신장 트리 프로토콜
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1. 개요
신장 트리 프로토콜(STP)은 근거리 통신망(LAN)에서 스위칭 루프를 방지하기 위해 사용되는 프로토콜이다. STP는 네트워크 내 브리지 간의 중복 링크로 인해 발생하는 브로드캐스트 폭주 및 MAC 주소 테이블 불안정 문제를 해결하며, 네트워크 토폴로지를 모니터링하고 하나의 선호 링크를 설정하여 중복 링크를 차단한다. STP는 1990년 IEEE에 의해 표준화되었으며, 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP)과 다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP)로 발전하여 수렴 시간 단축 및 VLAN 환경에서의 동작 개선을 이루었다. 최신 기술로는 최단 경로 브리징(SPB)이 있으며, STP는 컨버전스 시간이 길고 링크 차단 방식이라는 한계로 인해 TRILL, IP 라우팅, 스위치 가상화 기술 등과 같은 대안 기술이 등장하고 있다.
래디아 펄먼이 디지털 이큅먼트 코퍼레이션에서 최초의 스패닝 트리 프로토콜을 개발한 이후,[1] 1990년 IEEE는 이 알고리즘을 기반으로 한 첫 표준인 802.1D를 발표했다.[13] 그 후 1998년[14]과 2004년[15]에 다양한 확장을 포함한 후속 버전들이 발표되었다.
신장 트리 프로토콜(STP)은 LAN에서 루프 구성을 방지하기 위해 필요한 기술이다. STP는 LAN을 그래프로 보고, 일부 연결을 의도적으로 끊어 스패닝 트리를 만든다. 스패닝 트리는 루프(사이클)를 가지지 않으므로 LAN 내부 루프가 발생하지 않는다.[1]
2. 역사
IEEE 표준과 별개로, 펄먼이 원래 개발한 DEC STP는 표준이 아니며 메시지 형식과 타이머 설정 등에서 IEEE 버전과 차이가 있어 상호 운용에 문제가 발생할 수 있다.[16] IEEE는 이러한 문제를 해결하기 위해 프로토콜 구현 적합성 선언을 권장한다.[15]
STP는 IEEE와 DEC에서 제정한 두 가지 규격이 있지만, 일반적으로 사용되는 것은 IEEE의 규격이며 호환성 문제가 있다.
이후, 수렴 시간과 VLAN 환경에서의 동작을 개선하기 위해 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP, IEEE 802.1w)과 멀티플 스패닝 트리 프로토콜(MSTP, IEEE 802.1s)이 각각 규정되었고, IEEE 802.1s는 후에 IEEE 802.1Q에 통합되었다.
2. 1. 초기 개발
최초의 스패닝 트리 프로토콜은 1985년 디지털 이큅먼트 코퍼레이션에서 근무하던 래디아 펄먼에 의해 발명되었다.[1] 1990년, IEEE는 펄먼이 설계한 알고리즘을 기반으로 프로토콜에 대한 첫 번째 표준인 802.1D를 발표했다.[13]
원래 펄먼이 영감을 준 스패닝 트리 프로토콜인 DEC STP는 표준이 아니며 메시지 형식과 타이머 설정에서 IEEE 버전과 다르다. 일부 브리지는 IEEE 버전과 DEC 버전의 스패닝 트리 프로토콜을 모두 구현하지만 상호 작용은 네트워크 관리자에게 문제를 일으킬 수 있다.[16] 표준의 서로 다른 구현은 예를 들어 기본 타이머 설정의 차이로 인해 상호 운용을 보장하지 않는다. IEEE는 사용자가 서로 다른 구현이 올바르게 상호 운용될지 여부를 판단하는 데 도움이 되도록 공급업체가 어떤 기능과 옵션이 구현되었는지 선언하는 프로토콜 구현 적합성 선언을 제공하도록 권장한다.[15]
본 프로토콜은 DEC에서 근무하던 라디아 펄먼에 의해 발명된 알고리즘을 기반으로 한다. LAN을 점과 선으로 구성되는 그래프로 간주하고, LAN 연결의 일부를 의도적으로 사용 금지함으로써 스패닝 트리를 구성한다. 이로써 트리 구조는 루프(사이클)를 가지지 않으므로 LAN 내부에서의 루프가 회피된다.
STP의 표준에는 IEEE와 DEC가 제정한 두 가지 다른 규격이 존재하지만, 컴퓨터 네트워크에서 일반적으로 사용되는 것은 IEEE의 규격이다. 이들 사이에는 호환성이 없으며, 두 STP를 동시에 운용하는 경우에는 정상적으로 동작하지 않는다.
2. 2. IEEE 표준화
래디아 펄먼이 디지털 이큅먼트 코퍼레이션에서 개발한 최초의 스패닝 트리 프로토콜을 기반으로,[1] 1990년 IEEE는 프로토콜에 대한 첫 번째 표준인 802.1D를 발표했다.[13] 이후 1998년[14]과 2004년[15]에 다양한 확장을 포함한 후속 버전이 발표되었다.
원래 펄먼이 개발한 스패닝 트리 프로토콜인 DEC STP는 표준이 아니며, 메시지 형식과 타이머 설정에서 IEEE 버전과 차이가 있다. 일부 브리지는 IEEE 버전과 DEC 버전의 스패닝 트리 프로토콜을 모두 구현하지만, 이들의 상호 작용은 네트워크 관리자에게 문제를 일으킬 수 있다.[16]
표준의 서로 다른 구현은, 예를 들어 기본 타이머 설정의 차이 때문에, 상호 운용을 보장하지 않는다. IEEE는 사용자가 서로 다른 구현이 올바르게 상호 운용될지 여부를 판단하는 데 도움이 되도록, 공급업체가 어떤 기능과 옵션이 구현되었는지 선언하는 프로토콜 구현 적합성 선언을 제공하도록 권장한다.[15]
컴퓨터 네트워크에서 일반적으로 사용되는 것은 IEEE의 규격이며, DEC가 제정한 규격과 IEEE의 규격 두 가지가 있지만 이 둘은 서로 호환성이 없으며 동시에 운영하는 경우 정상 작동하지 않는다.
