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ⓘ Spanning tree, networking. In telecomunicazioni e informatica lo spanning tree è un protocollo di comunicazione standard utilizzato per realizzare reti compless ..




Spanning tree (networking)
                                     

ⓘ Spanning tree (networking)

In telecomunicazioni e informatica lo spanning tree è un protocollo di comunicazione standard utilizzato per realizzare reti complesse con percorsi ridondanti utilizzando tecnologie di Livello datalink come IEEE 802.2 o IEEE 802.11. Lo spanning tree viene eseguito dai bridge e dagli switch, e mantiene inattive alcune interfacce in modo da garantire che la rete rimanga connessa, ma priva di loop. Le risorse utilizzate da questo protocollo sono minori rispetto a quelle utilizzate da PVST, RST, Rapid PVST, MSTP, ma ha una convergenza più lenta ed inoltre crea ununica istanza che si occupa contemporaneamente di tutte le VLAN non sfruttando a pieno le funzionalità della rete.

                                     

1. Limiti delle LAN complesse

Una LAN complessa può essere costituita da diversi segmenti di rete, connessi tra loro tramite dei bridge o switch, con il vincolo che la topologia di una LAN non contenga cicli, ovvero che tra ogni coppia di calcolatori esista un solo percorso.

Se così non fosse, alcuni pacchetti verrebbero replicati allinfinito sulla rete, con risultati disastrosi. Il bridge, infatti, conosce gli indirizzi MAC degli host connessi su ogni segmento, ma se riceve un pacchetto con destinazione sconosciuta, o un pacchetto broadcast, lo invia su tutti i segmenti, tranne che su quello di provenienza. Se esiste un ciclo nella rete, il pacchetto raggiungerà nuovamente il segmento da cui è partito, venendo nuovamente replicato. Questo porterebbe alla proliferazione di infinite copie dello stesso pacchetto sulla rete, e quindi alla saturazione della rete stessa.

Una rete complessa priva di percorsi ridondanti è però estremamente fragile, perché il guasto di un solo bridge o collegamento la partiziona in due reti che non comunicano tra di loro.

                                     

2. Gestione della ridondanza attraverso lo spanning tree

In una rete locale complessa, è necessario che ci siano dei collegamenti ridondanti al fine di aumentare la robustezza della rete stessa, ma che alcuni di questi siano mantenuti "fuori servizio" fino a quando non si rendono necessari per sopperire a guasti di altri collegamenti o bridge.

Lalgoritmo di spanning tree è un algoritmo distribuito, che opera su tutti i bridge, facendo in modo che in ogni istante la rete sia connessa, ma priva di cicli, ovvero che il grafo dei collegamenti disponibili sia "coperto" da un albero.

Ciò si ottiene mediante la creazione di una gerarchia di bridge. Un bridge viene individuato come radice dellalbero coprente "root bridge", e una parte dei collegamenti tra bridge disponibili viene messa in standby, portando in stato "BLOCKING" alcune delle porte dei bridge, denominate alternate port dallinglese: porta alternativaAP.

Nel caso in cui un nodo diventi irraggiungibile, oppure cambi il costo di connessione, il bridge cercherà di arrivare al nodo attivando i percorsi alternativi AP che sono in stand-by, ripristinando in questo modo la connettività completa della rete se possibile.

In teoria dei grafi, questo problema è noto come albero ricoprente.

Questo processo avviene periodicamente per cui, se si scollega un bridge o si interrompe un collegamento, si ricostruisce lo spanning tree e la rete continua a funzionare.

Lalgoritmo tende automaticamente a mantenere in funzione i collegamenti di capacità superiore più veloci, ma talvolta la scelta di collegamenti da mantenere attivi è inadeguata alle caratteristiche della rete o del traffico che la attraversa. Configurando opportuni parametri come per esempio la priorità sugli switch, è possibile influenzare sia la scelta del root bridge che la scelta dei collegamenti da mantenere in servizio.

Tale algoritmo è stato inventato da Radia Perlman e standardizzato in IEEE 802.1D.

                                     

3. Limiti e alternative

Lalgoritmo di Spanning Tree permette di estendere reti locali mantenendo un buon grado di ridondanza, ma presenta alcuni limiti:

  • Il protocollo di spanning tree genera a sua volta traffico sulla rete, che può contribuire alla sua saturazione.
  • La capacità dei collegamenti lasciati in stand-by non può essere sfruttata ovvero questi collegamenti sono usati come riserva fredda.
  • I tempi di convergenza, ovvero il tempo necessario al protocollo per reagire al guasto di un elemento della rete o al suo ripristino, tendono a crescere con il numero di switch coinvolti nel processo.

Per ovviare ai sopracitati limiti, sono stati sviluppate estensioni al protocollo di Spanning Tree originario. In particolare:

  • Rapid Spanning Tree RST 802.1w: provvede a ripristinare la topologia di rete nel minor tempo possibile nellordine di qualche secondo.
  • Multiple Spanning Tree MST 802.1s
  • Shortest Path Bridging SPB 802.1aq

Alcuni produttori di apparati di networking hanno sviluppato sistemi alternativi e proprietari per superare i limiti imposti da spanning-tree nellethernet e raggiungere le caratteristiche di SDH in particolar modo per quanto riguarda classica configurazione ad anello. In questo ambito sono da citare:

  • Resilient Packet Ring di Nortel Networks
  • EAPS di Extreme Network
  • Hiper-Ring di Hirschmann
  • IRF di Hewlett Packard
  • Media Redundancy Protocol MRP, standard IEC 62439

Per le reti di tipo Token ring ed FDDI esiste un algoritmo specifico, alternativo a spanning tree, definito source routing.

Quando la rete cresce al punto di rendere eccessivamente problematici questi fattori, è spesso necessario segmentarla con laiuto di uno o più router, anche se questo comporta tipicamente la modifica degli indirizzi IP utilizzati dagli host sulla rete rinumerazione.



                                     
  • albero ricoprente viene utilizzato nelle reti locali, vedi anche Spanning tree networking EN Kevin Wayne, Greedy Algorithms II PDF Università di
  • conseguenti broadcast storm nelle reti Ethernet. Costituisce la base dello Spanning Tree Protocol. L ultima versione, intitolata Media Access Control MAC Bridges
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