Simulazione del funzionamento del protocollo STP (Spanning Tree Protocol) in Cisco Packet Tracer

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1 Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Elaborato finale in Reti di Calcolatori Simulazione del funzionamento del protocollo STP (Spanning Tree Protocol) in Cisco Packet Tracer Anno Accademico 2014/2015 Candidato: Ferdinando Galasso matr. N

2 Alla mia famiglia.

3 Indice Indice... III Introduzione... 4 Capitolo 1: Spanning Tree Protocol Problema loop Il protocollo STP Funzionamento STP Root Bridge Stato delle porte Topology Change Notification Capitolo 2: CISCO Packet Tracer Utilità di Packet Tracer Strumenti di PT Ambienti di lavoro Capitoo 3: Funzionamento di STP in Packet Tracer STP e CTP Funzionamento Cambiamenti della struttura della rete Conclusioni Bibliografia III

4 Introduzione Ethernet è un insieme di tecnologie che permette la trasmissione di dati in una rete LAN (Local Area Network). Ad oggi risulta essere la tecnologia più utilizzata per la creazione di reti formate da un numero esiguo di dispositivi hardware in grado di comunicare tra loro e che prendono il nome di nodi (Computer, fax, modem ecc.). Nel corso degli anni sono state perfezionate tecniche che garantiscono performance migliori indispensabili per la comunicazione tra due nodi della stessa rete. Ethernet risulta essere un insieme di protocolli e strumenti di rete che permettono la creazione di reti locali. L elemento comune di ogni rete Ethernet è la struttura del pacchetto, frame. Il frame è composto da 7 elementi ed ha la responsabilità di indirizzare e trasportare i dati della comunicazione tra due nodi appartenenti alla stessa rete LAN. Preambolo (Preamble): 7 byte ognuno dei quali ha valore e servono per attivare gli adattatori dei riceventi e sincronizzare i loro orologi con quello del trasmittente. SDF (Start Frame Delimiter): 1 byte con valore , indica al destinatario che sta arrivando del contenuto importante e che i successivi 6 byte sono l indirizzo di destinazione. Destination MAC address: 6 byte che contengono l indirizzo MAC del dispositivo di destinazione. Source MAC address: 6 byte che contengono l indirizzo MAC del dispositivo trasmettitore. 4

5 EtherType: 2 byte che indica il protocollo del livello di rete durante la trasmissione. Campo dati (Payload): contiene i dati reali. La sua grandezza deve variare da un minimo di 46 byte ad un massimo di 1500 byte. Se i dati superano il limite superiore allora verranno frammentati, se invece non raggiungono il limite inferiore il campo verrà completato (stuffed) fino al raggiungimento di quel valore inserendo byte di riempimento. FCS (Frame Check Sequence), CRC (Controllo a Ridondanza Ciclica): 4 byte, permette di rilevare se sono presenti errori di trasmissione nella frame, cioè se i bit sono stati modificati. Il trasmettitore calcola i bit per il CRC. In ricezione il destinatario ricalcola i bit del CRC e li confronta con quelli ricevuti per valutare la presenza o meno di errori. È possibile individuare diverse tipologie di Ethernet basandosi sulla velocità teorica massima raggiungibile durante il trasferimento dei file. Esempi sono Fast Ethernet e Gigabit Ethernet. Un cavo Ethernet può raggiungere la lunghezza di 100 metri. Per la creazione di LAN di grosse dimensioni vengono utilizzati particolari nodi che hanno il compito di interconnettere sottoreti di dimensioni ridotte. Tali dispositivi possono essere di semplice tecnologia ripetendo le frame ricevute (ripetitori, hub) oppure possono essere più sofisticati (bridge o switch). Ripetitore: è un dispositivo elettronico che riceve in ingresso un segnale e lo ritrasmette in uscita. Hub: è un dispositivo che inoltra i dati in arrivo da una delle sue porte su tutte le altre effettuando un operazione di broadcasting. È definito anche come ripetitore multiporta. Unisce tutti i calcolatori o le reti connessi alle sue porte. Bridge: dispositivo di rete più sofisticato dell hub che si colloca al livello 2 DataLink del modello IOS/OSI e che opera sui frame e non sui segnali elettrici. Il Bridge collega tra loro due o più segmenti di una rete dello stesso tipo oppure due o più reti di tipo diverso. Ricevuta una frame, ne legge il contenuto e costruisce una tabella di mappatura dei vari dispositivi collegati ai vari segmenti di rete. Inoltre legge l indirizzo di destinazione della frame e se non sa su quale segmento si trova il destinatario, il bridge inoltra la frame su tutte le porte escludendo quella da cui l ha ricevuta. 5

