RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol) IEEE 802.1w

RSTP는 네트워크 토폴로지가 변화할 때, STP가 30초 또는 50초정도 걸리는 스패닝 트리의 컨버전스 타입(수렴 시간)을 빠르게 하기 위해 설계되었다. RSTP는 대체(Aternative) 포트와 백업(Backup) 포트의 역할을 추가하고 폐기(discarding), 학습(Learning), 전송(Forwarding)으로 포트 상태를 정의한다.

RSTP가 루트 브리치를 선택하고, 루트 포트와 지정 포트를 결정하는 방식은 STP와 동일하다. 즉 BID가 낮은 스위치가 루트 브리치가 되고, 포트 역할을 결정할 때 BPDU내의 루트 브리지 BID, 경로 비용(path cost), 브리지의 BID, 포트 ID를 차례로 비교하여 가장 낮은 값을 갖는 포트가 루트(root) 포트와 지정(designated) 포트로 선택된다.

RSTP 링크의 종류

• 에지 방식(Edge)
• 점대점 방식(Point-to-point)
• 링크 공유 방식(Shared Link)

그림1. RSTP 포트의 종류

① 에지 링크(edge link)는 PC나 서버 등 BPDU를 발생시키지 않는 종단 장치(end system)가 접속된 포트를 말한다. 카탈리스크 스위치에서는 포트 패스트(portfast)를 설정해야만 에지 링크로 동작한다. 해당 포트에 포트 패스트를 설정하지 않을 경우 종단 장치의 동작 상태에 따라 공유(shared)나 점대점(point-to-point)로 동작한다.

② 포트 패스트가 설정되지 않은 포트에 연결된 PC는 공유 링크로 동작한다.

② 점대점 링크(point-to-point link)는 전이중 방식(full duplex)으로 동작하는 링크이다.

③ STP로 동작하면서 전이중 링크는 점대점 피어(point-to-point peer)로 동작한다.

④ RSTP로 동작하는 스위치는 점대점 링크로 동작한다.

⑤ 공유 링크(shared link)는 반이중 방식(half duplex)로 동작하는 링크이다. 만약 RSTP가 동작하는 스위치가 반이중 방식으로 설정되어 있다면 공유 링크라도 spanning-tree link-type 명령을 사용하여 점대점 링크로 바꿀 수 있다. 이는 RSTP가 에지 링크나 점대점 링크에서만 수렴시간을 줄이기 때문에 스위치와 스위치 사이에 허브가 연결되어 있을 경우 유용하게 사용할 수 있다. 하지만 최근의 네트워크에서는 허브를 사용하지 않기 때문에 실제로 문제가 되지 않는다.

Switch3# configure terminal
Switch3(config)# spanning-tree mode papid-pvst

Switch2# cofigure terminal
Switch2(config)# spanning-tree mode rapid-pvst
Switch2(config)# interface fastethernet 0/1
Switch2(config-if)# spanning-tree portpast
Switch2(config-if)# ^Z
Switch2# show spanning-tree vlan 1

Switch#show spanning-tree interface fastEthernet 0/1 portfast
VLAN0001 enabled
Switch2#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority 32769
             Address 0004.9ADA.34D9
             This bridge is the root
             Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address 0004.9ADA.34D9
             Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
             Aging Time 20

Interface        Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- ----------------------------
Fa0/1            Desg FWD 19        128.1    Edge Shr
Fa0/2            Desg FWD 19        128.2    Shr
Fa0/3            Desg FWD 19        128.3    P2p Peer(STP)
Fa0/4            Desg FWD 19        128.4    Shr
Fa0/5            Desg FWD 19        128.5    P2p

Switch2#

그림2. RSTP 포트 종류 실습

※ Cisco Packet Tracer 5.1로 테스트해본 결과 위의 결과와는 다른 출력을 보여주는데, 포트 타입은 STP 형식으로 출력되며 포트 패스트가 지정된 포트도 P2p로 표시됩니다. 시뮬의 한계인가 봅니다.^^; 기회가 되는대로 dynamips에서도 테스트해서 올리도록 하겠습니다.