2. 3. 래피드 스패닝 트리 프로토콜 (RSTP)
IEEE는 2001년에 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP)을 '''IEEE 802.1w'''로 도입했다. RSTP는 이후 IEEE 802.1D-2004에 통합되어 기존 STP 표준을 구식으로 만들었다.[17] RSTP는 표준 STP와의 하위 호환성을 고려하여 설계되었다.
RSTP는 토폴로지 변경 후 스패닝 트리를 훨씬 빠르게 수렴시키기 위해 새로운 수렴 동작과 브리지 포트 역할을 도입했다. STP가 토폴로지 변경에 30~50초가 걸리는 반면, RSTP는 일반적으로 3 ''헬로 타임'' (기본값: 3 × 2초) 이내 또는 물리적 링크 장애 발생 후 몇 밀리초 이내에 변경 사항에 응답할 수 있다. 헬로 타임은 RSTP가 여러 목적으로 사용하는 중요하고 구성 가능한 시간 간격이며, 기본값은 2초이다.[18][19]
RSTP는 링크 장애 발생 후 수렴 속도를 높이기 위해 다음과 같은 새로운 브리지 포트 역할을 추가했다.
포트가 있을 수 있는 스위치 포트 상태의 수는 STP의 원래 5개에서 3개로 줄었다.
RSTP 작동 세부 정보는 다음과 같다.
RSTP에 의해, 일반적인 STP가 (네트워크의 크기에 따라 다르지만) 40~50초 걸리는 수렴 시간을 수 초로 억제할 수 있다.
2. 4. 다중 스패닝 트리 프로토콜 (MSTP)
다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP)은 IEEE 802.1s-2002에 처음 정의되었고, 이후 IEEE 802.1Q-2005에 통합되어 VLAN의 활용성을 높이기 위해 RSTP를 확장한 프로토콜이다.[20]
이 표준에서 하나 이상의 VLAN을 매핑하는 스패닝 트리를 '다중 스패닝 트리'(MST)라고 부른다. MSTP에서 스패닝 트리는 개별 VLAN 또는 VLAN 그룹에 대해 정의할 수 있다. 관리자는 스패닝 트리 내에서 대체 경로를 정의할 수도 있다. 스위치는 먼저 MST 영역에 할당된 다음 VLAN은 이 MST에 매핑되거나 할당된다. '공통 스패닝 트리'(CST)는 여러 VLAN이 매핑되는 MST이며, 이 VLAN 그룹을 'MST 인스턴스'(MSTI)라고 한다. CST는 STP 및 RSTP 표준과 하위 호환된다. 하나의 VLAN만 할당된 MST는 '내부 스패닝 트리'(IST)이다.[20]
일부 독점적인 VLAN당 스패닝 트리 구현과 달리,[28] MSTP는 모든 스패닝 트리 정보를 단일 BPDU 형식에 포함한다. 이는 각 VLAN에 대한 스패닝 트리 정보를 전달하는 데 필요한 BPDU 수를 줄이고, RSTP 및 클래식 STP와의 하위 호환성을 보장한다. MSTP는 표준 RSTP BPDU 뒤에 추가적인 정보 영역과 여러 MSTI 메시지(0~64개 인스턴스, 실제로는 많은 브리지가 더 적은 수를 지원)를 인코딩하여 이를 수행한다. 각 MSTI 구성 메시지는 각 인스턴스에 대한 스패닝 트리 정보를 전달한다. 각 인스턴스에는 구성된 여러 VLAN을 할당할 수 있으며, 이러한 VLAN에 할당된 프레임은 MST 영역 내에 있을 때마다 이 스패닝 트리 인스턴스에서 작동한다. 각 BPDU에서 전체 VLAN을 스패닝 트리 매핑으로 전달하지 않기 위해 브리지는 MSTP BPDU에서 VLAN-인스턴스 테이블의 MD5 다이제스트를 인코딩한다. 이 다이제스트는 다른 MSTP 브리지가 자체적으로 동일한 MST 영역에 있는지 여부를 결정하기 위해 다른 관리적으로 구성된 값과 함께 사용된다.
MSTP는 RSTP 브리지가 MSTP BPDU를 RSTP BPDU로 해석할 수 있다는 점에서 RSTP 브리지와 완벽하게 호환된다. 이는 구성 변경 없이 RSTP 브리지와의 호환성을 허용할 뿐만 아니라 MSTP 영역 외부에 있는 모든 RSTP 브리지가 영역 내의 MSTP 브리지 수에 관계없이 해당 영역을 단일 RSTP 브리지로 인식하게 된다. MSTP 영역을 단일 RSTP 브리지로 보려는 이 관점을 더욱 촉진하기 위해 MSTP 프로토콜은 RSTP에서 사용되는 메시지 에이징 타이머 대신 잔여 홉이라는 변수를 생존 시간 카운터로 사용한다. 메시지 에이징 시간은 스패닝 트리 정보가 MST 영역에 들어갈 때 한 번만 증가하므로 RSTP 브리지는 영역을 스패닝 트리에서 단 하나의 '홉'으로 간주한다. RSTP 또는 STP 브리지 또는 엔드포인트에 연결된 MSTP 영역의 가장자리에 있는 포트는 경계 포트라고 한다. RSTP에서와 마찬가지로 이러한 포트는 엔드포인트에 연결될 때 전달 상태에 대한 신속한 변경을 용이하게 하기 위해 에지 포트로 구성할 수 있다.
