دليل بروتوكول الشجرة المتفرعة (STP): المفهوم والعمل

في البنية التحتية للشبكة، تحدث الحلقة عندما تتداول حزم الشبكة باستمرار بين جهازين أو أكثر من أجهزة الشبكة دون الوصول إلى وجهتها المقصودة. ينشأ هذا الوضع بسبب وجود مسارات متكررة أو متعددة بين أجهزة الشبكة، مما يتسبب في انتقال الحزم في حلقة إلى أجل غير مسمى.

يمكن أن تؤدي حلقات الشبكة إلى تعطيل أداء الشبكة بشكل خطير، مما يؤدي إلى شبكات بطيئة أو غير مستجيبة، وزيادة الازدحام، وحتى أعطال الشبكة. يعد منع حلقات الشبكة أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على شبكة مستقرة وفعالة.

يمكن أن تحدث حلقات الشبكة لأسباب مختلفة، وإليك بعض الأمثلة:

• الاتصالات المتكررة: يمكن أن تتسبب الاتصالات المتكررة بين أجهزة الشبكة، مثل المحولات أو الموجهات، في حلقات شبكة عن طريق السماح للحزم بالانتقال عبر مسارات متعددة، مما يؤدي إلى الازدحام وتكوين الحلقات.
• أجهزة الشبكة ذات التكوين الخاطئ: يمكن أن تتسبب أجهزة الشبكة ذات التكوين الخاطئ في حلقات شبكة. على سبيل المثال، إذا تم تكوين منفذي محول بشكل غير صحيح ليكونوا في نفس شبكة VLAN، فقد يتم إعادة توجيه الحزم بينهما، مما يؤدي إلى إنشاء حلقة.
• مشكلات تصميم الشبكة: يمكن أن يساهم تصميم الشبكة السيئ في حلقات الشبكة. قد يؤدي إضافة روابط متكررة إلى شبكة لم يتم تصميمها بشكل مناسب للتكرار إلى حلقات شبكة.
• الخطأ البشري: يمكن أن يتسبب الخطأ البشري أيضًا في حلقات الشبكة عن طريق ارتكاب أخطاء أثناء تكوين أو تعديل أجهزة الشبكة أو الكابلات.

دعنا نستكشف كيفية منع حلقات الشبكة والتغلب على المشكلات ذات الصلة في الشبكة.

بروتوكول الشجرة الممتدة (STP)

بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) هو طريقة مستخدمة على نطاق واسع وفعالة لمنع الحلقات في الشبكة. يساعد على منع الحلقات من خلال المراقبة النشطة لطوبولوجيا الشبكة وحظر الروابط المتكررة بشكل انتقائي. وهذا يضمن وجود مسار نشط واحد فقط بين أي جهازين من أجهزة الشبكة. من خلال القيام بذلك، يساعد STP على منع عواصف البث وازدحام الشبكة الذي يمكن أن ينتج عن الحلقات. على الرغم من وجود طرق أخرى لمنع حلقات الشبكة، إلا أن STP هو حل قوي وموثوق. وهو مدعوم من قبل معظم أجهزة الشبكة ويتم تنفيذه على نطاق واسع في شبكات المؤسسات.

كيف يعمل STP؟

يحدد STP الواجهات التي يجب أن تمرر حركة المرور، ويتم وضع أي واجهات متبقية في حالة حظر. يستخدم STP ثلاثة معايير لتحديد ما إذا كان يجب وضع الواجهة في حالة تمرير:

• اختيار الجسر الجذري
• اختيار المنفذ الجذري
• اختيار المنفذ المعين والمنفذ غير المعين

1. اختيار الجسر الجذري.

في الشبكة التي تحتوي على محولات متعددة، يتم انتخاب محول واحد كجسر جذري، والذي يصبح النقطة المركزية للشبكة. يتم اختيار الجسر الجذري من خلال عملية انتخاب تستند إلى معرفات الجسر (Bridge IDs) للمحولات في الشبكة. معرف الجسر هو معرف فريد يتم تعيينه لكل محول ويتم حسابه عن طريق دمج قيمة الأولوية وعنوان MAC للمحول.

عند تمكين بروتوكول الشجرة المتفرعة (STP) لأول مرة على محول، فإنه يفترض أنه الجسر الجذري ويبدأ ببث رسائل BPDU (وحدة بيانات بروتوكول الجسر) إلى المحولات الأخرى. يقوم كل محول يتلقى رسالة BPDU بمقارنة معرف الجسر للمحول المرسل بمعرف الجسر الخاص به. يتم اختيار المحول ذي معرف الجسر الأقل كجسر جذري، وتقوم جميع المحولات الأخرى بتعديل تكوينات STP الخاصة بها وفقًا لذلك.

إذا كان لمحولين نفس قيمة الأولوية، يتم اختيار المحول ذي عنوان MAC الأقل كجسر جذري. في حالة التعادل، يتم اختيار الجسر الجذري بناءً على أولوية المنفذ ومعرف المنفذ. بمجرد اختيار الجسر الجذري، يتم حساب طوبولوجيا الشبكة، ويحدد STP أفضل مسار لإعادة توجيه البيانات عبر الشبكة.

في المثال التالي، تم اختيار المحول 1 كجسر جذري بناءً على قيمة معرف الجسر الخاص به. على الرغم من أن جميع المحولات لها نفس قيمة الأولوية، يمتلك المحول 1 أقل عنوان MAC عندما يتم دمج معرف MAC مع قيمة الأولوية؛ وبالتالي، يصبح هو الجسر الجذري.

