Rapid Spanning Tree Protocol

Abkürzung: RSTP

Was ist das Rapid Spanning Tree Protocol?

Das Rapid Spanning Tree Protocol, abgekürzt RSTP, ist die Weiterentwicklung des klassischen Spanning Tree Protocol (STP) nach IEEE 802.1D. Es ist im Standard IEEE 802.1w definiert und später in den übergreifenden Standard 802.1Q-2014 integriert worden. RSTP reduziert die Konvergenzzeit nach einer Topologieänderung von 30 bis 50 Sekunden auf unter eine Sekunde. Dies wird erreicht, indem die starren timerbasierten Zustandsübergänge des klassischen STP durch einen schnellen Handshake-Mechanismus zwischen benachbarten Switches ersetzt werden. RSTP ist vollständig abwärtskompatibel zu STP und arbeitet mit älteren Switches zusammen, die nur das ursprüngliche Protokoll beherrschen.

Das Problem der langsamen STP-Konvergenz

Das klassische STP definiert für jeden Port einen festen Ablauf von Zuständen. Ein Port beginnt im Blocking-Zustand, wechselt nach 20 Sekunden in den Listening-Zustand, verweilt dort 15 Sekunden, geht dann für 15 Sekunden in den Learning-Zustand und wird schließlich weiterleitend. Diese 50 Sekunden Wartezeit sind in modernen Netzen inakzeptabel. Während dieser Zeit können Endgeräte keine Verbindung aufbauen, Server-Dienste sind nicht erreichbar und Ausfälle dauern unnötig lange. Das klassische STP kann nicht zwischen einem neu verbundenen Port und einem durch Ausfall freigewordenen alternativen Pfad unterscheiden und behandelt beide Fälle mit denselben langen Timern.

RSTP beseitigt dieses Problem, indem es die Erkenntnis nutzt, dass die meisten Ports in modernen Netzen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder Endgeräteanschlüsse sind. Anstatt blind auf Timer zu vertrauen, handeln die Switches Zustandsübergänge aktiv untereinander aus.

Neue Port-Rollen in RSTP

RSTP erweitert die Port-Rollen des klassischen STP. Während STP lediglich Root Port, Designated Port und Blocked Port kennt, definiert RSTP zusätzliche Rollen für schnellere Failover.

• Root Port: Der Port mit den geringsten Pfadkosten zur Root Bridge. Diese Rolle ist identisch zum klassischen STP.
• Designated Port: Der Port, der Datenverkehr für ein bestimmtes Netzsegment zur Root Bridge hin und von ihr weg weiterleitet. Ebenfalls identisch zum STP.
• Alternate Port: Ein Port, der einen alternativen Pfad zur Root Bridge bietet und im Blocking-Zustand verharrt, solange der Root Port aktiv ist. Fällt der Root Port aus, kann der Alternate Port sofort in den Forwarding-Zustand wechseln, ohne die Listening- und Learning-Phasen zu durchlaufen.
• Backup Port: Ein redundanter Port zum selben Netzsegment, auf dem bereits ein anderer Port als Designated Port fungiert. Der Backup Port bietet Redundanz innerhalb desselben Segments und wird aktiv, wenn der primäre Designated Port ausfällt.
• Edge Port: Ein Port, an dem ein Endgerät angeschlossen ist. Edge Ports gehen sofort in den Forwarding-Zustand und nehmen nicht an der Spanning-Tree-Berechnung teil. Sie entsprechen funktional dem Portfast-Feature. Empfängt ein Edge Port eine BPDU, verliert er seinen Edge-Status und wird wie ein normaler Port behandelt.

Reduzierte Port-Zustände

RSTP reduziert die Anzahl der Port-Zustände von fünf auf drei. Die Zustände Blocking und Disabled werden im RSTP-Diskarding-Zustand zusammengefasst. Learning und Listening bleiben als Übergangszustände erhalten, werden aber in der Praxis bei den meisten Ports durch den schnellen Handshake übersprungen.

• Discarding: Der Port leitet keine Nutzdaten weiter und lernt keine MAC-Adressen. Er empfängt und verarbeitet jedoch weiterhin BPDUs. Alle Alternat-, Backup- und initial blockierte Ports befinden sich in diesem Zustand.
• Learning: Der Port lernt MAC-Adressen, leitet aber noch keine Nutzdaten weiter. Dieser Zustand wird nur kurzzeitig durchlaufen, wenn ein Port über den Handshake-Mechanismus in den Forwarding-Zustand wechselt.
• Forwarding: Der Port ist voll aktiv und leitet Nutzdaten weiter.

Der Proposal- und Agreement-Mechanismus

Der entscheidende Fortschritt von RSTP ist der schnelle Handshake, der die starren Timer ersetzt. Zwei benachbarte Switches tauschen dabei Proposal- und Agreement-BPDUs aus, um einen Port sicher und schnell in den Forwarding-Zustand zu bringen.