6 Switch: elemento di rete che si occupa di commutazione a livello 2 DataLink del modello IOS/OSI. Al suo interno sono presenti un numero elevato di schede ethernet che consentono ad ogni host di essere direttamente connesso. Allo switch vengono poi collegati cavi Ethernet che collegano altri segmenti di LAN. Il dispositivo ha un comportamento analogo a quello del bridge, intercetta i frame e li ridirezione ad un host oppure sui segmenti Ethernet. Riconosce l indirizzo del destinatario e decide su quale porta inoltrare il frame. All interno di uno switch esiste una MAC-Address-Table che associa un indirizzo di livello 2 (MAC address) a una porta dello switch stesso. Ogni volta che si riceve un frame, lo switch ne estrae l indirizzo sorgente, controlla la propria Address Table per verificare se l indirizzo è presente oppure no e in quest ultimo caso lo aggiunge associandolo alla porta da cui è stato ricevuto. Nel caso in cui l indirizzo è già presente se l associazione è diversa allora la tabella viene modificata altrimenti resta invariata. Rispetto ad un bridge, lo Switch ha maggiore espandibilità in termini di numero di porte e performance migliori. Utilizzando Switch per la creazione della nostra rete Ethernet, andremo a definire la cosiddetta Switched Ethernet. La rete sarà organizzata con una topologia fisica a stella, organizzata intorno ad uno switch il quale controlla gli indirizzi sorgente e di destinazione dei messaggi, creando così la sua tabella. Lo switch trasmetterà il messaggio sull unica porta indicata e lascerà libere le restanti che potranno essere utilizzate per altre trasmissioni contemporanee. Il dispositivo switch lavora da commutatore effettuando operazioni di instradamento gestendo il traffico in ingresso. L utilizzo degli switch permette la creazione di reti molto estese a livello geografico. 6

7 Capitolo 1: Spanning Tree Protocol 1.1 Problema Loop Una LAN di grandi dimensioni è divisa in segmenti, ognuno dei quali rappresenta una sezione del supporto di rete che collega i computer. Il Bridge consente la comunicazione tra nodi di segmenti diversi, condividendo un dominio di broadcast. Inoltre il Bridge conosce la corrispondenza tra le proprie porte ed indirizzi MAC dei singoli hosts grazie alla MAC-Address-Table: le voci che compongono la MAC-Address-Table si formano mano a mano che il traffico raggiunge i Bridges. Il traffico viene inoltrato da un segmento all altro quando: Il segmento del ricevente è diverso da quello del trasmittente. Viene ignorato quale sia il segmento ricevente. Il traffico è di tipo broadcast. Il traffico non viene inoltrato da un segmento all altro quando il trasmittente ed il ricevente appartengono allo stesso segmento. Se la rete si basa sulla presenza di singoli Bridge per la connessione dei segmenti, avremo un Single Point Of Failure in corrispondenza del Bridge, con conseguente fragilità del sistema. Bisogna allora aggiungere altri Bridges per avere la possibilità di cammini multipli per il traffico in caso di Failure. Questo tipo di soluzione può causare la creazione di loop. Un loop si verifica quando su una rete i pacchetti vengono inoltrati su percorsi che formano un anello dando vita ad un continuo traffico senza fine che consuma la banda a disposizione. Nel caso in cui si ha traffico di tipo Broadcast, si verifica il Broadcast Storm. In questa situazione i messaggi entrano a far parte di un ciclo infinito che causa una loro continua ritrasmissione che oltre ad avere effetti sulla banda, obbliga tutti gli host a rallentare per 7

8 analizzare il traffico indirizzato a tutti. Oltre alla creazione dei loop si può andare in contro ad altri tipi di problemi: Copie multiple: un host riceve più copie di uno stesso pacchetto. Corruzione della MAC-Address-Table: questa tabella può risentire del traffico in loop, in quanto un bridge riceve su entrambe le proprie porte il traffico inviato da un singolo host. Collegare più switch tra di loro garantisce l espansione della rete. Uno switch è un dispositivo di rete, con comportamento analogo a quello del bridge, che collega i segmenti di una rete tra loro. Bisogna inoltre prevedere la presenza di più collegamenti ridondanti tra gli switch. Questa ridondanza assicura una continuità del servizio di rete anche in presenza di guasti. Infatti, nel caso in cui uno dei link si rompe, la comunicazione non viene a mancare. Questi collegamenti ridondanti devono essere gestiti con attenzione poiché possono causare la creazione di loop. Per evitare l insorgenza di loop all interno di una rete LAN può essere adoperato il protocollo Spanning Tree Protocol (STP). La configurazione del STP è rappresentata graficamente come un albero con diversi rami. Da questa configurazione deriva il nome del protocollo. L albero previene l esistenza dei loop. Un ciclo si presenta se esiste più di un percorso tra i dispositivi. La presenza del loop può causare la duplicazione dei dati e un sovraccarico della rete. STP risolve il problema dei cicli consentendo ad un solo percorso alla volta di essere attivo tra i dispositivi. 8