 

بشكل افتراضي، تكون بروتوكول الشجرة المتفرعة (STP) ممكّنة على المحولات. استخدم الأمر أدناه للتحقق من تفاصيل الجسر الجذري والمنفذ الجذري والمنفذ المعين.

show spanning-tree

2. اختيار المنفذ الجذري.

يحدد كل جسر غير جذري المسار الأكثر كفاءة للوصول إلى الجسر الجذري. يصبح المنفذ الذي يوفر أقصر مسار هو المنفذ الجذري المعين لذلك الجسر غير الجذري. يحتوي كل جسر غير جذري على منفذ جذري واحد فقط، والذي يوفر أسرع مسار إلى الجسر الجذري.

يتم اختيار المنفذ الجذري بمقارنة تكلفة منافذ كل محول غير جذري للوصول إلى الجسر الجذري. يتم اختيار المنفذ ذي التكلفة الأقل كمنفذ جذري. تُحدد تكلفة المنفذ بواسطة سرعة الرابط بين المحول والجسر الجذري. يستخدم STP مقياسًا يسمى تكلفة المسار (Path Cost) لحساب تكلفة المنفذ. تعتمد تكلفة المسار على سرعة الرابط، حيث تؤدي السرعات الأعلى إلى تكاليف مسار أقل.

أثناء عملية اختيار المنفذ الجذري، يمكن أن يحدث تعادل عندما يكون لمنفذين أو أكثر على جسر غير جذري نفس التكلفة للوصول إلى الجسر الجذري. في مثل هذه الحالات، تُستخدم آليات كسر التعادل التالية.

1. تتم مقارنة معرف الجسر (Bridge ID) للمحول المُرسِل، ويصبح المحول ذو معرف الجسر الأقل هو الجسر الجذري (Root Bridge). ثم يتم اختيار المنفذ المقابل له كمنفذ جذري (Root Port). في هذا المثال، يمكن للمحول 3 (Switch 3) الوصول إلى الجسر الجذري عبر المحول 1 (Switch 1) أو المحول 4 (Switch 4). نظرًا لتساوي التكلفة على كلا واجهتي المحول 3، يتم استخدام معرف MAC (MAC ID) للمحول المُرسِل كعامل لكسر التعادل. بما أن المحول 4 (Switch 4) يمتلك أقل معرف MAC، يتم اختيار المنفذ Fa0/3 كمنفذ جذري على المحول 3 (Switch 3).
2. إذا استمر التعادل بعد مقارنة معرفات الجسر (Bridge IDs) (وهو ما يمكن أن يحدث إذا كانت هناك روابط متعددة متصلة بنفس المحول)، يتم استخدام أقل قيمة لأولوية منفذ الجار (neighbor port priority). بشكل افتراضي، تكون قيمة أولوية المنفذ 128. إذا استمر التعادل، يختار المحول المُرسِل المنفذ ذو الرقم الأقل كمنفذ جذري. في هذا المثال، يمتلك المحول 3 (Switch 3) روابط متعددة للوصول إلى الجسر الجذري، مما يؤدي إلى تعادل في معرف الجسر للمحول المُرسِل.
   لكسر هذا التعادل، تُستخدم أولوية المنفذ (port priority) كعامل لكسر التعادل. نظرًا لتساوي أولوية المنفذ لهذه المنافذ أيضًا، يتم استخدام أقل رقم منفذ كعامل حاسم، مما يؤدي إلى اختيار المنفذ Fa0/3 كمنفذ جذري.

3. اختيار المنافذ المعينة وغير المعينة (Designated and Non-Designated Ports)

المنافذ المعينة (Designated Ports) مسؤولة عن إعادة توجيه حركة المرور على الشبكة، بينما يتم حظر المنافذ غير المعينة (Non-Designated Ports) لمنع حدوث حلقات (loops). على غرار عملية اختيار المنفذ الجذري، يتم تحديد المنفذ المعين بناءً على أقل تكلفة مسار للوصول إلى الجسر الجذري. من المهم ملاحظة أن جميع المنافذ على الجسر الجذري هي منافذ معينة.

إذا كان هناك تعادل في تكلفة المسار، تتم مقارنة معرف المحول (Switch ID) لتحديد المنفذ المعين. إذا استمر التعادل في معرف المحول، يتم استخدام رقم المنفذ المحلي لكسر التعادل، ويتم تعيين المحول ذي رقم المنفذ الأقل كمنفذ معين.

بمجرد اختيار المنفذ المعين، يتم وضع جميع المنافذ الأخرى على المحول التي ليست منافذ معينة في حالة حظر (blocking state). هذا يمنع الحلقات في الشبكة ويضمن تدفق حركة المرور في الاتجاه الصحيح.

في الختام، يُعد فهم العملية التي يختار بها بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) الجسر الجذري، والمنفذ الجذري، والمنافذ المعينة وغير المعينة أمرًا جوهريًا لمنع الحلقات الشبكية التي قد تعطل أداء الشبكة بشكل كبير. يمكن أن تؤدي الحلقات الشبكية إلى شبكات بطيئة أو غير مستجيبة، وزيادة في الازدحام، وحتى انهيار الشبكة. لذلك، فإن تطبيق STP — بصفته طريقة مستخدمة على نطاق واسع وفعالة لمنع الحلقات في الشبكة — يُعد حاسمًا للحفاظ على شبكة مستقرة وذات كفاءة.