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4. 루트 브리지, 루트 포트, 데지그네이티드 포트의 결정

 - 브리지나 스위치가 부팅을 하면 이들은 각각의 포트로 BPDU를 매 2초마다 내보내면서 서로의 스패닝 트리 정보를 주고받게 된다.

 - BPDU는 스패닝 트리 프로토콜에서 중요한 역할을 한다.

 - BPDU란 스패닝 트리에 대한 여러 가지 정보를 담고 있으면서 매 2초에 한 번 뿌려지는 프레임.

 1) 루트 브리지 선출 과정

 1) 각 스위치는 BID(Bridge ID)를 갖고 있다. (잠깐 여기서 BID개념을 다시 읽고오기)

 2) 맥 어드레스는 편의상 스위치 A는 1111.1111.1111, B는 2222.2222.2222로, C는 3333.3333.3333이라 가정한다.

 3) 낮은 BID를 갖는 스위치가 루트 브리지가 된다.

  (1) 우선 스위치 B와 스위치 C는 서로 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)를 주고 받는다. (BPDU란?)

  (2) 브리지가 처음 부팅하고 나서 내보내는 BPDU에는 Sender BID 정보와 자신의 BID를 넣는다.

  (3) 루트 브리지의 BID 역시 자기 자신의 BID를 넣게 된다.

  (왜냐하면 막 부팅 했을 때에 다른 BPDU를 한 번도 받지 못했기 때문에 이 네트워크에 자기 혼자 있다고 생각 한다.)

  (4) 스위치 B와 스위치 C는 루트 브리지 BID를 자기 자신의 BID로 세팅해서 BPDU를 서로 주고 받는다.

  (5) 스위치 B는 스위치 C가 보낸 BPDU의 루트 브리지의 BID를 비교 하여 더 낮은 BID를 루트 브리지로 한다.

  (즉, 스위치 B는 스위치 C에서 받은 BPDU를 무시해 버린다.)

  (6) 스위치 C는 스위치 B로 부터 받은 BPDU의 루트 브리지의 BID를 자신의 루트 브리지 ID와 비교하여 자신의 BPDU에 있는 루트 브리지 BID를 스위치 B의 BID로 바꾸어 다른 곳으로 전송한다.

  (즉, 스위치 B를 루트 브리지로 인정하는 것이다.)

  (7) 스위치 A가 새로 부팅 되고 자신의 BPDU에 루트 브리지의 BID를 자기 BID인 32768.1111.1111.1111로 설정하여 양쪽의 스위치 B와 스위치 C에게 보낸다.

  (8) 스위치 B와 C도 BPDU는 매 2초마다 보내기 때문에 스위치 A에 보내진다. 이때 스위치 B와 C에서 보내온 루트 브리지 BID 필드에는 스위치 BID인 32768.2222.2222.2222 값이 들어있다.

  (9) 모든 스위치들이 BPDU의 루트 브리지 ID를 자신의 루트 브리지 ID와 비교 후 낮은 값을 루트 브리지 ID로 바꾸게 된다.

   (10) 결국 BID가 가장 낮은 값을 가지고 있는 브리지가 루트 브리지가 된다.

  * 이와 같은 과정으로 루트 브리지가 결정이 되는데 만약 스위치 C를 루트 브리지로 설정 하고 싶다면 스위치 C의 BID를 스위치 A의 BID보다 낮은 값으로 만들면 된다.

  * Bridge Priority의 Default 값은 32768이지만 관리자가 임의로 변경할 수 있다.

   (11) Priority 설정 방법 (실습)

   - 루트 브리지 선정이 끝난 스위치

Switch(config)# spanning-tree vlan 1 priority 4096
Switch# show spanning-tree

    ① SwitchA

    ② Switch B

    ③ Switch C

 2) 루트 포트 선출

 - 루트 브리지의 선출이 끝나면 스위치들은 루트 포트의 선출을 시작하게 된다.

  · "모든 Non Root Bridge는 반드시 한 개의 루트 포트(Root Port)를 갖는다."

