Transcript 11장 스위치(transparent bridging, STP)

Switch
- Switch는 Layer 2 Switch와 Multi Layer Switch로 구분된다.
- CCNA시간은 Layer 2 Switch. (Data-Link 계층)
- Layer 2 Switch는 포트별로 Collision domain을 나눈다.
하지만 하나의 Broadcast Domain에 속해있다.
- Router와 차이점
1) Router는 CPU-base (policy-base) Switch는 ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)칩 기반이다.
2) Router는 Routing table, ARP-table을 확인 (IP address)
Switch는 MAC address table을 확인 (MAC address)
3) Router는 자신이 모르는 목적지를 가진 packet과 Broadcast를 Drop.
Switch는 자신이 모르는 목적지를 가진 frame과 Broadcast를 Flooding.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-1
Switch
- Switch의 전송 방식
1) Store and Forward
 Frame을 전부 확인하고 다음 처리를 시작하는 방식. 목적지 주소, 출발지 주소, 에러발생여부를
확인하고 처리한다. error가 발생하면 Frame을 버리고 재전송을 요구. (error복구 능력이 좋다.)
하지만 다른 방식에 비해 느리다는 단점이 있다.
2) Cut-through
 수신되는 Frame의 목적지 주소만 본 다음 바로 전송을 하는 방식. 처음 6 byte만 보고 전송하기
때문에 속도가 빠르지만 에러 복구 능력에는 약점을 가지고 있다. (거의 사용되지 않는다.)
3) Fragment-Free
 위의 두 가지 방식을 결합한 방식, 처음 64 byte를 보고 전송하는 방식이다. Store and Forward
보다는 빠르고 Cut-through보다는 에러 감지 능력이 좋다고 볼 수 있다.
(주로 64byte 쯤에서 에러가 많이 발생한다.)
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-2
Transparent Bridging
<Transparent Bridging>
- Ethernet Switch가 Frame을 수신하여 목적지로 전송하는 방식과 절차를 정의.
- 즉, Switch가 수신한 Ethernet Frame을 참조하여 MAC address table을 생성
및 갱신하고 목적지로 전송할 때 사용하는 Protocol이 Transparent Bridging.
- Transparent(투명한)라는 용어는 ‘사용자가 의식하지 못하게 자동으로 동작한다.’
는 의미.
- RSTP와 더불어 IEEE 802.1Q를 구성하며, 이 두가지가 Layer 2 Switching의
핵심 구성요소.
- Learning, Flooding, Forwarding, Filtering, Aging 과정이 모두 합쳐져
Transparent bridging기능을 수행.
- Routing table은 관리자가 설정으로 생성하지만 MAC address table은
Switch가 자동 생성한다.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-3
Transparent Bridging
MAC address table
A
B
0260.8c01.1111
C
E0
E1
E2
E3
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
• Initial MAC address table is empty
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-4
Transparent Bridging
1) Learning, Flooding
MAC address table
E0: 0260.8c01.1111
A
0260.8c01.1111
C
B
E0
E1
E2
E3
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
• Station A sends a frame to Station C
• Switch caches station A MAC address to port E0 by learning the
source address of data frames
• The frame from station A to station C is flooded out to all ports
except port E0 (unknown unicasts are flooded)
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-5
Transparent Bridging
1) Learning, Flooding
MAC address table
E0: 0260.8c01.1111
E3: 0260.8c01.4444
A
0260.8c01.1111
C
B
E0
E2
E1
E3
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
• Station D sends a frame to station C
• Switch caches station D MAC address to port E3 by learning the source
Address of data frames
• The frame from station D to station C is flooded out to all ports except
port E3 (unknown unicasts are flooded)
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-6
Transparent Bridging
2) Forwarding, Filtering
MAC address table
A
0260.8c01.1111
C
E0:
E2:
E1:
E3:
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0
E2
0260.8c01.2222
B
E1
X
X
E3
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
• Station A sends a frame to station C
• Destination is known, frame is not flooded
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-7
Transparent Bridging
- Flooding
MAC address table
A
0260.8c01.1111
C
E0:
E2:
E1:
E3:
0260.8c01.1111
0260.8c01.2222
0260.8c01.3333
0260.8c01.4444
E0
E1
E2
E3
0260.8c01.2222
B
0260.8c01.3333
D
0260.8c01.4444
• Station D sends a broadcast or multicast frame
• Broadcast and multicast frames are flooded to all ports
other than the originating port
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-8
Spanning-tree protocol
- 단일 경로 Server/host X
Segment 1
Segment 2
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-9
Spanning-tree protocol
- 단일 경로 Server/host X
Segment 1
Segment 2
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-10
Redundant Topology
Server/host X
Router Y
Segment 1
Segment 2
 Redundant topology eliminates single points of failure.