Möchte ein Switch einen seiner Ports als Designated Port aktivieren, sendet er eine Proposal-BPDU. Der empfangende Switch prüft, ob der vorgeschlagene Port besser ist als sein bisheriger Root Port. Ist dies der Fall, erkennt er den neuen Port als übergeordnet an und versetzt alle anderen Ports, die nicht zur neuen Topologie passen, in den Discarding-Zustand. Diesen Vorgang nennt man Synchronisation. Danach sendet der empfangende Switch eine Agreement-BPDU zurück. Sobald der vorschlagende Switch das Agreement empfängt, wechselt sein Port sofort in den Forwarding-Zustand. Das gesamte Verfahren dauert Millisekunden anstelle von 30 Sekunden.

Der Mechanismus kann sich kaskadenartig entlang der Topologie fortsetzen. Ein Switch, der ein Agreement gesendet hat, kann seinerseits ein Proposal an seine nachgelagerten Nachbarn senden, die wiederum synchronisieren und mit Agreement antworten. Auf diese Weise konvergiert das gesamte Netz nach einem Fehler in sehr kurzer Zeit.

Edge Ports und Link-Typen

RSTP klassifiziert Ports nicht nur nach ihrer Rolle, sondern auch nach ihrem Link-Typ. Diese Klassifizierung beeinflusst das Verhalten des Ports während der Konvergenz.

• Point-to-Point: Eine direkte Verbindung zwischen zwei Switches, typischerweise im Vollduplex-Modus. Point-to-Point-Links sind Voraussetzung für den schnellen Proposal-Agreement-Handshake. Ein Port erkennt diesen Typ entweder automatisch, wenn er im Vollduplex-Modus arbeitet, oder kann manuell als Point-to-Point konfiguriert werden.
• Shared: Eine Verbindung zu einem geteilten Medium, typischerweise ein Hub mit mehreren angeschlossenen Geräten im Halbduplex-Modus. Shared-Links verwenden weiterhin die klassischen Timer, da auf einem geteilten Medium mehrere Switches verbunden sein können und ein schneller Handshake nicht sicher möglich ist. Shared-Medien sind in modernen Netzen praktisch ausgestorben.
• Edge: Ein Port, an dem ein Endgerät hängt. Edge-Ports werden direkt in den Forwarding-Zustand versetzt und nehmen nicht am Spanning-Tree-Handshake teil.

Abwärtskompatibilität zu STP

RSTP erkennt selbstständig, ob ein Nachbar nur klassisches STP beherrscht. In diesem Fall schaltet der RSTP-Switch den betreffenden Port in den STP-kompatiblen Modus und verwendet die alten Timer-basierten Zustandsübergänge. Der übrige Teil des Netzes profitiert weiterhin von der schnellen RSTP-Konvergenz. Diese abgestufte Kompatibilität ermöglicht die schrittweise Migration von STP zu RSTP, ohne dass alle Switches gleichzeitig ausgetauscht werden müssen.

Integration mit VLANs und MSTP

RSTP bildet die Basis für das Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP). MSTP nutzt den RSTP-Handshake und die schnellen Zustandsübergänge, erweitert sie jedoch um die Fähigkeit, mehrere VLANs zu unabhängigen Spanning-Tree-Instanzen zu gruppieren. Auch Ciscos Rapid PVST+ basiert auf dem RSTP-Mechanismus, wendet ihn aber pro VLAN an. In einem reinen RSTP-Netz ohne weitere VLAN-Instanziierung gilt ein gemeinsamer Spanning Tree für alle VLANs.

Konfigurationshinweise und Praxis

RSTP ist auf den meisten modernen Switches standardmäßig aktiviert und bedarf nur minimaler Konfiguration. Der Administrator sollte die gewünschte Root Bridge durch Setzen der Priorität festlegen, um eine stabile und vorhersagbare Topologie zu erhalten. Alle Point-to-Point-Verbindungen arbeiten automatisch mit dem schnellen Handshake. Edge-Ports, die mit Endgeräten verbunden sind, müssen als solche gekennzeichnet werden, um sofort in den Forwarding-Zustand zu gehen und keine unnötigen Topologieänderungen auszulösen. Auf Cisco-Switches geschieht dies mit dem Portfast-Befehl, der auch unter RSTP den Port als Edge-Port definiert.

Zusammenfassung

RSTP ist der heute maßgebliche Standard für die Schleifenvermeidung in Layer-2-Netzen. Es behält die grundlegende Funktionsweise des klassischen STP bei, eliminiert aber dessen größten Nachteil, die langsame Konvergenz. Durch den Proposal-Agreement-Handshake, neue Port-Rollen und die Klassifizierung von Link-Typen erreicht es Failover-Zeiten von unter einer Sekunde. In Kombination mit Edge-Ports für Endgeräte und voller Abwärtskompatibilität zu STP ist RSTP die empfohlene Basis für jedes moderne Spanning-Tree-Design.