấu trúc dự phòng và Spanning

Tree.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

447

Cấu trúc mạng dự phòng đợc thiết kế để bảo đảm mạng tiếp hoạt động khi
có một sự cố xảy ra, user sẽ ít bị gián đoạn công việc của họ hơn. Mọi sự gián đoạn
do sự cố gây ra càng ngẵn càng tốt.

Hình 7.2.1.a. Một ví dụ về cấu trúc dự phòng.

CD4pro.info

Trong hệ thống mạng, chúng ta tạo nhiều kết nối giữa các switch và bridge
để dự phòng. Các kết nồi này sẽ tạo ra các vòng lặp vật lý trong mạng nhng nếu có
một kết nối bị đứt thi lu lợng có thể đợc chuyền sang kết nối khác.
Switch hoạt động ở lớp 2 của môi hình OSI và thực hiện quyết định chuyển
gói ở lớp này. Khi Switch không xác định đợc port đích thì nó sẽ chuyển gói ra tất
cả các port. Gói quảng bá và multicast cũng đợc gửi ra tất cả các port trừ port
nhận gói vào. Do đó, mạng chuyển mạch không đợc có vòng lặp, vì nh vậy sẽ
gây ra nhiều sự cố nh đã phân tích ở các phần trên.
ở lớp 3, mỗi khi gói dữ liệu đi qua một Router, trờng thời gian sống (Time
To Live TTL) sẽ giảm đi một giá trị và gói dữ liệu sẽ bị huỷ bỏ khi trờng TTL
đạt đến giá trị 0. Trong khi đó, phần thông tin lớp 2 trong gói dữ liệu không có
trơng TTL. Do đó, nếu frame bị rơi vào vòng lặp lớp 2 của cấu trúc mạng chuyển
mạch, nó sẽ bị lặp vòng đến vô tận vì không có thông tin nào trong frame giúp loại
bỏ frame khi bị lặp vòng. Điều đó làm hệ thống mạng tiêu tốn băng thông và có thể
dẫn đến bị tê liệt.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

448

Tóm lại, mạng chuyển mạch với switch và bridge không thể có vòng lặp
nhng chúng ta vẫn cần xây dựng cấu trúc mạng vật lý có vòng lắp để dự phòng khi
xảy ra sự cố, nhằm đảm bảo hoạt động của hệ thống mạng.
Vậy giải pháp là vẫn cho phép cấu trúc vật lý có vòng lặp nhng chúng ta sẽ
tạo cấu trúc luận lý không có vòng lặp. Ví dụ nh trên hình 7.2.1.a, giao thông từ
các user kết nối vào Cat - 4 đến server Farm kết nối vào Cat - 5 sẽ đi qua đờng kết
nối giữa Cat - 1 và Cat - 2 mặc dù có tồn tại đờng kết nối vật lý giữa Cat - 4 và Cat
- 5.
Cấu trúc luận lý không vòng lặp là một cấu trúc dạng phân nhánh cây, tơng
tự nh cấu trúc luận lý hình sao hay hình sao mở rộng.
Thuật toán đợc sử dụng để tạo cấu trúc luận lý không vòng lặp là thuật toán
spanning - tree. Thuật toán này tồn tại khá nhiều thời gian để hội tụ. Do đó có một
thuật toán mới hơi gọi là rapid spanning - tree với thời gian tinh toán cấu trúc luận
lý không vòng lặp rút ngắn hơn.

CD4pro.info

Hình 7.2.1.b. Cấu trúc luận lý không vòng lặp đợc tạo ra bởi Spanning - Tree.
Cấu trúc này theo dạng phân nhánh hình cây, tơng tự nh cấu trúc luận lý hình
sao mở rộng.

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

449

7.2.2. Giao thức Spanning - Tree.
Ethernet bridge và switch có thể triển khai giao thức Spanning - Tree
IEEE802.1D và sử dụng thuật toán spanning - tree để xây dựng cấu trúc mạng ngắn
nhất không vòng lặp.
Để xây dựng mạng theo dạng phân nhánh hình cây, trớc tiên giao thức
Spanning - Tree phải chọn một điểm làm gốc (root bridge). Xuất phát từ một bridge
gốc này, các đờng liên kết đợc xem xét và tính toán để phân nhánh ra tạo cấu
trúc mạng theo dạng hình cây, bảo đảm rằng chỉ có một đờng duy nhất đi từ gốc
đến từng node trong mạng. Những đờng kết nối nào d thừa trong cấu trúc hình
cây sẽ bị khoá lại. Tất cả các gói dữ liệu nhận đợc từ đờng liên kết bị khoá này sẽ
bị huỷ bỏ.

CD4pro.info
Hình 7.2.2.a. Giao thức Spanning - Tree xây dựng mạng hình luận lý hình cây. Kết
nối nào d thừa, tạo thành vòng lặp sẽ bị khoá lại.
Giao thức Spanning - Tree đòi hỏi thiết bị mạng phải trao đổi thông tin với
nhau để có thể phát hiện ra vòng lặp trong mạng. Thông điệp trao đổi này đợc gọi
là Bridge Protocol Data Unit (BPDU). Kết nối nào tạo thành vòng lặp sẽ bị đặt vào
trạng thái khoá. Trên kết nối này không nhận gói dữ liệu nhng vẫn nhận các gói
BPDU để xác định kết nối đó còn hoạt động hay không. Nếu có một kết nối bị đứt
hay một thiết bị h hỏng thì một cấu trúc hình cây mới sẽ đợc tính toán lại.
BPDU chứa đầy đủ các thông tin giúp cho switch thực hiện đợc các việc
sau:

www.CD4pro.info-Key Windows Server 2003,2008,R2,2012,Kaspersky 4 Server(KOSS),KIS,BIS,

450

Chọn một switch làm gốc cho cấu trúc hình cây.
Tính toán đờng ngắn nhất từ mỗi node đến switch gốc. Đờng ngắn nhất
là đờng có chi phí thấp nhất. Chi phí của đờng kết nối đợc tính toán dựa trên tốc
độ của đờng kết nối đó.
Trong từng LAN segment, chỉ định ra một switch gần nhất với switch gốc.
Switch đợc chỉ định (designated switch) sẽ lắm giữ mọi thông tin liên lạc giữa
LAN và switch gốc.
Trên mỗi switch không phải là gốc chọn một port làm port gốc (root port)
là port có đờng kết nối ngắn nhất về gốc.
Các port còn lại đợc xem xét để làm port chỉ định (designated port).
Những port nào không đợc chỉ định đều bị khoá lại.

CD4pro.info
Hình 7.2.2.b. Giá trị chi phí mặc đinh tơng ứng với tốc độ của đờng kết nối.

Hình 7.2.2.c. Các thông tin nằm trong gói BPDU.