스패닝 트리의 동작상의 결점으로는 수렴까지의 시간이 오래 걸린다는 점과, VLAN을 구성하는 환경에서의 동작이 어렵다는 점이 있었다. 수렴 시간 단축을 도모한 규격으로 IEEE 802.1w에 '''래피드 스패닝 트리 프로토콜'''(Rapid Spanning Tree Protocol, '''RSTP''')이, VLAN 환경에서의 동작을 고려한 규격으로 IEEE 802.1s에 '''멀티플 스패닝 트리 프로토콜'''(Multiple Spanning Tree Protocol, '''MSTP''')이 각각 규정되었다. IEEE 802.1s는 후에 IEEE 802.1Q에 통합되었다.
3. 필요성
STP를 사용하면 사용자가 실수로 루프를 만들어도 스위치가 자동으로 루프를 제거하여 네트워크 문제를 예방한다.
3. 1. 스위칭 루프 문제
LAN에서 루프 구성을 구축했을 경우 몇 가지 문제가 발생한다. 첫째, 스위치 간에 브로드캐스트 프레임이 루프를 돌면서 브로드캐스트 스톰이라고 불리는 현상이 일어나 CPU 리소스와 대역폭을 소모한다.[1] 둘째, 자신이 발신한 프레임이 다른 곳에서 되돌아오기 때문에 스위치가 수행하는 MAC 주소 테이블 학습이 제대로 동작하지 않는다.[1]
대한민국 내 네트워크 환경에서도 이러한 문제들은 빈번하게 발생할 수 있다. 예를 들어, 기업이나 학교에서 여러 개의 스위치를 연결하여 네트워크를 확장하는 과정에서, 관리자의 부주의 또는 구성상의 오류로 인해 스위칭 루프가 발생할 수 있다. 이는 네트워크 전체의 성능 저하를 야기하고, 심각한 경우 네트워크 마비로 이어져 업무나 학습에 큰 지장을 초래할 수 있다. 특히, 대규모 네트워크 환경에서는 브로드캐스트 스톰으로 인한 트래픽 폭증이 더욱 심각한 문제를 야기할 수 있으며, MAC 주소 테이블 불안정으로 인해 통신 장애가 빈번하게 발생할 수 있다.
3. 2. 네트워크 이중화
LAN 환경에서 루프 구성을 피하는 것은 네트워크 안정성을 위해 필수적이다.
네트워크에 루프가 구성되면 몇 가지 심각한 문제가 발생한다. 첫째, 스위치 간에 브로드캐스트 프레임이 무한히 순환하면서 브로드캐스트 스톰 현상을 일으킨다. 이는 CPU 리소스와 대역폭을 낭비하게 만든다. 둘째, 발신한 프레임이 되돌아오면서 스위치의 MAC 주소 테이블 학습 기능이 제대로 작동하지 않는다.
신장 트리 프로토콜(STP)을 사용하면 사용자의 부주의로 루프가 구성되더라도 스위치가 자동으로 루프를 제거하여 네트워크 오작동을 막을 수 있다.
STP는 네트워크 이중화를 구현하는 데에도 중요한 역할을 한다. 네트워크 설계 시 중요한 경로가 끊어질 경우를 대비하여 예비 링크(이중화된 링크)를 구성하는 것이 일반적이다. 하지만 두 지점 사이에 여러 경로를 만들면 루프가 발생하여 LAN이 정상 작동하지 않는다. 이때 STP를 사용하면 링크 이중화를 유지하면서도 루프 구성을 방지할 수 있다.
4. 프로토콜 동작
LAN 내 브리지들은 그래프의 정점으로 표현될 수 있으며, 신장 트리 프로토콜(STP)은 이들 간의 연결성을 유지하면서 루프를 방지하는 신장 트리를 만든다. STP는 브리지 프로토콜 데이터 유닛(BPDU)을 사용하여 루트 브리지를 정하고, 루트 브리지까지의 가상 거리를 파악하여 불필요한 경로를 차단한다.[4]
BPDU는 브리지 ID(우선순위 + MAC 주소)와 패스 코스트(통신 속도 기반)로 구성된다.
STP의 동작 과정은 다음과 같다.
1. 각 브리지는 BPDU를 교환하여 루트 브리지를 결정한다. 루트 브리지는 가장 낮은 브리지 ID를 가진 브리지가 된다.
2. BPDU를 통해 루트 브리지까지의 패스 코스트(가상 거리)를 계산한다. 링크 속도에 따라 정해진 값을 합산하여 계산한다.
3. 각 브리지에서 루트 브리지에 가장 가까운 포트를 루트 포트(RP)로 한다. 루트 브리지에 이르는 경로가 여러 개일 경우, 코스트 합이 가장 낮은 경로를 선택한다.
4. 각 세그먼트에서 루트 브리지에 가장 가까운 포트를 지정 포트(DP)로 한다.
5. 루트 포트와 지정 포트를 제외한 나머지 포트는 비지정 포트(NDP)로 설정하여 폐쇄함으로써 스패닝 트리를 형성한다.
위의 규칙 외에, 추가적인 규칙은 다음과 같다.
- 루트 포트 묶음 제거: 하나의 브리지에서 최소 비용 경로가 여러 개 존재할 경우, 이웃 브리지의 브리지 ID값을 확인하고 이 값이 가장 작은 경로를 선택한다. 그리하여 가장 낮은 브리지 ID의 브리지와 연결된 포트를 이 브리지의 루트 포트로 정한다.
- 지명 포트 묶음 제거: 세그먼트 내 하나 이상의 브리지가 최소 비용 경로를 가질 때, 더 낮은 브리지 ID를 갖는 브리지가 메시지 전송을 위해 사용되며 해당 네트워크 세그먼트로 브리지하는 데에 사용되는 포트가 해당 세그먼트에 대한 ''지명 포트''가 된다.
