STP는 전원을 꽂기만 하면 동작되는 ‘Plug and Play’ Protocol이라고 한다. 그러나 STP 값을 조정하지 않고 그대로 사용한다면, 네트워크의 동작 속도는 느릴 것이다. 장애가 발생되어 복구하는 시간도 오래 소요되고, 간단한 조작에 의해서도 스위치 네트워크가 마비될 수 있다.

이러한 위험(?)을 방지하고자 STP를 좀 더 유용하게 사용하려면, 컨버전스 시간을 조정해야 한다. ‘컨버전스 시간’이란, 토폴로지에 변동이 생겼을 때 네트워크가 재구성될 때까지 소요되는 시간이다.

컨버전스 시간을 줄이는 방법은 아래와 같다.

┌─ Port Fast
├─ Uplink Fast
├─ Backbone Fast
├─ Hello / Max-Age / Forward-Delay 조정
└─ RSTP 또는 MSTP 사용

또한, STP는 보안에 취약하다.
STP 네트워크를 보호하는 방법은 아래와 같다.

┌─ BPDU Guard
├─ BPDU Filtering
├─ Loop Guard
├─ Root Guard
└─ UDLD

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1. STP 조정

1-1. Port Fast

Switch의 Port가 활성화되면, Listening 상태부터 시작한다.
(Blocking → Listening → Learning →Forwarding)
그러나 Port Fast 기능을 사용하면, Listening 상태가 아닌 바로 Forwarding 상태가 되도록 한다.
(Blocking → Forwarding)
보통 PC나 서버 등과 같이 종단 장치가 연결된 Port에 설정한다.

설정

[방법1. 모든 Access port에 Port Fast 적용]

Switch(config)# spanning-tree portfast default

Hub/Switch/Bridge가 연결되어있다면, 일시적으로 프레임 루프가 발생할 수 있다. Switch 간 Access port를 사용하는 추세이므로 가능한 이 방법은 권장하지 않는다.

[방법2. 특정 인터페이스에 Port Fast 적용]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree portfast

[Trunk 포트에 Port Fast 적용]
Server/Router 등과 연결되는 Trunk 포트나 링크가 하나 뿐인 Switch를 연결하는 Trunk 포트에선 사용할 수 있다.

Switch(config)# interface <TRUNK_INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree portfast trunk

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1-2. Uplink Fast

직접 연결된 링크가 다운되었을 때, Blocking 상태에 있는 포트를 즉시 Forwarding 상태로 변경한다. Root Switch에선 차단 상태 포트가 없으므로 Access(종단) Switch에서 설정한다. Uplink Fast 설정 시 자신을 Access Switch로 만들기 위해 Priority를 32768에서 49152로 변경한다.

설정

Switch(config)# spanning-tree uplinkfast

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1-3. Backbone Fast

직접 접속되지 않은 간접 링크가 다운되었을 때, Blocking 상태의 포트에서 Max-Age를 생략하고 바로 Listening 상태로 변경한다. Max-Age를 생략하면 Forwarding 단계까지 20초 단축할 수 있다.

동작과정

1. ‘SW1—SW2’ 링크 다운
2. SW2는 자신이 Root Switch라고 주장하는 후순위 BPDU를 SW3로 전송
3. SW3이 ‘SW1—SW2’ 링크 다운 인지
4. SW3가 SW1로 RLQ 전송 (‘SW3—SW1’ 링크 상태 확인을 위함)
5. SW1은 이상이 없다는 의미로 RLQ 응답패킷 전송
6. 해당 패킷을 받은 SW3는 Blocking 상태 포트의 Max-Age를 만료시켜 바로 Listening 상태로 변경

설정

Backbone Fast를 구성하려면 전체 Switch에서 설정해야한다.

Switch(config)# spanning-tree backbonefast

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1-4. STP Timer 조정

앞서 본 Fast 방식 설정 말고, 직접 타이머를 조정하여 컨버전스 시간을 단축할 수 있다.

– 기본값
Diameter 별로 타이머 기본 값이 상이하다.
기본 Diameter 값은 7이다.

Diameter 값을 조정해 STP 타이머를 변경하려면, 반드시 Root Switch에서 조정해야 한다. 일반 Switch에서 설정하면 나중에 해당 Switch가 Root Switch가 되어야만 전체 네트워크에 적용되기 때문이다.

[Root Switch에서 Diameter 조정]

Switch(config)# spanning-tree vlan <VLAN_NUM> root primary diameter [2-7]

[Hello / Max-Age / Forward-Delay 조정]

Switch(config)# spanning-tree vlan <VLAN_NUM> hello-timer [1-10]
Switch(config)# spanning-tree vlan <VLAN_NUM> max-age [6-40]
Switch(config)# spanning-tree vlan <VLAN_NUM> forward-time [4-30]

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2. STP 네트워크 보호

2-1. BPDU Guard

특정 Port를 통해 BPDU 수신 시 해당 Port를 자동으로 Shutdown한다. 이렇게 shutdown된 Port는 ‘다시 직접 shutdown → no shutdown’ 해야 up된다. 일반적으로 PC/Server와 같은 종단 장치가 BPDU를 전송하지 않으므로 이러한 Port에 설정한다.