9 1.2 Il protocollo STP Il protocollo Spanning Tree Protocol (STP) è stato sviluppato da Radia Perlman nel 1985 in seguito standardizzato dal IEEE come 802.1d. STP è un protocollo di livello 2 utilizzato nei bridge/switch con link ridondanti ed è una configurazione utilizzata all interno di una rete per la trasmissione di dati che consente di realizzare topologie di rete prive di loop fisici al costo di una perdita di efficienza nella gestione dell instradamento dei frames grazie all introduzione di stati per le porte degli Switch/Bridge come Forwarding e Blocking. Si crea così un unico percorso con assenza di anelli. Questi svantaggi sono quasi impercettibili mentre l eliminazione dei loop evita che la rete possa divenire completamente inutilizzabile a causa di un sovraccarico della rete. I dati ridondanti assicurano affidabilità e faul recovery ma possono causare seri problemi agli switch come il già citato Broadcast Storm. Inoltre uno switch può ricevere frames ridondanti su più porte causando problemi di indecisione del dispositivo. Utilizzando STP garantiamo una soluzione ai problemi dello switch ridondante. L algoritmo STP, tramite configurazioni minime, si occupa di fornire un meccanismo per la disattivazione dei collegamenti ridondanti in una rete commutata. Gli switch con STP abilitato controllano la rete per verificare la presenza o meno di percorsi ciclici (loop): nel caso in cui esistono loop, alcune porte di collegamento vengono bloccate in modo da eliminare il ciclo creato dai percorsi ridondanti mentre le restanti porte sono lasciate attive pronte per la trasmissione delle frames. STP definisce un albero che attraversa tutti gli switch della rete, Spanning Tree. Per evitare la presenza di loop il protocollo effettua alcune operazioni: Forza alcune interfacce ad uno stato di blocco o standby. Lascia le altre interfacce nello stato di inoltro. Riconfigura la rete attivando il percorso lasciato in standby nel caso in cui il percorso principale non fosse più disponibile. Una topologia di switch è soggetta a 3 debolezze: 1. MAC Table Instability: ogni switch connesso al primo, riceverà una copia del frame, girandolo allo switch successivo fino ad arrivare nuovamente allo switch che per primo lo ha generato, ma attraverso una porta differente. Lo Switch aggiornerà nuovamente la propria tabella associativa. 9

10 2. Broadcast Storm: è la conseguenza della MAC Table Instability. La frame viene mantenuta in circolo fino a quando il loop non viene interrotto per decesso di uno switch. 3. Multiple Frame Trasmission: effetto collaterale del Broadcast Storm. La stazione di destinazione del frame riceverà più copie dello stesso. STP si occupa di prevenire queste eventualità, tramite il blocco logico delle porte che potrebbero causare problemi. Inoltre per ogni connessione esistono diversi backup che possono essere utilizzati nel caso di problemi con la connessione principale. Ogni dispositivo avrà un percorso a più switch. Ciò implica che ci sono più percorsi per ogni dispositivo per inviare dati ma solo un percorso alla volta sarà attivo. Nel caso in cui si verifica un errore nel percorso attivo, verrà reso attivo un altro percorso in modo da garantire l operazione. In questo modo si consente al dispositivo di accedere costantemente al resto della rete anche in caso di problemi di connettività della rete lungo uno o più collegamenti. 1.3 Funzionamento STP Il concetto fondamentale dello Spanning Tree Protocol è la presenza di un solo Root Bridge (radice dell albero) e di una serie di Non-Root Bridges. Lo Spanning Tree agisce seguendo un determinato algoritmo per la creazione di un albero di attraversamento univoco: 1. Individuazione di un Root Bridge, ovvero di un Switch appartenente alla rete che verrà utilizzato come riferimento per il calcolo di tutti i percorsi. Le porte dello Switch scelto sono poste tutte nello stato di Forwarding. 2. Calcolo del miglior percorso verso il Root Bridge da parte di ogni singolo switch Non-Root i quali sceglieranno la porta (Root Port) con il minor costo verso la radice dell albero ponendola nello stato di Forwarding mentre le altre entreranno nello stato di Blocking. 3. Configurazione dello stato di tutte le porte. Ciascuna porta può assumere 3 stati: Root, Non Designated, Designated. Si stabilisce quale tra le porte dei vari Switch collegati ad una LAN è designata ad inoltrare e ricevere i pacchetti della LAN. 10

11 1.3.1 Root Bridge La creazione di un switch principale aiuta ad eliminare i loop e a ridurre il traffico di rete. Durante l utilizzo di STP ci sono più root ma solo uno di essi sarà identificato come lo switch principale. Lo switch principale di una rete STP è il centro logico della rete e non il centro fisico scelto in seguito alla raccolta dei dati di tutti gli switch presenti. Di solito si consiglia di posizionare il Root Bridge al centro della topologia in modo da ottimizzare i tempi di convergenza per tutti gli altri Bridge. Lo switch principale risulta essere lo switch che ha il percorso più breve per la maggior parte dei dispositivi della rete. Gli altri dispositivi calcolano il percorso più breve per raggiungere il principale e impostano il percorso. Lo switch scelto come principale assumerà il nome di Root Bridge e sarà determinato in seguito ad un processo di elezione. Lo scambio di informazione tra gli switch avviene tramite frames chiamati BPDU(Bridge Protocol Data Units) inviati ogni 2 secondi in modo che i Bridges possano apprendere i reciproci Bridge ID ed eleggere il Root Bridge Esistono varie tipologie di messaggi BPDU: Topology Change Notification: per notificare cambiamenti di rete. Vengono trasmessi sulla Root Port di un Bridge che si accorge della modifica di una rete e vengono trasmessi a monte fino al Root bridge che risponde con un T.C. Ack; in questo modo tutti i bridge sul percorso vengono informati del cambiamento. Il Bridge trasmette T.C.N. finché non riceve l Ack dal Root Bridge. Alla ricezione imposta il timer ageing time al valore Forward Delay Timer per eliminare velocemente le entry del database. Configuration: trasmessi periodicamente (ogni Hello Time secondi). Le informazioni contenute all interno di una BPDU sono diverse: Protocol ID: indica il tipo di protocollo (STP); valore 0. Version ID: indica la versione del protocollo STP. Type: indica il tipo di messaddio BPDU; valore 0. Flags: include i bit TC=Topology Change, TCN e TCA. Root ID: identifica il Root Bridge per chi emetta la BPDU; è composto da 2 byte 11