- 최종 묶음 제거: 두 개의 브리지가 여러 라인으로 연결되어 여전히 묶음이 존재할 수 있다. 이처럼 하나의 브리지에 여러 개의 루트 포트 또는 지명 포트가 있을 경우 가장 낮은 포트 번호를 갖는 포트를 사용한다.
4. 1. 기본 동작
LAN 내 브리지들은 그래프의 정점으로 표현될 수 있으며, 신장 트리 프로토콜(STP)은 이들 간의 연결성을 유지하면서 루프를 방지하는 신장 트리를 만든다. 이때 만들어지는 신장 트리가 반드시 최소 신장 트리일 필요는 없다.[4]STP의 기본 동작은 다음과 같다.
'''1. 루트 브리지 선출:'''
- 가장 낮은 브리지 ID를 갖는 브리지가 루트 브리지로 선출된다.
- 브리지 ID는 우선순위 번호(기본값 32,768, 4096의 배수로 설정 가능)와 MAC 주소로 구성된다.
- 예시: 우선순위 32,768, MAC 주소 인 브리지의 ID는 이다.
- 브리지 ID 비교 시 우선순위를 먼저 비교하고, 값이 같으면 MAC 주소를 비교한다.
- 예시: 스위치 A (MAC = ), 스위치 B (MAC = ), 우선순위 32,768 (동일) → 스위치 A가 루트 브리지로 선출.
'''2. 루트 브리지로의 최소 비용 경로 결정:'''
- 각 브리지는 루트 브리지까지의 경로 중 최소 비용 경로를 선택하고, 해당 경로로 연결된 포트를 루트 포트(RP)로 지정한다.
- 각 네트워크 세그먼트에서 루트 브리지로의 최소 비용 경로를 갖는 브리지를 결정하고, 해당 브리지와 세그먼트를 연결하는 포트를 지정 포트(DP)로 지정한다.
'''3. 불필요한 경로 차단:'''
- 루트 포트와 지정 포트를 제외한 모든 포트를 막아 비지정 포트(NDP), 즉 차단 포트로 만든다.
'''4. 묶음(Tie) 상태 해결:'''
- 루트 포트 묶음: 한 브리지에서 최소 비용 경로가 여러 개일 경우, 이웃 브리지의 브리지 ID가 가장 낮은 경로를 선택하여 루트 포트로 지정한다.
- 지정 포트 묶음: 한 세그먼트 내 여러 브리지가 최소 비용 경로를 가질 때, 더 낮은 브리지 ID를 갖는 브리지를 선택하고 해당 브리지의 포트를 지정 포트로 지정한다.
- 최종 묶음: 위 방법으로도 해결되지 않으면, 가장 낮은 포트 번호를 갖는 포트를 사용한다.
이러한 과정을 통해 STP는 스위칭 루프를 방지하고, 브로드캐스트 폭주와 MAC 주소 테이블 불안정 문제를 해결한다.[4]
STP는 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)라는 프레임을 사용하여 동작한다. BPDU는 브리지 ID(브리지 우선순위 + MAC 주소)와 패스 코스트(통신 속도 기반)로 구성된다.
최적의 BPDU(최적의 루트 경로)를 결정하기 위한 이벤트 순서는 다음과 같다.
# 가장 낮은 루트 브리지 ID - 루트 브리지를 결정한다.
# 루트 브리지까지의 가장 낮은 비용 - 루트까지의 비용이 가장 적은 업스트림 스위치를 선호한다.
# 가장 낮은 송신자 브리지 ID - 여러 업스트림 스위치가 루트까지 동일한 비용을 갖는 경우 타이브레이커 역할을 한다.
# 가장 낮은 송신자 포트 ID - 스위치가 단일 업스트림 스위치에 대한 여러 개의 (이더채널이 아닌) 링크를 갖는 경우 타이브레이커 역할을 한다.
4. 2. BPDU (Bridge Protocol Data Unit)
BPDU(Bridge Protocol Data Unit)는 브리지들이 신장 트리 프로토콜(STP)을 구성하기 위해 서로 주고받는 특수한 데이터 프레임이다. 브리지들은 BPDU를 사용하여 루트 브리지를 결정하고, 네트워크 토폴로지 정보를 교환하며, 루프를 방지하기 위해 포트의 역할(루트 포트, 지정 포트, 비지정 포트)을 결정한다.[4]BPDU는 다음과 같은 세 가지 주요 유형이 있다.[5]
- 구성 BPDU (Configuration BPDU, CBPDU): 신장 트리 계산에 사용되며, 모든 스위치에 정보를 제공하기 위해 루트 브리지에서 전송된다.
- 토폴로지 변경 알림 BPDU (Topology Change Notification BPDU, TCN BPDU): 네트워크 토폴로지 변경(포트 업 또는 다운)을 알리는 데 사용된다.
- 토폴로지 변경 알림 확인 (Topology Change Notification Acknowledgement, TCA): TCN BPDU에 대한 응답으로 사용된다.
BPDU는 이더넷 프레임 내에 포함되어 전송되며, 다음과 같은 정보를 담고 있다.[10]
- 프로토콜 ID: 모든 BPDU에 대해 0x0000으로 설정되며 802.1D를 나타낸다.
- 버전 ID: Config 및 TCN BPDU의 경우 0x00으로 설정된다. 0x02는 RST BPDU를 나타낸다. 0x03은 MST BPDU를 나타낸다. 0x04는 STP BPDU를 나타낸다.
- BPDU 유형: TCN BPDU의 경우 0x80으로 설정된다.
- 플래그: 토폴로지 변경, 제안, 포트 역할, 학습, 전송, 동의, 토폴로지 변경 확인 등의 정보를 담는다.
- 루트 ID: 루트 브리지의 ID를 나타내며, 우선순위, 시스템 ID 확장, MAC 주소로 구성된다.