Switch#show spanning-tree interface fastEthernet 0/1 portfast
VLAN0001 enabled
Switch2#show spanning-tree vlan 1
VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority 32769
             Address 0004.9ADA.34D9
             This bridge is the root
             Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority 32769 (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address 0004.9ADA.34D9
             Hello Time 2 sec Max Age 20 sec Forward Delay 15 sec
             Aging Time 20

Interface        Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
---------------- ---- --- --------- -------- ----------------------------
Fa0/1            Desg FWD 19        128.1    P2p
Fa0/2            Desg FWD 19        128.2    P2p
Fa0/3            Desg FWD 19        128.3    P2p
Fa0/4            Desg FWD 19        128.4    Shr
Fa0/5            Desg FWD 19        128.5    P2p

Switch2#

RSTP의 포트 상태

RSTP는 포트의 상태를 차단(discarding), 학습(learning), 전송(forwarding) 상태로 구분한다. 데이터 프레임의 스위칭은 전송 상태에서 가능해진다.

(*) STP는 청취 상태부터 BPDU 송신 가능.

RSTP의 포트 역할

RSTP의 포트 역할은 루트 포트(RP; Root Port), 지정 포트(DP; Designated Port), 대체 포트(AP; Alternate Port), 백업 포트(BP; Backup Port), 비활성 포트(Disabled Port)로 구분한다.

RSTP 컨버전스(수렴)

그림3. RSTP 포트 역할

그림4. RSTP 포트 역할 실습

참고자료

Easy & Complete LAN 스위칭

Cisco Networking Academy Program CCNA 3 and 4 Companion Guide

CCNA ICND2 Official Exam Ceritification Guide

STP(Spanning Tree Protocol) IEEE 802.1d

토폴로지 이중화

대체 토폴로지

스위치간 이중 경로를 구성하여 네트워크 장애가 발생하였을 경우 대체 경로를 이용하여 네트워크 장애를 대비하는 것이다.

대체 스위치드 토폴로지

여분의 스위치로 이중 경로를 구성하여 스위치 고장에 의한 네트워크 장애를 대비하는 것이다.

브로트캐스트 폭풍(Broadcast Storm)

브로드캐스트와 멀티캐스트에 의해 루프를 따라 트래픽을 복사하여 스위치의 장애를 유발시켜서 네트워크가 다운되거나 극단적으로 느려지는 현상이다.

다중 프레임 전송

유니캐스트 전송시 복수의 경로를 통해 프레임의 사본이 수신되는 현상이다.

불안정한 MAC 데이터베이스

스위치가 복수의 경로로 인해 잘못된 포트에 일치하지 않는 MAC 주소를 학습하는 현상이다.

스패닝 트리

스패닝 트리 알고리즘

1. STP는 루트 브리지를 선출한다. 루트 브리지는 가장 낮은 BID를 갖는 브리지가 된다. STP는 루트 브리지에서 사용 중인 모든 인터페이스를 지정 포트(DP; Designated Port)가 되고 전달(forward) 상태로 둔다.
2. 비 루트 브리지를 대상으로 루트 포트(RP; Root Port)가 된다. 루트 포트는 각 브리지와 루트 브리지 사이에 최소 관리 비용이 부여된 인터페이스이며 전달 상태로 둔다.
3. 이더넷 세그먼트 당 하나의 지정 포트가 되며, 지정 포트는 가장 작은 루트 도달 비용을 갖는 인터페이스로 브리지 사이에 전달되는 BPDU의 필드 값 중 루트 도달 비용을 보고 결정한다.
4. 루트 포트도 아니고 지정 포트도 아닌 포트는 차단(block)된다.

STP Bridge ID와 Hello BPDU

스패닝 트리 알고리즘은 가장 먼저 루트 브리지를 선출한다. 루트 브리지를 선출하기 위해 각 브리지는 8byte 길이의 브리지ID(BID; Bridge ID)를 가지며 BID는 2byte 길이의 우선 순위 필드(priority)와 6byte 길이의 시스템 ID 필드로 구성되어 있다. 우선 순위는 0 ~ 65535사이에서 4096의 배수 값을 가질 수 있으며, 기본값은 32768이다. 시스템 ID는 각 브리지의 MAC 주소를 기반으로 한다.