 3) 데지그네이티드 포트(Designated Port) 선출

 - "세그먼트당 하나씩의 데지그네이티드 포트를 갖는다"

 - 루트 브리지까지의 Path Cost, 즉 세그먼트상에서 Root Path Cost를 서로 비교해서 더 작은 Root Path Cost를 가진 포트가 데지그네이티드 포트로 선출된다.

 - 루트 브리지의 모든 포트들은 언제나 데지그네이티드 포트로 선정된다.

3. 스패닝 트리의 기본적인 과정

  * 스패닝 트리 프로토콜에서 루트 포트나 데지그네이티드 포트가 아닌 나머지 모든 포트는 다 막아버린다!

2. 스패닝 트리 프로토콜(Spanning Tree Protocol : STP)

 · 스위치나 브리지에서 발생하는 루핑을 막아주기 위한 프로토콜

 · 즉, 스위치나 브리지 구성에서 출발지부터 목적지까지의 경로가 두 개 이상 존재할 때 한 개의 경로만을 남겨두고 나머지는 모두 끊어두었다가 사용하던 경로에 문제가 발생하면 그때 끊어 두었던 경로를 하나씩 살린다.

 1) 브리지 ID (Bridge ID)

  · 브리지나 스위치들이 통신할 때 서로를 확인하기 위해 하나씩 가지고 있는 번호

  - 브리지 ID는 16비트의 브리지 우선 순위와 48비트의 브리지 MAC 주소로 만들어진다.

  - 맨 앞에 'Bridge Priority'가 오고, 그 뒤에 바로 'MAC Address'가 오는 것이 Bridge ID이다.

  (1) Bridge Priority

   - 16 비트 ( 0 ~ 65535 )

   - Default Bridge Priority (32768)

  (2) Path Cost

   - '목적지까지 가는 경로에서 거치게되는 각 링크들로 부담되는 총 비용'

   - IEEE 802.1D에서는 이 Cost 값을 계산할 때 1000Mbps를 두 장비 사이의 링크 대역폭으로 나눈 값을 사용했다.

   - ex) 두 스위치가 10Mbps로 연결되어 있다고 가정했을 때 Path Cost 는?

   ∴ Path Cost는 1000Mbps를 둘 사이의 링크 대역폭으로 나눈 값이다. 1000/100 = 10

* Redundant Topology의 문제점

  (1) 브로드캐스트 스톰(Broadcast Storm)

   - 하나의 패킷이 브로드캐스팅되어 수신되고, 이를 다시 하나 이상의 수신자에 의해 또다시 브로드캐스팅 되어 나타나는 폭주 상태

   - 루프(폐쇄경로)가 제거 또는 회피되지 않은 네트워크에서 일어날 수 있음

  (2) MAC 주소 테이블의 불안전성 

   - 루핑이 발생하면 Mac Address Table은 지속적으로 업데이트가 되면서 바뀌게 된다. (신뢰성 ↓)

∴ 해결책 Spanning Tree Protocol

1. 스위치와 브리지

 1) 스위치, 브리지란?

   · 스위치, 브리지는 2 이상의 링크계층 네트워크를 결합하여 LAN을 확장 구성하는 장비

    - 스위치는 여러 개의 포트를 가진 고성능 브리지(Multiport Bridge)

     - 단순 브리지는 2 포트 스위치로 볼 수 있음

  (1) 브리지

   - 소프트웨어 기반

   - 브리지 당 1 개의 스패닝 트리

   - 브리지 당 수개의 포트

   - 프레임 저장 후 전달

   - 한 번에 하나씩 프레임 전달

   - 각 포트에 전체용량을 쪼개어 할당 (전체용량을 각 포트가 공유하므로)

  (2) 스위치

   - 하드웨어 기반

   - 스위치 당 다수 스패닝 트리

   - 브리지 보다 훨씬 많은 포트 (다중 포트 브리지)

   - 프레임 저장 후 전달 뿐만 아니라 컷 스루 스위칭 방식도 가능

   - 한 번에 여러 프레임을 병렬로 동시 전달 가능

   - 각 포트에 전체용량을 동일하게 전용으로 할당

 2) LAN 스위치 주요 특징

  (1) 속도가 빠름(소프트웨어 보다 하드웨어적으로 수행)