- 루트 경로 비용: 루트 브리지까지의 경로 비용을 나타낸다.
- 브리지 ID: 브리지의 ID를 나타내며, 우선순위, 시스템 ID 확장, MAC 주소로 구성된다.
- 포트 ID: 포트의 ID를 나타낸다.
- 메시지 에이지, 최대 에이지, 헬로 타임, 전송 지연: 타이머 관련 정보를 나타낸다.
BPDU는 정기적으로(기본적으로 2초마다) 교환되어[11] 네트워크 변화를 감지하고, 포트의 포워딩 동작을 제어한다. 스위치 포트에 장비가 처음 연결되면 바로 데이터를 전송하지 않고, BPDU를 처리하고 네트워크 토폴로지가 결정될 때까지 기다린다.
다음은 IEEE 802.1D 및 IEEE 802.1aq BPDU의 형식이다.
| 필드 | 설명 | 길이 (비트) |
|---|---|---|
| 프로토콜 ID | 모든 BPDU에 대해 0x0000으로 설정되며 802.1D를 나타낸다. | 16 |
| 버전 ID | Config 및 TCN BPDU의 경우 0x00으로 설정. 0x02는 RST BPDU, 0x03은 MST BPDU, 0x04는 STP BPDU를 나타낸다. | 8 |
| BPDU 유형 | TCN BPDU의 경우 0x80으로 설정. | 8 |
| 플래그 | 토폴로지 변경, 제안, 포트 역할, 학습, 전송, 동의, 토폴로지 변경 확인 등의 정보를 담는다. | 8 |
| 루트 ID | 루트 브리지의 ID (우선순위, 시스템 ID 확장, MAC 주소) | 64 |
| 루트 경로 비용 | 루트 브리지까지의 경로 비용 | 32 |
| 브리지 ID | 브리지의 ID (우선순위, 시스템 ID 확장, MAC 주소) | 64 |
| 포트 ID | 포트 ID | 16 |
| 메시지 에이지, 최대 에이지, 헬로 타임, 전송 지연 | 타이머 관련 정보 (1/256초 단위) | 각 16 |
4. 3. 포트 상태
STP 스위치 포트는 다음 상태를 가진다.- '''Disable''': 네트워크 관리자가 특정 포트를 사용하지 않도록 설정한 상태이다. STP에 의해 결정되는 것이 아니다.
- '''Blocking''': 스위치 루프를 유발할 수 있는 포트로, 사용자 데이터를 송수신할 수 없다. 다른 링크가 사용 불가능하게 되면, 신장 트리 알고리즘에 의해 포워딩 상태가 될 수 있다. 이 상태에서도 BPDU 데이터는 받을 수 있다.[4]
- '''Listening''': 스위치가 BPDU를 처리하고, Blocking 상태로 전환될 수 있는 정보를 기다리는 상태이다. MAC 주소 테이블을 채우지 않으며, 프레임을 전달하지 않는다.[4]
- '''Learning''': 포트가 프레임을 전달할 수는 없지만, 수신된 프레임의 발신자 주소를 학습하여 필터링 DB (스위칭 DB)에 저장한다. 즉, MAC 주소 테이블을 채운다.[4]
- '''Forwarding''': 필터링 DB에 저장된 발신자 주소를 기반으로 프레임을 전달하는 상태이다. 루프 방지를 위해 수신 BPDU를 모니터링하며, 필요시 Blocking 상태로 돌아갈 수 있다.[4]
장치가 스위치 포트에 처음 연결되면, 바로 데이터를 전송하지 않는다. BPDU를 처리하고 네트워크 토폴로지를 결정하는 동안 여러 상태를 거친다. 컴퓨터, 프린터, 서버와 같은 호스트에 연결된 포트는, Listening 및 Learning 상태를 거치는 약 30초의 지연 후 Forwarding 상태가 된다. Listening 및 Learning 상태에 소요되는 시간은 포워드 지연(기본값 15초, 루트 브리지에 의해 설정됨) 값에 의해 결정된다. 다른 네트워크 스위치가 연결된 경우, 해당 포트가 네트워크에서 루프를 발생시킨다고 판단되면 Blocking 모드로 유지될 수 있다.
4. 4. 경로 비용 (Path Cost)
신장 트리 프로토콜(STP)에서 경로 비용은 네트워크 상에서 루트 브리지로 메시지를 보내는 데 드는 비용을 의미한다. 이 비용은 경로 상의 네트워크 세그먼트의 비용을 모두 더하여 계산되며, 각 세그먼트의 비용은 다르게 설정될 수 있다. STP는 이 경로 비용을 기준으로 하여 최소 비용 경로를 선택하고, 이를 통해 메시지가 항상 가장 효율적인 경로로 루트 브리지까지 전달되도록 한다.[4]STP는 공식을 사용하여 경로 비용 기본값을 계산했다. 그러나 더 빠른 속도가 가능해짐에 따라 1 Gbit/s 이상의 속도를 구별하기 어려워 기본값이 조정되었다. RSTP는 공식을 사용하여 경로 비용을 계산한다.[5]
브리지 프로토콜 데이터 유닛(BPDU)는 브리지 ID와 경로 비용(Path Cost)으로 구성된다. 브리지 ID는 브리지의 우선순위와 MAC 주소로 구성되며, 경로 비용은 통신 속도 등을 기반으로 설정된다. 각 브리지는 BPDU를 교환하여 루트 브리지까지의 가상 거리를 파악하고, 이 정보를 바탕으로 불필요한 경로를 차단한다.[4]
링크 속도마다 경로 비용의 초기값(권장값)이 정해져 있다. 16비트 버전의 경로 비용 값은 STP(802.1D)에서 사용되며, RSTP에서는 32비트가 사용되는 경우가 많다.
