Το πρωτόκολλο Spanning Tree, που μερικές φορές αναφέρεται ως δέντρο Spanning, είναι το Waze ή το MapQuest των σύγχρονων δικτύων Ethernet, κατευθύνοντας την κυκλοφορία κατά μήκος της πιο αποτελεσματικής διαδρομής που βασίζεται σε συνθήκες σε πραγματικό χρόνο.
Με βάση έναν αλγόριθμο που δημιουργήθηκε από τον Αμερικανό επιστήμονα υπολογιστών Radia Perlman, ενώ εργαζόταν για την Digital Equipment Corporation (DEC) το 1985, ο πρωταρχικός σκοπός του Spanning Tree είναι να αποτρέψει περιττές συνδέσεις και το βρόχο των οδών επικοινωνίας σε σύνθετες διαμορφώσεις δικτύου. Ως δευτερεύουσα λειτουργία, το Spanning Tree μπορεί να δρομολογήσει πακέτα γύρω από σημεία προβλημάτων για να διασφαλίσει ότι οι επικοινωνίες είναι σε θέση να ανεβαίνουν μέσω δικτύων που μπορεί να αντιμετωπίζουν διαταραχές.
Spanning Tree Topology vs. Ring Topology
Όταν οι οργανισμοί μόλις άρχισαν να εφαρμόζουν τους υπολογιστές τους στη δεκαετία του 1980, μία από τις πιο δημοφιλείς διαμορφώσεις ήταν το δίκτυο δακτυλίων. Για παράδειγμα, η IBM εισήγαγε την ιδιόκτητη τεχνολογία δαχτυλιδιών Token το 1985.
Σε μια τοπολογία δικτύου δακτυλίου, κάθε κόμβος συνδέεται με δύο άλλα, ένας που κάθεται μπροστά του στο δαχτυλίδι και ένας που είναι τοποθετημένος πίσω από αυτό. Τα σήματα ταξιδεύουν μόνο γύρω από το δαχτυλίδι σε μία κατεύθυνση, με κάθε κόμβο κατά μήκος του δρόμου να παραδίδει όλα τα πακέτα που περνούν γύρω από το δαχτυλίδι.
Ενώ τα απλά δίκτυα δαχτυλιδιών λειτουργούν καλά όταν υπάρχουν μόνο λίγες υπολογιστές, τα δαχτυλίδια γίνονται αναποτελεσματικά όταν προστίθενται εκατοντάδες ή χιλιάδες συσκευές σε ένα δίκτυο. Ένας υπολογιστής μπορεί να χρειαστεί να στείλει πακέτα μέσω εκατοντάδων κόμβων μόνο για να μοιραστεί πληροφορίες με ένα άλλο σύστημα σε ένα παρακείμενο δωμάτιο. Το εύρος ζώνης και η απόδοση γίνονται επίσης πρόβλημα όταν η κυκλοφορία μπορεί να ρέει μόνο προς τη μία κατεύθυνση, χωρίς το σχέδιο εφεδρικής εφεδρείας εάν ένας κόμβος κατά μήκος του δρόμου σπάει ή υπερβολικά συμφορημένη.
Στη δεκαετία του '90, καθώς το Ethernet έγινε ταχύτερο (100mbit/sec. Το γρήγορο Ethernet εισήχθη το 1995) και το κόστος ενός δικτύου Ethernet (γέφυρες, διακόπτες, καλωδίωση) έγινε σημαντικά φθηνότερο από το δακτύλιο του διακριτικού, ο Spanning κέρδισε τους πολέμους τοπολογίας LAN και τα διακριτικά Ο δακτύλιος γρήγορα ξεθωριάσει.
