Spanning Tree Protocol

Une topologie sans boucle ressemble à un arbre et à la base de chaque arbre, on trouve ses racines (roots). Dans un réseau commuté, le root bridge (commutateur racine) est élu. Chaque commutateur a une adresse MAC et un numéro de priorité paramétrable (0x8000 par défaut), ces deux nombres constituant l'identifiant de pont (bridge identifier, BID). Le commutateur avec la priorité la plus basse l'emporte, et en cas d'égalité, c'est l'adresse MAC la plus basse qui l'emporte.

En général, l'administrateur du réseau influence le résultat de l'élection pour que le commutateur racine choisi soit le plus près possible du cœur de réseau. Pour cela, il configure la priorité du commutateur racine le plus opportun en fonction de la topologie du réseau, ainsi que la priorité d'un autre commutateur qui deviendra commutateur racine en cas de défaillance du commutateur racine principal.

Les autres commutateurs du réseau vont alors déterminer quel est le port qui possède la « distance » la plus courte vers le commutateur racine. Pour cela, ils utilisent le « coût » de chaque lien traversé, ce coût dépendant de la bande passante du lien. Le « port racine » (root port, RP) sera celui qui mène le plus directement au commutateur racine. Chaque commutateur doit avoir un seul root port. L'élection d'un root port est effectuée d'après les champs path cost et port ID d'un paquet BPDU. En cas d'égalité, c'est le port ayant le port ID le plus faible qui sera élu.

Pour chaque segment réseau reliant des commutateurs, un « port désigné » (designated port, DP) est ensuite déterminé. Ces segments peuvent relier plus de deux commutateurs. Le port désigné est le port relié au segment qui mène le plus directement à la racine.

Les ports qui ne sont ni racine, ni désignés sont bloqués. Un port bloqué peut recevoir des paquets BPDU mais ne peut pas en émettre.

En cas de changement de topologie, lorsqu'un lien est coupé ou qu'un commutateur tombe en panne ou est éteint, l'algorithme est exécuté à nouveau et un nouvel arbre recouvrant est mis en place. Les boucles assurent donc de la redondance.

En 1998, l'IEEE publie le document 802.1w qui accélère la convergence du protocole STP après un changement de topologie. Il est inclus dans standard IEEE 802.1D-2004. Tandis que le STP classique peut prendre de trente à cinquante secondes pour converger après un changement de topologie, RSTP est capable de converger en trois fois la valeur du délai Hello (deux secondes par défaut pour un Hello, c'est-à-dire 3 × 2 = 6 secondes de temps de convergence.)[2] - [3].

Rôle des ports RSTP

• Root : le port le plus près (quant au coût du chemin) du root bridge.
• Designated : le port qui transmet les trames sur un segment.
• Alternate : un port distinct du root port vers le root bridge. Il s'agit du meilleur chemin "alternatif" vers le root bridge, et passe (en cas de changement de défaillance du port root) directement à l'état forwarding.
• Backup : Lors d'une connexion redondante d'un segment vers un autre bridge (deux connexion vers le même domaine de collision) un autre port vers un segment connecté au pont. L'un des ports (selon la priorité) aura comme rôle celui de Backup.

Le fonctionnement général de RSTP est semblable à celui du STP classique. Les différences sont les suivantes :

• une défaillance du root bridge est détectée en trois délais hello, c'est-à-dire six secondes avec les valeurs par défaut ;
• les ports qui ne sont pas connectés à d'autres commutateurs (edge ports) peuvent basculer immédiatement dans l'état forwarding. RSTP continue à observer l'arrivée de BPDU sur ces ports pour s'assurer qu'aucune boucle n'est possible. Si un BPDU est observé, le port bascule dans le statut non edge ;
• contrairement au STP classique, RSTP réagit aux annonces BPDU qui proviennent du root bridge. Un bridge RSTP diffuse son information RSTP sur ses designated ports. Si un bridge reçoit un BPDU indiquant un meilleur root bridge, il place tous les autres ports dans l'état discarding et informe ce bridge qu'il est le meilleur chemin vers le root. En recevant cette information, celui-ci peut faire transiter le port vers ce bridge immédiatement dans l'état forwarding sans passer par les états listening et learning, puisque aucune boucle n'est possible. Ceci constitue une amélioration majeure quant à la vitesse de convergence ;
• RSTP conserve des informations au sujet d'un chemin alternatif vers le root bridge, ainsi qu'un chemin de backup vers les segments, ceci permet une transition rapide en cas de problème sur une liaison.

Quand plusieurs VLAN existent dans un réseau ethernet commuté, STP peut fonctionner de façon indépendante sur chacun des VLAN séparément. Ce mode de fonctionnement a été baptisé PVST(+) par Cisco. C'est le mode par défaut sur les commutateurs de la marque. Il s'agit d'un développement propriétaire qui est également pris en charge par certains fournisseurs concurrents.

PVST fonctionne uniquement avec Cisco Inter-Switch Link (ISL). PVST+ est utilisé avec dot1q.

Le Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP), défini dans la norme IEEE 802.1s puis inclus dans IEEE 802.1Q-2003, est une extension de RSTP dans laquelle une instance de RSTP existe par groupe de VLAN.

Disposer de plusieurs instances de STP permet de mieux utiliser les liaisons dans le réseau, si la topologie STP est différente pour certains groupes de VLAN. Contrairement à PVST, il n'est cependant pas nécessaire de disposer d'une instance par VLAN, ceux-ci pouvant être très nombreux, les VLAN étant groupés.

MSTP a été inspiré par le protocole de Cisco Multiple Instances Spanning Tree Protocol (MISTP).

MSTP est compatible avec les ponts RSTP, le format de BPDU étant le même.

En mai 2012, l'IEEE approuve le standard IEEE 802.1aq[4] - [5] qui est connu et documenté dans la plupart des livres comme Shortest Path Bridging (SPB). SPB permet à tous les liens d'être actifs à travers des chemins multiples à coût égal, et fournit des topologies couche 2 beaucoup plus vastes, une convergence plus rapide, et améliore l'utilisation des topologies maillées par l'augmentation de la bande passante entre tous les périphériques en permettant au trafic de répartir les charges via l'ensemble des chemins d'un réseau maillé[6].

SPB consolide de multiples fonctionnalités existantes, y compris Spanning Tree Protocol (STP), Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP), Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), agrégation de liens, et Multiple MAC Registration Protocol (MMRP) dans un seul protocole d'état de lien. SPB est conçu pour éliminer virtuellement toute erreur humaine lors des configurations et préserve la nature plug-and-play qui a établi Ethernet comme le protocole de facto à la couche liaison de données.