12 (Bridge Priority) più altri 6 (indirizzo MAC dello switch riconosciuto come Root Bridge). Patch Cost: costo totale del percorso per raggiungere il Root Bridge; campo aggiornato dopo ogni passaggio sugli switch. Valore inizialmente posto a 0. Bridge ID (BID): identificatore del Bridge che ha ritrasmesso la BPDU; composto da 2 byte per la priorità (default 32768, range da 0 a 65535) più altri 6 per l indirizzo MAC dello switch che emette la BPDU. Port ID: identificatore della porta da cui è stata trasmessa la BPDU; due byte (il primo indica la priorità, il secondo identifica la porta). Message Age: tempo trascorso dalla creazione della BPDU. Numero di hop dal Root Bridge. Max Age: se Message Age supera questo limite massimo, la BPDU viene scartata. Ciò implica la rielezione del Root Bridge Hello Time: indica il tempo fra la generazione di due BPDU. Forwarding Delay: tempo di permanenza nello stato di Listening prima di passare nello stato di Learning e nello stato di Learning prima di passare nello stato di Forwarding. Il valore del Path Cost rappresenta la velocità di un link. Ciascun switch è caratterizzato quindi da un valore di identificazione: Bridge ID (BID). Il BID è costituito da una valore destinato alla priorità e dal MAC. Questo valore di 12

13 identificazione viene scambiato tra gli switch attraverso l uso di BPDU frames: inizialmente ogni switch imposta se stesso come Root Bridge. Scegliere il Root Bridge è di fondamentale importanza. È possibile agire manualmente configurando uno switch come Root Bridge intervenendo sul valore di priorità del BID (valore di default 32768, possibili valori tra 1 e 65536). Se si vuole forzare l elezione di un determinato switch si può modificare il valore della priorità. Uno switch può anche essere configurato come Root Bridge secondario. Si configura un Backup Root Bridge con priorità leggermente superiore al Root Bridge in modo da essere selezionato in caso di guasto del Root. Nel caso di configurazione automatica, viene eletto come Root Bridge lo switch con il BID più basso. La scelta dipende dalla priorità. Nel caso di parità di priorità si elegge il Bridge con il MAC più basso. All inizio delle operazioni, ogni switch si identifica come Root Bridge generando quindi una BPDU con Root ID il proprio identificatore. Avremo Root ID = Bridge ID. Il frame viene inoltrato a tutte le porte. Quando uno switch riceve una BPDU, confronta il valore Root ID ricevuto con il proprio Bridge ID: se il proprio Bridge ID è inferiore, lo switch continuerà a identificarsi come root, prosegue l invio delle BPDU propagando il proprio identificativo e azzerando il costo; se il valore ricevuto è inferiore, lo switch riconosce il nuovo root e invia le BPDU inserendo il Root ID corretto e aggiungendo al costo ricevuto il proprio costo di link. La porta di ricezione della BPDU diventa Root Port. Alla fine del processo ogni switch saprà chi è il Root Bridge, unico all interno della rete. Lo switch vincitore imposta tutte le sue porte nello stato di Forwarding mentre gli altri scelgono una porta root, quella che riceve BPDU al costo minore dal Root Bridge e la pone nello stato di Forwarding. Designated switch e designated port vengono scelti nei segmenti a secondo di quale sta nel percorso con costo minore verso il Root dello Spanning Tree. L unità di misura fondamentale per la costruzione dell albero è il costo. Può essere impostato manualmente oppure essere lasciato di default come stabilito da IEEE. Dalla somma del costo contenuto nel BPDU ricevuto da uno switch e da quello del path ricevente si ottiene il costo totale di un percorso. 13

14 1.3.2 Stato delle porte Ciascun switch individua il miglior percorso verso il Root Bridge Il costo di ogni percorso dipende dal costo associato a ciascuna porta dello switch. Il costo di una porta può essere statico o dinamico e può anche essere modificato manualmente. I Non-Root Bridge decidono il percorso da seguire valutando il costo dei vari links (collegamenti). Il costo dipende dalla BandWidth del link. Scelgono le porte che verranno usate per la connessione (Root Ports), per il Forwarding del traffico sul segmento di rete e quelle che verranno logicamente disabilitate (Blocking state). Le porte in Blocking state non inoltreranno il traffico, ma rimarranno comunque in ascolto dei messaggi BPDU. Tutti gli Switch Non-Root Bridge hanno una porta configurata come Root Port, ossia una porta che lo collega al Root Bridge tramite il link a minor costo. Attraverso l uso di traffico BPDU, i Bridges determinano la rotta migliore sommando i costi dei vari tratti e scegliendo quella con il minor costo (quella a maggior larghezza di banda).in caso di parità di costo verrà scelto il percorso verso il Bridge con il Bridge ID più basso. La porta scelta sulla base del costo verrà segnata come Designated Port e posta nello stato di Forwarding. La porta scartata, invece, entrerà nello stato di Blocking rimanendo comunque attiva in caso di errore. 14