Πώς λειτουργεί το δέντρο spanning
Το Spanning Tree είναι ένα πρωτόκολλο προώθησης για πακέτα δεδομένων. Είναι ένας αστυνομικός κυκλοφορίας και ένας πολιτικός μηχανικός για τους αυτοκινητόδρομους δικτύου που τα δεδομένα ταξιδεύουν. Βρίσκεται στο επίπεδο 2 (στρώμα συνδέσμου δεδομένων), επομένως ασχολείται απλά με τα κινούμενα πακέτα στον κατάλληλο προορισμό τους, όχι τι είδους πακέτα αποστέλλονται ή τα δεδομένα που περιέχουν.
Το Spanning Tree έχει γίνει τόσο πανταχού παρόν ώστε η χρήση του να ορίζεται στοΠρότυπο δικτύωσης IEEE 802.1D. Όπως ορίζεται στο πρότυπο, μπορεί να υπάρχει μόνο μία ενεργή διαδρομή μεταξύ οποιωνδήποτε δύο τελικών σημείων ή σταθμών για να λειτουργούν σωστά.
Το Spanning Tree έχει σχεδιαστεί για να εξαλείψει την πιθανότητα ότι τα δεδομένα που διέρχονται μεταξύ των τμημάτων του δικτύου θα κολλήσουν σε ένα βρόχο. Σε γενικές γραμμές, οι βρόχοι συγχέουν τον αλγόριθμο προώθησης που είναι εγκατεστημένος σε συσκευές δικτύου, καθιστώντας την έτσι ώστε η συσκευή να μην γνωρίζει πλέον πού να στείλει πακέτα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει στην επικάλυψη των πλαισίων ή στην προώθηση διπλών πακέτων σε πολλούς προορισμούς. Τα μηνύματα μπορούν να επαναληφθούν. Οι επικοινωνίες μπορούν να αναπηδήσουν σε έναν αποστολέα. Μπορεί ακόμη και να καταρρεύσει ένα δίκτυο εάν αρχίσουν να εμφανίζονται πάρα πολλοί βρόχοι, τρώγοντας εύρος ζώνης χωρίς κανένα αξιοσημείωτο κέρδος, ενώ εμποδίζει άλλες μη βρόχους κυκλοφορίας από το να περάσει.
Το πρωτόκολλο Spanning TreeΣταματά τους βρόχους να σχηματίζουνκλείνοντας όλα εκτός από ένα πιθανό μονοπάτι για κάθε πακέτο δεδομένων. Διακόπτει σε ένα δίκτυο χρήσης δέντρου spanning για να καθορίσει τις διαδρομές ριζών και τις γέφυρες όπου τα δεδομένα μπορούν να ταξιδεύουν και λειτουργικά κλείνουν διπλά μονοπάτια, καθιστώντας τους ανενεργή και άχρηστα, ενώ είναι διαθέσιμη μια πρωταρχική διαδρομή.
Το αποτέλεσμα είναι ότι οι επικοινωνίες δικτύων ρέουν απρόσκοπτα ανεξάρτητα από το πόσο περίπλοκο ή τεράστιο είναι ένα δίκτυο. Κατά κάποιο τρόπο, το Spanning Tree δημιουργεί μεμονωμένα μονοπάτια μέσω ενός δικτύου για τα δεδομένα που ταξιδεύουν χρησιμοποιώντας το λογισμικό με τον ίδιο τρόπο που οι μηχανικοί του δικτύου έκαναν χρησιμοποιώντας υλικό στα παλιά δίκτυα βρόχου.
Πρόσθετα οφέλη από το Spanning Tree
Ο πρωταρχικός λόγος που χρησιμοποιείται το δέντρο που χρησιμοποιείται είναι να εξαλειφθεί η πιθανότητα βρόχου δρομολόγησης μέσα σε ένα δίκτυο. Υπάρχουν όμως και άλλα πλεονεκτήματα.