설정

[방법1. Port Fast가 적용된 Port에 설정]

Switch(config)# spanning-tree portfast bpduguard default

[방법2. 특정 인터페이스에 적용]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree bpduguard enable

[복구]

Switch(config)# errdisable recovery cause bpduguard
Switch(config)# errdisable recovery interval 120

1: 300초 후 자동으로 Port 복구
2: 120초 후 자동으로 Port 복구

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2-2. BPDU Filtering

특정 Port로BPDU를 보내거나 받지 않게 한다. 보통 BPDU를 수신하지 않아도 되는 종단 장치에 불필요한 프레임이 전송되는 것을 방지한다. BPDU를 보내지 않기 때문에 STP가 동작하지 않는 것과 비슷하다.

설정

[방법1. portfast가 적용된 포트에만 BPDU Filtering 설정]

Switch(config)# spanning-tree portfast bpdufilter default

[방법2. 특정 인터페이스에 설정]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree bpdufilter enable

SW3의 F0/3은 현재 Alternate Port이다. 이런 상황에서 BPDU Filtering을 설정하면, F0/3은 BPDU를 받지 못할 것이고 STP로 인해 Designated Port로 변경될 것이다. 그럼 SW3 — SW2 링크가 살아나고, 루프가 생길 것이다.

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2-3. Loop Guard

일반적으로 Blocking 상태에 있는 포트가 BPDU를 받지 못했을 때, 일정 시간이 지나게 되면 Forwarding 상태로 변경된다. 이 것을 방지하는 기능이다. 이 기능을 사용하면 Blocking 상태의 포트가 Loop Inconsistent(루프 비일관) 상태로 바뀐다. Loop Inconsistent도 Blocking과 비슷하다.

다시 BPDU를 받게 되면 자동으로 정상적인 Blocking 상태로 돌아간다. 물론, Loop Guard가 설정되어도 링크가 다운되거나 후순위 BPDU를 받는 경우엔 Blocking 상태에서 Forwarding 상태로 변경된다.

설정

[방법1. 전체 인터페이스에 적용]

Switch(config)# spanning-tree loopguard default

[방법2. 특정 인터페이스에 적용]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree guard loop

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2-4. Root Guard

특정 포트에 접속된 네트워크에 있는 Switch들이 Root Switch가 될 수 없도록 한다. Root Guard가 설정된 포트에서 현재의 Root Bridge ID보다 더 우선되는 Bridge ID를 수신하면 해당 포트를 다운시킨다.

설정

[방법. 특정 인터페이스에서 설정]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# spanning-tree guard root

[복구]
문제되는 Bridge ID를 가진 Switch에서 우선순위를 조정하면 차단된 포트가 다시 활성화된다. 또는, 해당 포트를 shutdown → no shutdown하여 활성화할 수 있다.

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2-5. UDLD

Unidirectional Link Detection
Switch 간 링크에서 단방향 링크가 생겼을 때, 해당 포트를 다운시킨다. 단방향 링크로 인해 L2 루프가 발생하거나 한 쪽에서 보낸 프레임이 사라지는 블랙홀 현상이 발생할 수 있기 때문이다.

주기적으로 송신포트를 통해 UDLD패킷을 전송한다. 이 패킷을 수신한 상대는 다시 자신의 송신포트를 통해 Echo시킴으로써 양방향 링크가 정상 동작하는지 확인한다.

얼핏 보면, Loop Guard와 비슷한 기능이라고 생각할 수 있지만, Loop Guard는 소프트웨어적인 상황(상대 Swtich 이상)으로 인해 BPDU를 송신하지 못할 때 동작하고 UDLD는 케이블링을 감지하여 동작한다. UDLD를 사용하려면 상대 Switch도 UDLD 기능을 지원해야한다.

UDLD Mode

• Normal Mode(일반모드): 광케이블 결선 오류로 인한 단방향 링크를 감지한다.
• Aggressive Mode(적극?모드): 광케이블 및 UTP의 단방향 트래픽으로 인한 단방향 링크를 감지한다.

설정

[방법1. 전체 인터페이스에 설정]

Switch(config)# udld [Aggressive | normal]

[방법2. 특정 인터페이스에 설정]

Switch(config)# interface <INTERFACE>
Switch(config-if)# udld port 
Switch(config-if)# udld port aggressive

2: or 3: 둘 중 하나를 택하여 설정한다.
2-Normal, 3-Aggressive

[복구]

Switch# udld reset
OR
Switch(config)# errdiasble recovery cause udld

이외에도 다운된 포트에서 직접 복구하는 방법도 있다.