| 대역폭 | 코스트 (16비트) | 코스트 (32비트) |
|---|---|---|
| 10 Gbps | 2 | 2,000 |
| 1 Gbps | 4 | 20,000 |
| 100 Mbps | 19 | 200,000 |
| 10 Mbps | 100 | 2,000,000 |
4. 5. 타이브레이커 (Tiebreaker)
네트워크에서 여러 경로가 동일한 비용을 가질 때, 신장 트리 프로토콜은 다음과 같은 규칙으로 우선순위를 결정한다.- 루트 포트 선택: 하나의 브리지에서 여러 개의 최소 비용 경로가 존재하면, 이웃 브리지의 브리지 ID를 비교하여 가장 낮은 값을 가진 브리지와 연결된 포트를 루트 포트로 선택한다.[9]
- 지명 포트 선택: 한 네트워크 세그먼트 내에 여러 브리지가 최소 비용 경로를 가질 경우, 더 낮은 브리지 ID를 가진 브리지가 메시지를 전송하며, 해당 브리지와 세그먼트를 연결하는 포트가 지명 포트가 된다.
- 최종 타이브레이커: 위 두 규칙으로도 결정되지 않는 경우(예: 두 브리지가 여러 회선으로 연결), 가장 낮은 포트 번호를 가진 포트를 사용한다.[9]
5. VLAN 환경에서의 STP
STP 및 RSTP는 스위치 포트를 VLAN별로 구분하지 않는다.[20] 그러나 여러 개의 VLAN이 존재하는 이더넷 스위치 환경에서는 서로 다른 VLAN의 트래픽이 서로 다른 링크를 사용하도록 여러 개의 스패닝 트리를 생성하는 것이 바람직하다.
IEEE가 VLAN용 스패닝 트리 프로토콜 표준을 발표하기 전에, VLAN 지원 스위치를 판매하는 많은 벤더들이 자체적인 VLAN 지원 스패닝 트리 프로토콜 버전을 개발했다. 시스코는 VLAN 캡슐화를 위해 자체 전용 ISL를 사용하고, 802.1Q VLAN 캡슐화를 사용하는 PVST, RPVST 독점 프로토콜을 개발, 구현 및 발표했다. 주니퍼 네트웍스는 시스코의 PVST와 호환성을 제공하기 위해 VSTP를 개발했다.[20]
| 프로토콜 | 제조사 | 설명 |
|---|---|---|
| PVST | 시스코 | 각 VLAN에 대해 별도의 스패닝 트리를 생성. 시스코 전용 ISL 사용. |
| RPVST | 시스코 | PVST와 유사하게 각 VLAN에 대해 별도의 스패닝 트리를 생성하지만, 래피드 스패닝 트리 프로토콜 기반. |
| VSTP | 주니퍼 네트웍스 | 시스코 PVST와의 호환성을 위해 개발. |
5. 1. PVST (Per-VLAN Spanning Tree)
STP 및 RSTP는 스위치 포트를 VLAN별로 구분하지 않는다.[20] 그러나 여러 개의 VLAN이 존재하는 이더넷 스위치 환경에서는 서로 다른 VLAN의 트래픽이 서로 다른 링크를 사용하도록 여러 개의 스패닝 트리를 생성하는 것이 바람직한 경우가 많다.IEEE가 VLAN용 스패닝 트리 프로토콜 표준을 발표하기 전에, VLAN 지원 스위치를 판매하는 많은 벤더들이 자체적인 VLAN 지원 스패닝 트리 프로토콜 버전을 개발했다. 시스코는 VLAN 캡슐화를 위해 자체 전용 인터스위치 링크(ISL)를 사용하고, 802.1Q VLAN 캡슐화를 사용하는 '''VLAN별 스패닝 트리''' ('''PVST''') 독점 프로토콜을 개발, 구현 및 발표했다.[20] 두 표준 모두 모든 VLAN에 대해 별도의 스패닝 트리를 구현한다. 시스코 스위치는 이제 일반적으로 PVST+를 구현하며, LAN의 다른 스위치가 동일한 VLAN STP 프로토콜을 구현하는 경우에만 VLAN에 대한 스패닝 트리를 구현할 수 있다. HP는 일부 네트워크 스위치에서 PVST 및 PVST+ 호환성을 제공한다.[20] Force10 Networks, 알카텔-루슨트, 익스트림 네트웍스, 아바야, 브로케이드 커뮤니케이션 시스템즈 및 BLADE Network Technologies의 일부 장치에서 PVST+를 지원한다.[21][22][23] 익스트림 네트웍스는 VLAN이 태그되지 않거나 네이티브인 포트, 그리고 ID 1의 VLAN에서는 지원하지 않는 두 가지 제한 사항이 있다. PVST+는 MSTP 영역을 통해 터널링할 수 있다.[24]
스위치 벤더 주니퍼 네트웍스는 시스코의 PVST와 호환성을 제공하기 위해 자체 VLAN 스패닝 트리 프로토콜(VSTP)을 개발 및 구현하여 두 벤더의 스위치를 하나의 LAN에 포함할 수 있도록 했다.[20] VSTP 프로토콜은 주니퍼 네트웍스의 EX 및 MX 시리즈에서만 지원된다. VSTP 호환성에는 두 가지 제한 사항이 있다.