 Redundant topology causes broadcast storms, multiple
frame copies, and MAC address table instability problems.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-11
Redundant Topology
Server/host X
Router Y
Segment 1
Segment 2
 Redundant topology eliminates single points of failure.
 Redundant topology causes broadcast storms, multiple
frame copies, and MAC address table instability problems.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-12
Redundant Topology
<Redundant Topology의 문제점>
1) Broadcast storms
2) Multiple frame copies
3) MAC address table instability
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-13
Broadcast Storms
Server/host X
Router Y
Segment 1
Broadcast
Switch A
Switch B
Segment 2
 Host X sends a broadcast.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-14
Broadcast Storms
Server/host X
Router Y
Segment 1
Switch A
Broadcast
Switch B
Segment 2
Switches continue to propagate broadcast traffic over
and over
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-15
Multiple Frame Copies
Server/host X
Unicast
Router Y
Segment 1
Switch A
Switch B
Segment 2
• Host X sends an unicast frame to router Y
• Router Y MAC address has not been learned by either switch yet
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-16
Multiple Frame Copies
Server/host X
Unicast
Router Y
Segment 1
Unicast
Unicast
Switch B
Switch A
Segment 2
• Host X sends an unicast frame to Router Y.
• Router Y MAC Address has not been learned by either Switch yet.
• Router Y will receive two copies of the same frame.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-17
MAC Database Instability
Router Y
Server/host X
Segment 1
Unicast
Unicast
Port 0
Port 0
Switch B
Port 1
Port 1
Switch A
Segment 2
•
•
•
•
•
Host X sends an unicast frame to Router Y
Router Y MAC Address has not been learned by either Switch yet
Switch A and B learn Host X MAC address on port 0
Frame to Router Y is flooded
Switch A and B incorrectly learn Host X MAC address on port 1
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-18
Solution: Spanning-Tree Protocol
- 단일 경로로 구성할 경우 경로에 이상이 발생하면 통신이 이뤄지지 않는다.
- 그럴 경우를 대비해 이중화 경로로 구성.
- 하지만 다중 경로를 Ring구조로 구성할 경우에는 Looping 등의 문제 발생.
 이러한 문제들을 해결하기 위해 Spanning-Tree Protocol이 enable되어 있다.
<Spanning-Tree Protocol>
- 다중화로 구성된 스위치에서 Looping 발생을 방지하기 위해 하나의 경로를
제외하고 나머지 경로들을 차단했다가 사용되던 경로에 이상이 발생했을 경우
차단됐던 경로를 사용하는 알고리즘.
x
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
Block
ICND—12-19
Spanning-Tree Operations
 One root bridge per broadcast domain.
 One root port per nonroot bridge.
 One designated port per segment.
 Nondesignated ports are unused.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-20
BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
- Switch는 서로 BPDU를 교환해서 BPDU의 내용을 바탕으로 Looping
없는 논리적인 경로를 구성한다.
<BPDU의 종류>
1)Configuration BPDU (설정 BPDU)
 Switch는 Configuration BPDU를 이용하여 Root switch를
선출하고 각 Switch port의 역할을 지정.
 Configuration BPDU는 Root switch가 만들고 다른
Switch들은 수신한 BPDU를 다음 Switch로 중계.
2) TCN BPDU
 Switch가 연결된 Link에 변화가 생겼을 때 이것을 Root
switch에게 알리기 위해 사용.
* 설정 BPDU 필드 중에서 Switch 네트워크의 논리적인
토폴로지를 결정하기 위해 Bridge ID, Path Cost, Port
ID 값을 사용한다.
<Configuration BPDU>
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-21
BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
1) Bridge ID
- 브리지나 Switch가 통신을 할 때 서로를 확인하기 위해 하나씩 가지고 있는 ID.
- Bridge ID가 가장 낮은 Switch가 Root switch로 선출된다.
- Bridge ID는 2Byte의 Bridge Priority(우선순위)와 6Byte의 MAC address로
구성. Bridge Priority의 default 값은 32768 이다.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-22
Spanning-Tree Protocol
Root Bridge Selection
 BPDU (default = sent every 2 seconds)
 Root bridge = bridge with the lowest bridge ID
 Bridge ID =
Bridge
MAC
Priority Address
 In the example, which switch has the lowest bridge ID?
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-23
BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
2) Path cost (경로 값)
- 다른 Switch와 연결된 link가 어떤 속도로 연결된 지 알아내기 위한 값.
- IEEE에서 미리 정한 값을 사용. (속도가 빠를 수록 경로 값이 낮다.)
