Spanning Tree Protocol (STP)
Immer wenn zwei Brücken für die Verbindung zweier Computer-Netzwerksegmente benutzt werden, erlaubt das Protokoll Spanning Tree den Brücken, Informationen auszutauschen. Auf diese Weise verarbeitet nur eine Schnittstelle die entsprechende Nachricht, die zwischen den Computern im Netzwerk gesendet wurde. Das Spanning Tree Protocol verhindert einen Zustand, der als Bridge Loop bekannt ist und stellt sicher, dass es einen eindeutigen Datenpfad gibt.
In einem LAN (Local Area Network), wie zum Beispiel Ethernet oder Token Ring, können sich Computer zu jederzeit um die gemeinsam genutzten Telekommunikationspfade streiten. Wollen zu viele Computer gleichzeitig senden, dann beeinflusst das möglicherweise die gesamte Performance des Netzwerks negativ. In sehr schweren Fällen ist das Netzwerk kaum noch in der Lage, irgendeinen Traffic weiterzuleiten. Um diesen Zustand zu verhindern, können Administratoren das Netzwerk in zwei oder mehr Netzwerksegmente unterteilen. Eine sogenannte Bridge verbindet die beiden Segmente. Jede Nachricht (Frame genannt) durchläuft die Bridge, bevor sie an ihr eigentliches Ziel weitergeleitet wird. Die Bridge entscheidet dann, ob die Nachricht für ein Ziel im gleichen Segment wie das des Senders ist, oder in ein anderes Segment muss. Je nach Sachlage leitet die Netzwerkbrücke das Paket weiter. Eine Bridge sieht nur auf die Zieladresse und schiebt die Nachricht auf den richtigen Pfad oder in die jeweiligen Segmente. Das bedeutet natürlich auch die Verwendung des korrekten Ports. Der Vorteil der Segmentierung von Netzwerken und der Verwendung einer Bridge ist, dass die Konkurrenz für die Benutzung der Netzwerkpfade halbiert wird. Das ist dann der Fall, wenn jedes Segment die gleiche Anzahl an Computern hat. Dass das Netzwerk komplett überlastet wird, ist somit deutlich reduziert.
Jede Bridge lernt, welche Computer sich in welchem Segment befinden. Dazu wird anfangs eine Nachricht in beide Segmente geschickt, die auch als Flooding bezeichnet wird. Im Anschluss wird aufgezeichnet, aus welchem Segment der jeweilige Computer geantwortet hat. Nach und nach hat die Netzwerkbrücke dann einen Plan, welche Computer sich in welchen Segmenten befinden. Beim Schicken einer zweiten und allen folgenden Nachrichten, kann die Bridge die eben erwähnte Tabelle nutzen. Sie weiß, in welches Segment der Frame geschickt werden soll. Dass eine Bridge selbständig lernen kann, wird als Transparent Bridging bezeichnet. Das bedeutet auch, dass die Bridge nicht durch einen Administrator konfiguriert werden muss.
Beim Aufbau eines Netzwerks fügt der Administrator in der Regel eine zweite Bridge zwischen zwei Segmenten ein. Diese dient als Backup, sollte die primäre Netzwerkbrücke ausfallen. Beide Bridges müssen sich über die Topografie des Netzwerks bewusst sein, auch wenn nur eine davon die Nachrichten weiterleitet. Außerdem muss den beiden Bridges klar sein, bei welcher es sich um das primäre Gerät handelt. Dafür gibt es eine dedizierte Verbindung zwischen den Bridges, worüber die beiden via BPDUs (Bridge Protocol Data Units) Informationen austauschen.
Das Programm in jeder Bridge, das die Benutzung des Protokolls bestimmt, nennt sich Spanning-Tree-Algorithmus. Der Algorithmus ist so konzipiert, dass Bridge-Schleifen verhindert werden. Damit sind mehrere Pfade gemeint, die ein Segment mit dem anderen verbinden, was im Endeffekt zu einer Endlosschleife führt. Der Algorithmus ist dafür verantwortlich, dass die Bridge nur den effizientesten Pfad verwendet, sollten mehrere zur Auswahl stehen. Ist der beste Pfad nicht verfügbar, dann berechnet der Algorithmus die nächstbeste alternative Route im Netzwerk.
Der Spanning-Tree-Algorithmus untersucht das Netzwerk und sieht nach, welcher Computer sich in welchem Segment befindet. Diese Daten werden über die bereits angesprochenen BPDUs ausgetauscht. Der Vorgang ist in zwei Schritte unterteilt:
Schritt 1: Der Algorithmus ermittelt die beste Nachricht, die eine Bridge schicken kann. Dazu werden die empfangenen Konfigurationsnachrichten ausgewertet und danach die beste Option ausgewählt.
Schritt 2: Sobald die beste Nachricht für eine bestimmte Bridge ausgewählt ist, wird die Wahl mit den möglichen Konfigurationsnachrichten von den sogenannten Non-Root-Verbindungen verglichen. Sollte die beste Option aus Schritt 1 nicht besser sein als die von den Non-Root-Verbindungen, dann wird dieser Port weggestrichen.
Das Protokoll Spanning Tree und der Algorithmus wurden von einem Ausschuss des IEEE entwickelt und unter der Bezeichnung IEEE 802.1D standardisiert. Das IEEE hat auch versucht, Verbesserungen in den Algorithmus zu implementieren, die die Wiederherstellung des Netzwerks verkürzen sollen. Das Ziel war es, die Zeit nach einem Ausfall von 60 auf 30 Sekunden zu reduzieren oder den Verbindungsstatus in weniger als zehn Sekunden zu ändern. Die Erweiterung nennt sich IEEE 802.1w und wird als Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), manchmal auch als Fast Spanning Tree Protocol bezeichnet. RSTP verringert Datenverluste und reduziert Timeouts, wenn sich große Ethernet-Netzwerke nach einer Änderung der Topologie oder einem Ausfall von Geräten erholen müssen.
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