15 Durante l esecuzione di STP, può capitare che si ricevano più BPDU da più porte con lo stesso valore di Root ID (più percorsi per raggiungere il Root Bridge). In questa condizione la scelta della Root Port segue il seguente criterio: 1. Si aggiornano i Root Path Cost delle BPDU ricevute con il costo della porta di ricezione e si seleziona la BPDU con Root Path Cost minore. 2. Se due BPDU hanno lo stesso Root Path Cost, si sceglie quella proveniente dal minor Bridge ID. 3. Nel caso di uguaglianza dei valori sopra, si sceglie quella con Port Identifier minore. Ogni Bridge ritrasmette le BPDU ricevute dalla Root Port su tutte le altre porte. Su tali porte possono avvenire delle ricezioni di altre BPDU: Se una BPDU ricevuta da una porta Non-Root ha priorità più bassa di quella trasmessa allora la porta viene selezionata come Designated. Se una BPDU ricevuta da una porta non-root ha priorità più alta di quella trasmessa allora la porta viene selezionata come Blocked. Le porte che non ricevono pacchetti BPDU vengono selezionate come Designated. STP, quindi, decide quali interfacce devono essere impostate come attive e quali come inattive, tracciando poi un percorso. Se un interfaccia non è nel percorso deciso, viene posta nello stato di Blocking. Al contrario, le porte in stato di Forwarding appartengono allo Spanning Tree ovvero un percorso pulito, senza link ridondanti, con un unica strada per raggiungere qualsiasi destinazione Nella struttura ad albero le informazioni sono ricevute da tutti gli switch e porte in qualsiasi stato. È fondamentale che ogni switch continui a ricevere informazioni aggiornate in modo da essere pronto quando si dovrà cambiare la struttura dello Spanning Tree. Se un collegamento cade bisogna ripetere le assegnazioni. La stessa operazione verrà svolta quando nella rete entra un nuovo switch. Si garantisce la continuità del servizio in modo trasparente. I percorsi per raggiungere il Root Bridge e la sua posizione determinano il ruolo(stato) delle porte dei diversi switch. Questi ruoli vengono quindi divisi in: Root Port: porta che consente ad uno switch di raggiungere il Root Bridge. Non-Designated: è una porta bloccata, i frames non possono essere né inviati né ricevuti. 15

16 Designated: è una porta attraverso la quale uno switch riceve i frames da instradare poi vero il Root Bridge. Le porte del Root Bridge sono tutte in stato Designated. L individuazione delle porte Designated e delle porte Non Designated si basa sullo scambio delle BPDU frames e sul confronto del BID. Infatti, possono esistere più percorsi allo stesso costo verso il Root Bridge e in questa situazione si andrà a scegliere come Root Port quella che ha la priorità più bassa. Tutte le porte di uno Switch possono passare attraverso una serie di stati: Disabled: nessuna attività sulla porta. Listening (ascolto): stato presente nelle fasi di elezione del Root Bridge e nella scelta di Root Port, Designated Port e Designated Bridge. Learning (apprendimento): dopo aver effettuato le scelte, il Bridge passa a costruire la Bridge Table. Forwarding (trasmissione): scaduto il Forward Delay Timer, la porta passa nello stato di inoltro. Blocking (blocco): la porta non inoltra il traffico ma rimane attiva per eventuali riconfigurazioni della topologia. Lo stato Disabled si verifica quando il gestore della rete disabilita la porta dello switch con il comando shutdown. A seconda dello stato in cui ci trova lo switch, i LED sul dispositivo cambiano da una luce arancione lampeggiante ad una verde fissa. L esistenza di diversi stati è giustificata dal fatto che se un collegamento di interrompe, uno switch può reagire ed inoltrare il traffico prima che la convergenza sia completa in tutta la rete. Questo comportamento può causare la creazione di loop fisici. Attraverso l uso di due stati di transizione si evitano problemi. Il primo stato di transizione (Listening) pone il bridge in ascolto di BPDU contenenti soluzioni migliori. Lo stato Learning, invece, impara la nuova posizione degli indirizzi MAC per scrivere la nuova tabella degli indirizzi MAC. Nel caso in cui un link cade, bisogna quindi far ripartire l algoritmo STP ed è necessario che anche le porte in stato Blocked possano ricevere BPDU. Si genera così un albero e si evitano loop. Questa serie di passaggi di stati avviene anche quando un nuovo Bridge/Switch si connette alla rete: tutti i Bridges/Switches mettono le proprie interfacce in modalità 16