Επειδή το Spanning Tree αναζητά συνεχώς και καθορίζει ποιες διαδρομές δικτύου είναι διαθέσιμες για να ταξιδεύουν τα πακέτα δεδομένων, μπορεί να ανιχνεύσει εάν ένας κόμβος που κάθεται κατά μήκος ενός από αυτά τα πρωτογενή μονοπάτια έχει απενεργοποιηθεί. Αυτό μπορεί να συμβεί για διάφορους λόγους που κυμαίνονται από μια αποτυχία υλικού σε μια νέα διαμόρφωση δικτύου. Μπορεί ακόμη και να είναι μια προσωρινή κατάσταση που βασίζεται σε εύρος ζώνης ή άλλους παράγοντες.
Όταν το δέντρο Spanning ανιχνεύει ότι μια πρωταρχική διαδρομή δεν είναι πλέον ενεργή, μπορεί γρήγορα να ανοίξει ένα άλλο μονοπάτι που είχε προηγουμένως κλείσει. Στη συνέχεια, μπορεί να στείλει δεδομένα γύρω από το σημείο προβλημάτων, να ορίσει τελικά την παράκαμψη ως τη νέα πρωταρχική διαδρομή ή να στέλνει πακέτα πίσω στην αρχική γέφυρα εάν είναι και πάλι διαθέσιμο.
Ενώ το αρχικό δέντρο Spanning ήταν σχετικά γρήγορο για να κάνει αυτές τις νέες συνδέσεις ανάλογα με τις ανάγκες, το 2001 το IEEE εισήγαγε το πρωτόκολλο Rapid Spanning Tree (RSTP). Επίσης αναφέρεται ως η έκδοση 802.1W του πρωτοκόλλου, το RSTP σχεδιάστηκε για να παρέχει σημαντικά ταχύτερη ανάκαμψη σε απάντηση στις αλλαγές δικτύου, στις προσωρινές διακοπές ή στην ολοκληρωμένη αποτυχία των εξαρτημάτων.
Και ενώ το RSTP εισήγαγε νέες συμπεριφορές σύγκλισης διαδρομής και ρόλους θύρας γεφυρών για να επιταχύνει τη διαδικασία, σχεδιάστηκε επίσης για να είναι πλήρως προς τα πίσω συμβατά με το αρχικό δέντρο. Επομένως, είναι δυνατόν για συσκευές και με τις δύο εκδόσεις του πρωτοκόλλου να λειτουργούν μαζί στο ίδιο δίκτυο.
Ελλείψεις του δέντρου
Ενώ το Spanning Tree έχει γίνει πανταχού παρόν για τα πολλά χρόνια μετά την εισαγωγή του, υπάρχουν εκείνοι που υποστηρίζουν ότι είναιήρθε η ώρα. Το μεγαλύτερο σφάλμα του δέντρου είναι ότι κλείνει τους πιθανούς βρόχους μέσα σε ένα δίκτυο κλείνοντας πιθανές οδούς όπου τα δεδομένα θα μπορούσαν να ταξιδέψουν. Σε οποιοδήποτε δεδομένο δίκτυο χρησιμοποιώντας το δέντρο spanning, περίπου το 40% των δυνητικών διαδρομών δικτύου είναι κλειστά για δεδομένα.
Σε εξαιρετικά σύνθετα περιβάλλοντα δικτύωσης, όπως αυτά που βρίσκονται στα κέντρα δεδομένων, η δυνατότητα να αυξάνεται γρήγορα για να καλύψει τη ζήτηση είναι κρίσιμη. Χωρίς τους περιορισμούς που επιβάλλονται από το Spanning Tree, τα κέντρα δεδομένων θα μπορούσαν να ανοίξουν πολύ περισσότερο εύρος ζώνης χωρίς την ανάγκη για πρόσθετο υλικό δικτύωσης. Αυτό είναι ένα είδος ειρωνικής κατάστασης, επειδή τα περίπλοκα περιβάλλοντα δικτύωσης είναι ο λόγος για τον οποίο δημιουργήθηκε το δέντρο. Και τώρα η προστασία που παρέχεται από το πρωτόκολλο κατά του βρόχου είναι, κατά κάποιο τρόπο, κρατώντας αυτά τα περιβάλλοντα από το πλήρες δυναμικό τους.