- BPDU에서 사용하는 Path cost는 해당 Switch에서 Root 스위치까지의
경로를 합한 값이다.
속도
경로값
10Mb Ethernet
100
100Mb Fast Ethernet
19
1000Mb / 1 GE
4
10 Gigabit Ethernet
2
3) Port ID
- BPDU를 전송하는 Switch의 Port 우선순위와 Port 번호로 구성. (기본값 128)
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-24
Spanning-Tree Operations
<STP의 동작 방식>
1. 전체 Switch 중에 Root 스위치 하나를 선택.
2. Root 스위치가 아닌 다른 스위치들은 Root 포트를 하나씩 선택.
3. 한 Switch의 segment마다 Designated(지정) 포트를 하나씩 선택.
4. Root 포트와 Designated 포트가 아닌 포트는 alternate 포트로 선택되고
Block 상태를 유지한다.
100baseT
Port 0
Designated port (F)
Port 0
Switch X
Default priority 32768 Root bridge
MAC 0c0011111111
Port 1
Port 1
Designated port (F)
x
Root port (F)
Switch Y
Default priority 32768
MAC 0c0022222222
Nondesignated port (B)
10baseT
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-25
Spanning-Tree Operations
(1) Root 스위치 선출
- STP가 동작하면 Switch중 Bridge ID가 가장 낮은 것이 Root 스위치로 선출.
* Bridge ID = 우선 순위(Priority) + MAC Address
- Switch의 Priority 값이 동일하면 MAC 주소가 가장 낮은 Switch가 Root 스위치.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-26
Spanning-Tree Operations
(2) Root Port 선출
- Root 스위치가 선택되면 그 외 나머지 Switch의 port에서 Root port를 선택.
- 다음 사항을 비교한 다음 선출.
1) Root 스위치의 ID가 가장 낮은 BPDU를 수신한 port.
2) Path cost가 가장 작은 Port.
3) 인접 Switch의 Bridge ID가 가장 낮은 port.
4) 인접 Switch의 Port ID가 가장 낮은 port.
5) 자신의 Port ID가 가장 낮은 port.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-27
Spanning-Tree Operations
(2) Root Port 선출
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-28
Spanning-Tree Operations
(3) Designated(지정) Port 선출
- Designated Port는 한 세그먼트(segment)당 하나씩 선택. Root 스위치의
모든 포트는 Designated port가 된다.
- 다음 사항을 비교한 다음 선출.
1) Root 스위치의 각 Port.
2) 낮은 순위의 BPDU를 수신한 Port
3) Path cost가 낮은 Switch의 Port
4) Bridge ID가 낮은 Switch의 port.
5) Port ID가 가장 낮은 port
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-29
Spanning-Tree Operations
(3) Designated(지정) Port 선출
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-30
Spanning-Tree Port States
<Spanning-Tree Port States>
1) Blocking State
2) Listening State
3) Learning State
4) Forwarding State
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-31
Spanning-Tree Port States
Spanning tree transits each port through several different states:
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-32
Spanning-Tree Port States
1) Blocking state
 데이터 Frame을 송수신 하지 않는 상태. 하지만 상대 측 Port에서 전송한
BPDU는 수신.
2) Listening state
 해당 Port를 STP Forwarding 상태로 변경시키기 위한 준비 단계.
 Listening 상태에서 Forwarding 시간 동안 특별한 문제가 없으면 Learning
상태로 변경
3) Learning state
 해당 Port를 STP Forwarding 상태로 변경시키기 바로 전의 단계
 Frame을 스위칭 시키기 위한 준비 작업을 한다. Forwarding 시간 동안 특별한
문제가 없으면 Forwarding 상태로 변경
4) Forwarding state
 Data Frame을 송수신하는 상태
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-33
Spanning-Tree Port States
- STP에 따라 원래 통신을 하던 Link에 문제가 발생했을 경우 대기하고
있던 다른 Link로 대체하기까지 50초 정도의 시간이 걸린다.
Blocking(20sec)  listening(15sec)  Learning(15sec)  Forwarding
 하지만 최근에는 여러 기술들로 이러한 약점들을 보완하고 있다.
1) Ether channel : 여러 개의 Link가 하나의 링크처럼 동작하게 하는 기술
(최대 8개 Link를 묶을 수 있다.)
평소에는 두 배의 속도를 낼 수 있고 하나의 Link가 끊어져도
기다리는 시간 없이 Link 가 유지된다.
2) Uplink fast : Link 복구 시간을 1분에서 약 2~3초 안에 가능하도록 만든 기술
3) RSTP, MSTP 등의 기술을 사용해도 Convergence 시간을 단축시킬 수 있다.
© 1999, Cisco Systems, Inc.
www.cisco.com
ICND—12-34