# VSTP는 서로 다른 253개의 스패닝 트리 토폴로지만 지원한다. VLAN이 253개를 초과하는 경우 VSTP 외에 RSTP를 구성하는 것이 권장되며, 253개를 초과하는 VLAN은 RSTP에서 처리한다.
# MVRP는 VSTP를 지원하지 않는다. 이 프로토콜을 사용하는 경우 트렁크 인터페이스의 VLAN 멤버십을 정적으로 구성해야 한다.[25]
기본적으로 VSTP는 RSTP 프로토콜을 핵심 스패닝 트리 프로토콜로 사용하지만, 네트워크에 구형 브리지가 포함된 경우 STP 사용을 강제할 수 있다.[26]
5. 2. RPVST (Rapid Per-VLAN Spanning Tree)
시스코는 PVST와 마찬가지로 각 VLAN에 대해 스패닝 트리를 생성하는 고유한 버전의 래피드 스패닝 트리 프로토콜을 발표했다. 시스코는 이를 '''래피드 VLAN별 스패닝 트리''' ('''RPVST''')라고 부른다.5. 3. VSTP (VLAN Spanning Tree Protocol)
주니퍼 네트웍스는 시스코의 PVST와 호환성을 제공하기 위해 자체 VLAN 스패닝 트리 프로토콜(VSTP)을 개발 및 구현하여 두 벤더의 스위치를 하나의 LAN에 포함할 수 있도록 했다.[20] VSTP 프로토콜은 주니퍼 네트웍스의 EX 및 MX 시리즈에서만 지원된다. VSTP 호환성에는 다음 두 가지 제한 사항이 있다.- VSTP는 253개의 스패닝 트리 토폴로지만 지원한다. VLAN이 253개를 초과하는 경우 VSTP 외에 RSTP를 구성하는 것이 권장되며, 253개를 초과하는 VLAN은 RSTP에서 처리한다.
- MVRP는 VSTP를 지원하지 않는다. 이 프로토콜을 사용하는 경우 트렁크 인터페이스의 VLAN 멤버십을 정적으로 구성해야 한다.[25]
기본적으로 VSTP는 RSTP 프로토콜을 핵심 스패닝 트리 프로토콜로 사용하지만, 네트워크에 구형 브리지가 포함된 경우 STP 사용을 강제할 수 있다.[26] 주니퍼 네트웍스 스위치에서 VSTP를 구성하는 방법에 대한 자세한 내용은 공식 문서에 게시되어 있다.[27]
5. 4. MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol)
다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP)은 여러 VLAN 환경에서 스패닝 트리 프로토콜(STP)의 유용성을 높이기 위해 개발된 표준이다. MSTP는 원래 IEEE 802.1s-2002에 정의되었으며, 이후 IEEE 802.1Q-2005에 병합되었다.MSTP는 하나 이상의 VLAN을 스패닝 트리에 매핑하는 '다중 스패닝 트리'(MST)를 구성한다. 각 스패닝 트리는 개별 VLAN 또는 VLAN 그룹에 대해 정의될 수 있으며, 관리자는 스패닝 트리 내에서 대체 경로를 정의할 수도 있다. 스위치는 먼저 MST 영역(Region)에 할당된 다음, VLAN은 이 MST에 매핑되거나 할당된다. 여러 VLAN이 매핑된 MST는 '공통 스패닝 트리'(CST)라고 하며, 이 VLAN 그룹을 'MST 인스턴스'(MSTI)라고 한다. CST는 STP 및 RSTP와 하위 호환된다. 하나의 VLAN만 할당된 MST는 '내부 스패닝 트리'(IST)이다.[20]
MSTP는 각 VLAN에 대한 스패닝 트리 정보를 전달하기 위해 여러 개의 BPDU를 전송하는 대신, 모든 스패닝 트리 정보를 단일 BPDU 형식에 포함한다. 이는 필요한 BPDU 수를 줄이고, RSTP 및 STP와의 하위 호환성을 보장한다. MSTP는 표준 RSTP BPDU 뒤에 추가적인 정보 영역과 여러 MSTI 메시지(0~64개 인스턴스)를 인코딩하여 이를 수행한다. 각 MSTI 구성 메시지는 각 인스턴스에 대한 스패닝 트리 정보를 전달하며, 각 인스턴스에는 여러 VLAN을 할당할 수 있다. VLAN에 할당된 프레임은 MST 영역 내에 있을 때마다 해당 스패닝 트리 인스턴스에서 작동한다. 브리지는 MSTP BPDU에서 VLAN-인스턴스 테이블의 MD5 다이제스트를 인코딩하여, 다른 MSTP 브리지가 동일한 MST 영역에 있는지 여부를 확인한다.
MSTP는 RSTP 브리지가 MSTP BPDU를 RSTP BPDU로 해석할 수 있어 RSTP 브리지와 완벽하게 호환된다. 이를 통해 구성 변경 없이 RSTP 브리지와의 호환성을 보장할 뿐만 아니라, MSTP 영역 외부에 있는 모든 RSTP 브리지가 해당 영역을 단일 RSTP 브리지로 인식하게 한다. MSTP는 메시지 에이징 타이머 대신 잔여 홉(hop) 수를 사용하여 스패닝 트리 정보의 수명을 관리한다. 메시지 에이징 시간은 MST 영역에 들어갈 때 한 번만 증가하므로 RSTP 브리지는 영역을 스패닝 트리에서 단 하나의 '홉'으로 간주한다. RSTP 또는 STP 브리지나 엔드포인트에 연결된 MSTP 영역의 가장자리에 있는 포트는 경계 포트라고 하며, RSTP와 마찬가지로 에지 포트로 구성하여 빠른 포워딩 상태 전환을 지원할 수 있다.
스패닝 트리의 동작상의 결점으로는 수렴 시간이 오래 걸리고, VLAN을 구성하는 환경에서의 동작이 어렵다는 점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 수렴 시간 단축을 위한 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP, IEEE 802.1w)과 VLAN 환경에서의 동작을 고려한 다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP, IEEE 802.1s)이 규정되었다. IEEE 802.1s는 이후 IEEE 802.1Q에 통합되었다.