17 Listening. In questa condizione il traffico non viene inoltrato, permettendo il transito dei soli BPDU frames Topology Change Notification TCN, come già visto, sono particolari messaggi BPDU utilizzati per notificare cambiamenti di rete e vengono trasmessi sulla Root Port di un Bridge in seguito a una modifica della rete in modo da avvertire il Root Bridge. Ogni switch con STP attivo invia un BPDU ad intervalli di 2 secondi. Spanning Tree Protocol resta in continuo ascolto di BPDU per verificare che non ci siano collegamenti interrotti o loop nella rete. Quando la topologia è stabile, il Root Bridge invia ogni 2 secondi un Hello Message. Ciascun Bridge inoltra questi messaggi aggiungendo il proprio costo. Gli Switch utilizzano questo ascolto per determinare che il loro percorso verso il Root Bridge sia ancora attivo. Se un Bridge non riceve un Hello per un tempo di 20 secondi (Max Age di default), inizia un processo (Topology Change) di rielezione per ristabilire un percorso funzionante poiché qualcosa non ha funzionato correttamente, si modifica la struttura dello Spanning Tree. Vengono inviati TCN verso il Root Bridge. Quando il messaggio è ricevuto da uno Switch intermedio, quest ultimo invia un Topology Change Acknowledgment verso il mittente precedente. Questo processo si ripete fino al raggiungimento del Root Bridge che, ricevuto il TCN, comincia ad inviare ciclicamente messaggi Topology Change informando tutti gli Switch della rete del cambiamento in corso e li prepara ad una nuova esecuzione dello Spanning Tree Procol Il ricalcolo dello Spanning Tree varia tra i 30 e i 50 secondi per ogni switch. In questo lasso di tempo, le porte con STP attivo, non inoltrano dati. Quando viene a mancare un link, uno switch può reagire e forwardare il traffico prima 17

18 che la convergenza sia completa in tutta la rete. Questo crea, anche se per breve tempo, dei doppi percorsi che possono causare loop fisici. Per evitare ciò, lo switch usa due stati di transizione prima di passare da Blocking a Forwarding: Listening e Learning. Listening mette il Bridge in ascolto di un BPDU con le migliori soluzioni. Learning impara la nuova locazione degli indirizzi MAC e scrive la nuova tabella CAM. Di seguito sono descritti i passaggi tra gli stati: 1. Le porte sono inizialmente in uno stato di Blocking per impedire la formazione di loop, attendo un tempo di 20 secondi prima di passare nello stato di Listening. 2. Nello stato di Listening si ricevono BPDU dagli Switch vicini. 3. Trascorsi 15 secondi si entra nello stato di Learning: in questo periodo di tempo si verifica la presenza di altre porte con le quali si potrebbero generare loop. Se c è un loop lo Switch ritorna nello stato di Blocking altrimenti passa allo stato di Learning. Una volta entrato nello stato di Learning, si possono ricevere BPDU dagli switch vicini e si apprendono gli indirizzi MAC. 4. Dopo 15 secondi c è il passaggio allo stato di Forwarding. Lo stato di Forwarding permette alla porta di inoltrare dati, ricevere BPDU e apprendere gli indirizzi MAC. Durante lo stato di Listening, il Root Bridge invia una frame TCN (Topology Change Notification) indicando agli altri componenti dello Spanning Tree di mettere in timeout i vecchi indirizzi MAC memorizzati. Complessivamente attendiamo un tempo totale di 50 secondi! Esistono diverse tecniche per la riduzione al minimo del tempo di ricalcolo da parte di STP: La funzione PortFast di STP consente ad una porta di passare in modo immediato allo stato di Forwarding evitando di passare per gli stati intermedi. Tecnica utile durante il collegamento diretto tra una porta e una workstation o server, permettendo un accesso immediato alla rete evitando le attese dovute ai tempi di convergenza di STP. Con Etherchannel, da due a otto link paralleli vengono creati tra due switch e vengono considerati un unica cosa da STP. Utilizzando questa tecnica, se un link 18

19 fallisce, STP continua a usare gli altri e non ricalcola lo Spanning Tree fintantoché almeno uno dei link è attivo. Se utilizziamo link multipli senza usare Etherchannel, STP bloccherebbe tutti i link meno uno. 19

20 Capitolo 2: CISCO Packet Tracer 2.1 Utilità di Packet Tracer CISCO Packet Tracer (CPT) è un software didattico distribuito agli studenti ed istruttori del Programma Cisco Networking Academy per l emulazione di apparati di rete CISCO. È stato progettato per facilitare e migliorare l apprendimento del Networking. Tramite il software è possibile effettuare diverse operazioni: Creare topologie di rete composte da apparati generici e/o proprietari di CISCO. Simulare l interfaccia utente a riga di comando CLI (Command Line Interface) del sistema operativo CISCO IOS (o almeno un sottoinsieme delle funzioni). Configurare tramite GUI (Grafic User Interface) o CLI gli apparati di rete e verificarne il loro funzionamento creando scenari di traffico ed osservando il corrispondente comportamento della rete. Ispezionare dinamicamente in ogni momento lo stato di ciascun dispositivo e il formato di ciascun pacchetto inviato sulla topologia di rete. Packet Tracer (PT) permette di effettuare alcune configurazioni di base tramite l interfaccia grafica GUI mostrando comunque i comandi equivalenti da dare tramite CLI. Inoltre è possibile creare 20