   - CPU에 의한 소프트웨어 처리가 아닌 ASIC 하드웨어에 의한 수행으로 속도가 빠름

  (2) 네트워크를 미세하게 분할가능(MicroSegmentation)

   - 네트워크를 미세하게 분할하여 실사용자에게 대역폭을 최대한 할당할 수 있음

  (3) 각 포트 마다 전용 채널 할당 (Dedicated) 및 전이중 방식 사용 (Full-Duplex)

   - 각 포트 마다, 전용의 대역폭 채널을 할당, 전이중 방식의 데이터 통신

  (4) 브리지 보다 많은 수의 포트 보유 가능(Multiport Bridge)

   - 브리지는 최대 16개의 포트를 갖으나, 스위치는 수십 수백개의 포트도 가

  (5) 특정 트래픽을 고립시킬 수 있음(Isolated)

   - 특정 세그먼트로의 트래픽을 고립시킴에 의해 전체 가용 대역폭을 증가

    · 혼잡이 특히 심한 네트워크를 더 작은 세그먼트들로 나누어 통신트래픽을 고루 분산시켜 전체적인 효율을 개선시킬 수 있음

  (6) 수신된 프레임을 빠르게 포워딩하는 방식(Fast Forwarding)

   - 주로 Cut-through Switching 방식 사용

  (7) 2계층에서 동작(L2 스위치)

   - OSI 7계층모델의 관점에서 LAN Switch는 2계층(데이터링크 계층)에서 동작

    · 단, 요즈음은 2 ~ 3계층 기능 모두 가능한(Multi-layered) 장비도 출현

    · TP(Twisted Pair) 모듈과 FDDI 모듈등 여러개의 독립된 기능을 하나로 모을 수 있고 또한 하나에 브리지와 라우터 기능을 복합화시킬 수 있다.

  (8) LAN 스위치에 의한 가상 LAN 기능 구현(Virtual LAN)

   - 구성의 유연함을 제공 

 3) 스위치의 기능

  (1) 주소 학습(Learning)

   - 스위치는 자신의 포트에 연결된 PC가 통신을 위해서 프레임을 내보내면 그때 이 PC의 MAC Address를 자신의 MAC Address Table에 저장해놓는다.

  (2) 플로딩(Floooding)

   - 프레임을 모든 포트에 전달

  (3) 포워딩(Forwarding)

   - 스위치나 브리지가 목적지의 MAC Address를 자신의 MAC Address Table에 가지고 있고, 이 목적지가 출발지와 다른 세그먼트에 존재하는 경우 발생

   - 프레임을 해당 포트에만 전달

  (4) 필터링(Filtering)

   - 브리지나 스위치가 목적지의 MAC Address를 알고 있고, 출발지와 목적지가 같은 세그먼트 상에 있는 경우 발생

   - 콜리전 도메인(Collision Domain)을 나눌 수 있는 기능을 제공

  (5) Aging

   - MAC Address를 MAC Address Table에 저장하기 시작한 이후 300초까지 정보를 갖고 있는다.

   - 300초가 지나도록 더 이상 그 출발지 주소를 가진 프레임이 들어오지 않으면 Table에서 삭제

 * 브리지에서 프레임의 흐름

 4) 프레임 전송모드

  (1) Store and Forwarding

   - 스위치나 브리지가 일단 들어오는 프레임을 전부 받아들인 다음 처리를 시작하는 방식

   - 에러는 없는지, 출발지 주소는 어디인지, 목적지 주소는 어디인지 파악

   - 긴 Latency

  (2) Cut-through

   - 스위치가 들어오는 프레임의 목적지 주소만을 본 다음 바로 전송 처리를 시작하는 방식

   - 48비트만을 확인

   - SoF보다 적은 Latency

  (3) Fragment-Free

   - 처음 512비트를 보고 판단하는 방식

   - 에러 감지 기능 제공

  (4) Adaptive Cut-through

   - 프레임에서 발생한 오류가 미리 정의한 한계 값을 넘지 않는 경우에는 Cut-through를 수행하고 이 값을 넘어서면 Store-and-forward 모드로 전환되는 방식