6. 최단 경로 브리징 (Shortest Path Bridging)
IEEE 802.1aq는 최단 경로 브리징(SPB, Shortest Path Bridging)이라고도 하며, 스위치 간의 중복 링크가 여러 개의 동일 비용 경로를 통해 활성화되도록 허용한다. 이는 더 큰 레이어-2 토폴로지, 더 빠른 수렴을 가능하게 하며, 메쉬 네트워크의 모든 경로에서 트래픽 부하 분산을 통해 모든 장치 간 대역폭을 증가시켜 메쉬 토폴로지 사용을 개선한다.[29][30] SPB는 스패닝 트리 프로토콜(STP), 다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP), 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP), 링크 집선 및 다중 MAC 등록 프로토콜(MMRP)을 하나의 링크 상태 프로토콜로 통합한다.[31]
7. 시스템 ID 확장 (System ID Extension)
IEEE 802.1D-2004 이전에는 브리지 ID(BID)의 처음 2바이트가 16비트 브리지 우선순위를 나타냈다. 그러나 IEEE 802.1D-2004부터는 처음 4비트가 구성 가능한 우선순위, 나머지 12비트는 브리지 시스템 ID 확장을 전달하도록 변경되었다.
브리지 ID는 8바이트 길이로, BPDU 패킷 내부에 포함된다. 처음 2바이트는 0-65,535 범위의 부호 없는 정수로 브리지 우선순위를 나타내고, 마지막 6바이트는 브리지에서 제공하는 MAC 주소이다.[1]
시스템 ID 확장의 12비트는 주로 VLAN ID 또는 MSTP 인스턴스 번호를 전달하는 데 사용된다. MSTP의 경우, 브리지 시스템 ID 확장은 MSTP 인스턴스 번호를 전달한다. 일부 벤더들은 시스코의 PVST처럼 VLAN ID를 전달하도록 브리지 시스템 ID 확장을 설정하여 VLAN별로 다른 스패닝 트리를 허용하기도 한다.[1]
8. 한계 및 현재 동향
스패닝 트리 프로토콜(STP)은 네트워크의 안정성을 확보하기 위한 기술이지만, 몇 가지 한계점을 가지고 있다. STP는 컨버전스(네트워크 상태 변화에 대한 적응) 시간이 길어 네트워크 변화에 빠르게 대응하기 어렵다. 또한, 특정 링크를 차단하는 방식으로 루프를 방지하기 때문에 네트워크 자원을 효율적으로 사용하지 못한다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 수렴 시간을 단축시킨 '''래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP)''' (IEEE 802.1w)과 가상 근거리 통신망(VLAN) 환경을 고려한 '''멀티플 스패닝 트리 프로토콜(MSTP)''' (IEEE 802.1s)이 개발되었다. RSTP는 기존 STP의 수렴 시간을 수 초 수준으로 단축시켰다.
8. 1. 대안 기술
IEEE 802.1aq는 최단 경로 브리징(SPB)이라고도 하며, 스위치 간의 중복 링크가 여러 개의 동일 비용 경로를 통해 활성화되도록 허용하고, 훨씬 더 큰 레이어-2 토폴로지, 더 빠른 수렴을 제공한다.[29][30] SPB는 메쉬 네트워크의 모든 경로에서 트래픽을 부하 분산 처리하여 모든 장치 간의 대역폭을 증가시켜 메쉬 토폴로지의 사용을 개선한다. SPB는 스패닝 트리 프로토콜(STP), 다중 스패닝 트리 프로토콜(MSTP), 래피드 스패닝 트리 프로토콜(RSTP), 링크 집선 및 다중 MAC 등록 프로토콜(MMRP)을 하나의 링크 상태 프로토콜로 통합한다.[31]스패닝 트리 프로토콜은 컨버전스 시간이 더 긴 구형 프로토콜이다. 부적절한 사용 또는 구현은 네트워크 중단에 기여할 수 있다. 링크 차단은 고가용성과 루프 방지를 위한 조잡한 접근 방식이다. 최신 네트워크는 논리적 또는 물리적 토폴로지 루프의 자연스러운 동작을 억제, 제어 또는 억제하는 프로토콜을 사용하여 연결된 모든 링크를 활용할 수 있다.
더 새롭고 강력한 프로토콜로는 펄먼(Perlman)이 만든 TRILL(Transparent Interconnection of Lots of Links) 프로토콜[32]과 IEEE의 최단 경로 브리징이 있다.
네트워크 장비 간의 연결을 계층 3 IP 링크로 구성하고 IP 라우팅에 의존하여 복원력을 확보하고 루프를 방지하는 것이 널리 사용되는 대안이다.
시스코의 가상 스위칭 시스템 및 가상 포트 채널과 HP의 지능형 복원 프레임워크와 같은 스위치 가상화 기술은 여러 스위치를 단일 논리적 개체로 결합한다. 이러한 멀티 섀시 링크 집합 그룹은 여러 스위치를 통해 분산될 뿐 정상적인 포트 트렁크처럼 작동한다. 반대로, 파티션 기술은 단일 물리적 섀시를 여러 논리적 개체로 분할한다.
네트워크 가장자리에서는 사용자의 실수로 인한 루프를 방지하기 위해 루프 감지가 구성된다.
스패닝 트리의 동작상의 결점으로는 수렴까지의 시간이 오래 걸린다는 점과, VLAN을 구성하는 환경에서의 동작이 어렵다는 점이 있다. 수렴 시간 단축을 도모한 규격으로 IEEE 802.1w에 '''래피드 스패닝 트리 프로토콜'''(RSTP)이, 또한 VLAN 환경에서의 동작을 고려한 규격으로 IEEE 802.1s에 '''멀티플 스패닝 트리 프로토콜'''(MSTP)이 각각 규정되어 있다. IEEE 802.1s는 후에 IEEE 802.1Q에 통합되었다.
RSTP에 의해, 일반적인 STP가 (네트워크의 크기에 따라 다르지만) 40~50초 걸리는 수렴 시간을 수 초로 억제할 수 있다.
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