21 delle PT Activity, un tipo speciale di file che include una topologia iniziale, delle istruzioni e una serie di obbiettivi finali da raggiungere. Risulta così essere uno strumento adatto alla creazione di un Educational Social Network. Durante l uso del software è possibile seguire due strade: utilizzare una topologia di riferimento già esistente oppure crearne una nuova da zero. 2.2 Strumenti di PT I dispositivi disponibili all interno di PT possono rappresentare apparati di rete realmente esistenti oppure essere modificati e personalizzati a proprio piacimento. Per aggiungere dispositivi: 1. Selezionare il tipo di dispositivo nel Type-Specific Selection Box. 2. Selezionare un dispositivo nel Device-Specific Selection Box e trascinarlo nell area di lavoro con il classico meccanismo Drag n Drop. In alternativa è possibile posizionare il dispositivo nell area di lavoro con un semplice click del mouse nel punto in cui lo si vuole inserire. Si possono utilizzare diversi dispositivi categorizzati in: Routers, Switches, Hubs(Repeaters), Wireless Devices (Access Point), End Devices (Pcs, servers, printers, Ipphone), WAN emulations (DSL e Cable Modem), apparati definiti dall utente. Tra i vari dispositivi utilizzabili troviamo: Hub-PT: permette di creare un dominio di collisione tra più apparati. Funziona esclusivamente come repeater multiporta senza funzioni di livello 2. Switch-PT-Empty: Switch generico a cui è necessario aggiungere le porte necessarie al suo funzionamento. PC-PT: permette di creare un computer da aggiungere alla rete. Bridge-PT: Switch con solo 2 porte disponibili (sostituibili con le stesse porte disponibili sullo Switch-PT-Empty). Una volta selezionati i dispositivi da utilizzare si passa alla scelta di un adeguato mezzo di trasmissioni e delle giuste interfacce per connettere i dispositivi. È possibile anche utilizzare la modalità Smart Connection danda via libera al software nella scelta 21

22 automatica del mezzo di connessione e delle interfacce da connettere. Per collegare due dispositivi: 1. Selezionare il tipo Link nel Type-Specific Selection Box. 2. Selezionare un collegamento nel Device-Specific Selection Box e selezionare nell area di lavoro i due capi del collegamento. Quando si seleziona un capo del collegamento vengono mostrate le porte (interfacce) su cui è possibile attestare il link. Per tutti i dispositivi bisogna adoperare un metodo di collegamento appropriato. PT può procedere in modo automatico alla scelta della tipologia di link da usare. Altrimenti è possibile scegliere manualmente il tipo di collegamento da usare: Console: utilizzato per collegare un host alla porta console di un router o uno switch per effettuare operazioni di configurazione/manutenzione. Copper Straight-Through: cavo utilizzato per connettere tra di loro interfacce di tipo Ethernet standard. Solitamente viene usato per collegare tra di loro dispositivi appartenenti a livelli OSI differenti (host con switch, switch con router, ). Copper Cross-over: cavo utilizzato per connettere tra di loro interfacce di tipo Ethernet standard. Solitamente viene usato per collegare tra di loro dispositivi appartenenti agli stessi livelli OSI (host con host, host con router, router con router, hub on switch, ). Fiber: cavo in fibra ottica. Phone: usato dai dispositivi dotati di modem per connessioni dial-up. Coaxial: usato dai dispositivi dotati di cable modem. Serial DCE e DTE: cavo utilizzato per collegamenti seriali sia di tipo sincrono che asincrono. Viene usato tipicamente per link WAN. 22

23 È possibile visualizzare il nome di ogni interfaccia posizionando lo strumento Inspect su ognuna di esse oppure sul link: dopo qualche secondo comparirà il nome in forma abbreviata. Posizionando il puntatore sul link vengono mostrati i nomi delle due interfacce ai capi del link. Una volta scelto il collegamento, quest ultimo può trovarsi in diversi stati. Ai capi di ogni link sono rappresentati dei led che indicano lo stato dell interfaccia: Verde: interfaccia è UP. Verde lampeggiante: interfaccia è UP e c è attività sul link. Rosso: interfaccia è DOWN. Ambra: interfaccia è BLOCCATA in attesa che termini il Loop-Breaking process: questo stato può manifestarsi solo sulle interfacce degli switch. 2.3 Ambienti di lavoro PT permette di verificare la connettività in diversi modi: RealTime Mode: apro una command prompt del desktop del PC e provo a fare ping come nel mondo reale. Simulation Mode: posso creare una simulazione in modo da vedere i pacchetti lungo il loro percorso e capire come vengono processati. Risulta possibile osservare visivamente il percorso del pacchetto sulla rete. Per attivare l animazione passo-passo delle rete è necessario cliccare sul pulsante capture/forward. In RealTime Mode la rete funziona come nella realtà. Le configurazioni vengono create e modificate in real time e la rete risponde in real time. Simulation Mode si usa per osservare il traffico della rete in modo dettagliato e controllato. Permettendo di seguire i percorsi dei pacchetti e di analizzarli nel dettaglio. 23