Switch 네트워크에서 Switch 간의 링크를 대부분 이중으로 구성한다. 특정 Switch나 링크가 다운돼도 네트워크가 중단되지 않도록 하고, 트래픽을 분산시켜 네트워크 성능을 향상 시킬 수 있기 때문이다.

그러나 Ethernet 프레임 루프(Bridging Loop)가 발생하여 스위칭이 제대로 안될 수 있고, Switch의 MAC 테이블이 불안정해질 수 있다.

이러한 문제점을 STP로 해결할 수 있다.

1. BPDU
2. STP 동작방식
3. STP 포트 상태

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1. BPDU

[Bridge Protocol Data Unit]
STP는 BPDU 프레임을 이용해 루프가 없는 경로를 구성한다.

BPDU에는 Configuration BPDU와 TCN BPDU 두 종류가 있다.

1-1) Configuration BPDU

– Protocol ID: 항상 0
– Version: BPDU 버전 표시(0:STP, 2:RSTP, 3:MSTP)
– BPDU Type: BPDU 종류 표시(0x00:Configuration BPDU)
– Flag: 토폴로지 변화 표시(0x01:TC, 0x80:TCA)
– Root Bridge ID: 루트 스위치의 ID
– Path cost: 루트 스위치까지의 경로 값
– Bridge ID: 루트 스위치 가는 경로상 ,직전 스위치 ID
– Port ID: 포트 ID
– Message age: 루트 스위치까지의 스위치 수
– Max age: BPDU 정보 저장하는 시간
– Hello Time: BPDU 전송 주기
– Forward Delay: Listening/Learning 상태에서 대기하는 시간

위 Configuration BPDU를 통해 Root Switch를 선출하고, Switch Port의 역할을 지정한다. 오직 Root Switch만 Configuration BPDU를 생성할 수 있고, 다른 Switch들은 중계만 한다.

1-2) TCN BPDU

[Topology Change Notification BPDU]

– Protocol ID: 항상 0
– Version: BPDU 버전 표시(0:STP, 2:RSTP, 3:MSTP)
– BPDU Type: BPDU 종류 표시(0x80: TCN BPDU)

위 TCN BPDU를 통해 네트워크에 변경이 있을 경우 Root Switch로 보고한다. (ex. Switch 특정 링크 비활성화 등)

1-3) Bridge ID, Path cost, Port ID

[Bridge ID]
Bridge ID는 Priority(2 Bytes)와 MAC주소(6 Bytes)로 구성된다.
Priority의 기본값은 32768이고, 0~65535 범위 내 숫자로 바꿀 수 있다.

[Path cost]
포트의 속도 별로 미리 정해놓은 값이다. IEEE에서 권고한다.
10Mbps – 100 , 100Mbps – 19 , 1Gbps – 4 , 10Gbps – 2

[Port ID]
BPDU를 전송하는 Switch의 port priority와 포트번호로 구성된다.
Port Priority의 기본값은 128이다.

2. STP 동작방식

3. STP 포트 상태

Disabled

포트가 동작하지 않는 상태다.
고장이 났거나 고의적으로 Shutdown한 상태다.

Blocking

브리징 루프 방지를 위해 Alternate Port(AP)로 선정한 상태다.
오직 Root Switch로부터 BPDU만 수신할 수 있다. 만약, Max-Age 타이머 안에 BPDU를 수신하지 못하거나 후순위 BPDU를 수신하면 Listening 상태로 변경된다.
여기서 후순위 BPDU란, 기존 Root ID보다 값이 높은 Root ID가 설정된 BPDU를 의미한다.

Listening

Blocking 다음 단계로 시작되거나 Switch 포트에 노드가 연결될 경우 해당 단계로 변경된다. Forwarding 단계로 변경하기 위한 준비 단계이다.
Designated Port(DP)는 BPDU를 전송하고, Root Port(RP)는 BPDU를 수신한다.(데이터 송수신 X)
Foward Delay 15초동안 추가적인 토폴로지 변화가 없으면 Learning단계로 넘어간다.

Learning

Forwarding 단계로 변경하기 위한 직전 단계이다.
프레임을 송수신하기 앞서 먼저 MAC테이블을 학습한다. Listening과 마찬가지로 Foward Delay 15초가 진행되며, 별도 토폴로지 변경이 없으면 Forwarding 단계로 넘어간다.

Forwarding

드디어 프레임을 송수신할 수 있는 상태다.
RP, DP 모두 Forwarding 단계가 될 수 있지만, AP는 될 수 없다.

** 기본적으로 Switch 포트가 활성화되면, Listening 단계부터 시작한다.

** 대체 경로가 존재하는 네트워크에서 장애가 발생하면, 대체 경로가 동작할 때까지 Max-Age 20초 / AP가 전송상태 걸리는 시간 30초(Listening → Learning → Forwarding 30초), 총 50초를 기다려야 통신이 정상적으로 복구되기 때문에 별도 컨버전스 시간을 단축시켜야 한다.