Μια εκλεπτυσμένη έκδοση του πρωτοκόλλου που ονομάζεται δέντρο spanning spanning πολλαπλών επιπέδων (MSTP) αναπτύχθηκε για να χρησιμοποιήσει εικονικά LAN και να καταστεί δυνατή η ανοικτή διαδρομές δικτύου ταυτόχρονα, ενώ εξακολουθεί να εμποδίζει τη διαμόρφωση βρόχων. Αλλά ακόμα και με το MSTP, αρκετές πιθανές διαδρομές δεδομένων παραμένουν κλειστές σε οποιοδήποτε δεδομένο δίκτυο που χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο.
Υπήρξαν πολλές μη τυποποιημένες, ανεξάρτητες προσπάθειες βελτίωσης των περιορισμών του εύρους ζώνης του δέντρου με τα χρόνια. Ενώ οι σχεδιαστές ορισμένων από αυτούς έχουν ζητήσει επιτυχία στις προσπάθειές τους, οι περισσότεροι δεν είναι εντελώς συμβατοί με το πρωτόκολλο πυρήνα, πράγμα που σημαίνει ότι οι οργανισμοί πρέπει είτε να χρησιμοποιούν τις μη τυποποιημένες αλλαγές σε όλες τις συσκευές τους είτε να βρουν κάποιο τρόπο για να τους επιτρέψουν να υπάρχουν με Διακόπτες που εκτελούν το πρότυπο δέντρο spanning. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το κόστος διατήρησης και υποστήριξης πολλαπλών γεύσεων από το Spanning Tree δεν αξίζει την προσπάθεια.
Το Spanning Tree θα συνεχιστεί στο μέλλον;
Εκτός από τους περιορισμούς στο εύρος ζώνης λόγω των διαδρομών δικτύου κλεισίματος δέντρων, δεν υπάρχει μεγάλη σκέψη ή προσπάθεια να αντικατασταθεί το πρωτόκολλο. Παρόλο που το IEEE απελευθερώνει περιστασιακά ενημερώσεις για να προσπαθήσει να το καταστήσει πιο αποτελεσματικό, είναι πάντα συμβατοί προς τα πίσω με τις υπάρχουσες εκδόσεις του πρωτοκόλλου.
Κατά μία έννοια, το Spanning Tree ακολουθεί τον κανόνα του "αν δεν έχει σπάσει, μην το διορθώσετε". Το δέντρο spanning τρέχει ανεξάρτητα στο παρασκήνιο των περισσότερων δικτύων για να διατηρήσει τη ροή της κυκλοφορίας, να αποτρέψει τη διαμόρφωση βρόχων που προκαλούν συντριβές και να δρομολογούν την κυκλοφορία γύρω από τα σημεία προβλημάτων, έτσι ώστε οι τελικοί χρήστες να μην γνωρίζουν ποτέ αν το δίκτυό τους βιώνει προσωρινά διαταραχές ως μέρος της ημέρας-προς- τις εργασίες ημέρας. Εν τω μεταξύ, στο backend, οι διαχειριστές μπορούν να προσθέσουν νέες συσκευές στα δίκτυά τους χωρίς να σκεφτούν πολύ για το αν θα μπορούν να επικοινωνούν με το υπόλοιπο δίκτυο ή τον έξω κόσμο.
Εξαιτίας όλων αυτών, είναι πιθανό ότι το Spanning Tree θα παραμείνει σε χρήση για πολλά χρόνια. Μπορεί να υπάρχουν κάποιες μικρές ενημερώσεις από καιρό σε καιρό, αλλά το πρωτόκολλο Core Spanning Tree και όλα τα κρίσιμα χαρακτηριστικά που εκτελεί είναι πιθανώς εδώ για να μείνουν.
Χρόνος δημοσίευσης: Νοέμβριος-07-2023