24 Logical VS. Physical Workspaces Logical Workspace: È la sezione di Packet Tracer che permette di creare e configurare la rete da simulare. Si crea la topologia di rete aggiungendo gli apparati di rete e le connessioni necessarie. Si possono configurare i dispositivi di rete attraverso un apposita interfaccia grafica e anche attraverso la linea di comando (CLI) di IOS. È inoltre possibile modificare gli apparati di rete aggiungendo e/o rimuovendo i moduli hardware disponibili. Physical Workspace: Fornisce una visione fisica della rete mostrando dove si trovano geograficamente gli apparati che formano la topologia creata. 24

25 Capitolo 3: Funzionamento di STP in Packet Tracer 3.1 STP e CPT Attraverso l uso di CISCO Packet Tracer possiamo osservare il funzionamento dello Spanning Tree Protocol. Ciò comporta la scelta dello Switch che sarà eletto come Root Bridge all interno della rete, il cambiamento dello stato delle porte sui Non-Root Bridge in modo da evitare la presenza di loop fisici e i cambiamenti che subirà la topologia in seguito ad un malfunzionamento o alla caduta di un link tra due dispositivi oppure a cambiamenti dovuti all ingresso di un nuovo dispositivo all interno della rete. 3.2 Funzionamento Lo Spanning Tree Protocol è abilitato in modo automatico. Per questo costruiamo una rete di calcolatori che abbia al suo interno dei collegamenti che creano un loop fisico e disattiviamo l uso di STP. Per ogni dispositivo effettuiamo l operazione di disattivazione attraverso la CLI: Dopo aver rimosso STP, possiamo osservare che tutte le porte sono caratterizzate da un pallino verde. Alcuni pallini sono di un colore verde scuro mentre altri lampeggiano alternando il verde scuro e il verde chiaro. Tale comportamento indica che l uso del protocollo STP è disabilitato. 25

26 Provando ad effettuare una comunicazione tra i due host, questa fallirà. Attiviamo ora lo Spanning Tree Protocol. In un primo momento tutte le interfacce degli switch entrano nello stato di Blocking e sulle porte compariranno dei pallini color ambra. Una volta attivato lo Spanning Tree Protocol, viene avviata la fase di elezione del Root Bridge e quindi la creazione del miglior percorso per raggiungerlo da parte di ogni switch. 26

27 È possibile analizzare la struttura dello Spanning Tree in modo da individuare il Root Bridge scelto durante l elezione. Ogni switch ha delle proprie informazioni: Il Root Bridge eletto ha tutte le porte poste nello stato di Designated. Gli altri switch della rete impostano le porte sullo stato di Root Port oppure sullo stato di Non-Designated Port e quindi bloccate. 27

28 3.3 Cambiamenti della struttura della rete Se alla rete vengono aggiungi nuovi dispositivi la struttura cambia e lo Spanning Tree Protocol effettua di nuovo l operazione di elezione. Successivamente a questa fase, si può verificare che lo switch con il ruolo di Root Bridge possa cambiare. In questo caso lo switch con il ruolo di Root Bridge non cambia. Il funzionamento logico sarà il seguente: Inoltre manualmente è possibile forzare l utilizzo di un collegamento modificando la velocità di trasmissione. Consideriamo lo Switch 3 con MAC 00D0.D370.49AA 28

29 La nuova struttura della rete sarà: Da cui è possibile ricavare il funzionamento logico del protocollo. Oltre a forzare l utilizzo di un collegamento è possibile intervenire sul valore di priority di un Root in modo tale da indirizzare la scelta del Root Bridge durante l elezione. Decidiamo quindi di indirizzare la scelta del Root Bridge sullo switch con indirizzo MAC F90.2A4C. Utilizzando CLI otteniamo: Avendo forzato la scelta, lo Switch 0 verrà eletto come nuovo Root Bridge e la rete assumerà la seguente struttura: 29

30 E il suo funzionamento logico sarà: 30

31 Conclusioni Il programma Packet Tracer della CISCO risulta essere un ottimo strumento per lo studio e l analisi delle reti di calcolatori. Consente di creare topologie di rete semplici o complesse simulandone il funzionamento. Grazie alla visione totale della rete e alla presenza di animazioni si può capire il funzionamento di determinati protocolli di comunicazione come Spanning Tree Protocol. L interfaccia grafica risulta intuitiva ed è affiancata da una sezione per l inserimento di informazioni tramite tastiera. Implementando lo Spanning Tree Protocol possiamo osservare i vari passaggi degli stati delle interfacce durante l elezione del Root Bridge con la conseguente creazione di uno Spanning Tree evitando la creazione di loop fisici che porterebbero un sovraccarico della rete. 31

32 Bibliografia [1] James F. Kurose - Keith W. Ross, Reti di calcolatori e internet, Pearson, 2014 [2] Spanning Tree Protocol, [3] Ethernet, [4] IEEE 802.1D, [5] Spanning Tree, [6] PacketTracer, tracer.pdf 32