STP는 BPDU(Bridge Protocol Data Unit)이라는 메시지를 정의하며, 브리지는 서로 BPDU를 사용하여 정보를 교환한다. 그중 Hello BPDU는 송신 브리지의 BID와 현재 루트 브리지의 BID 등 정보를 보여준다.

경로 비용

포트의 속도별로 지정된 값을 말한다.

포트 ID

BPDU를 전송하는 스위치의 포트 우선순위와 포트 번호로 구성되어 있다. 포트 우선 순위의 기본값은 128이고 포트 번호가 붙어서 128.25와 같은 형식으로 표시된다.

스패닝 트리 만들기

루트 브리지 선출

브리지는 BPDU의 BID를 기반으로 루트 브리지를 선출한다. BID의 값이 가장 낮은 브리지가 루트 브리지가 된다. 대개 우선 순위 필드는 32768로 동일하며 브리지의 MAC 주소로 결정되는데 필요에 의해 우선 순위 값을 변경함으로써 루트 브리지의 선출에 영향을 줄 수 있다. 보통 스패닝 트리의 루트 브리지에 대부분의 트래픽이 전달되므로 좀 더 고성능의 스위치가 루트 브리지로 선출되록 하기 위함이다.

루트 브리치의 선출은 모든 스위치가 Hello BPDU를 보내어 가장 낮은 BID를 갖는 스위치를 루트 브리치로 선출하고 비 루트 브리치들은 루트 브리치의 BID와 루트 경로 비용, 자신의 BID를 알린다.

각 스위치의 루트 포트(RP; Root Port) 선택

각 스위치는 포트 별로 루트 스위치에 도달하기 위한 경로 비용을 계산하여 가자 낮은 비용의 포트를 루트 포트로 선택한다. 경로 비용의 계산을 위해 수신한 Hello BPDU의 Path cost에 수신한 포트의 경로 비용을 더한다.

각 LAN 세그먼트에서 지정 포트 선택(DP; Designated Port) 선택

LAN 세그먼트에서 가장 낮는 경로 비용을 Hello BPDU에 담아 광고하는 포트가 지정 포트로 선택된다. Hello BPDU에는 송신한 스위치의 경로 비용이 담겨 있으며 세그먼트 내의 스위치 포트들은 경로 비용을 서로 비교한다.

차단 포트 선택

루트 포트나 지정 포트로 선택받지 못한 나머지 포트들은 차단(Blocking) 상태가 된다.

STP 포트의 상태 변화

비활성(Disabled)

스위치가 꺼져 있거나, 관리자가 shutdown 시킨 상태.

차단 상태(Blocking)

데이터 프레임 송수신 없음. BPDU 수신. 상대측 스위치로부터 Max Age동안 BPDU를 수신하지 못하거나 상대측 스위치로부터 열등 BPDU(기존 루트 브리지의 BID보다의 BID보다 높은 루트 브리지의 BID를 포함한 BPDU)를 수신할 경우 청취 상태로 변경된다.

청취 상태(Listening)

루프 발생을 방지하기 위해 BPDU 전송. 데이터 프레임 송수신 없음. 상대측 포트로부터 전송 지연 시간(기본 15초)동안 BPDU를 수신하지 못하거나 열등 BPDU를 수신하면 학습 상태로 변경된다.

학습 상태(Learning)

데이터 프레임 송수신 없음. MAC 주소 학습 개시. 전송 지연 시간내에 상대 포트로부터 BPDU 수신 받지 못하거나 열등 BPDU를 수신하는 경우 전송 상태가 된다.

전송 상태(Forwarding)

데이터 프레임 송수신. MAC 주소 학습.

BPDU와 토폴로지 변화

BPDU는 설정(configuration) BPDU와 TCN(Topology Change Notification) BPDU 두 종류가 있다. 스위치는 설정 BPDU를 이용하여 루트 브리치를 선출하고, 스위치 포트의 역할을 지정한다. 설정 BPDU는 항상 루트 브리치가 만들며, 다른 스위치들은 이 설정 BPDU를 다음 스위치에게 중계한다. 설정 BPDU는 Hello BPDU라고도 한다. 랜 토플로지에 변화가 발생하면 이것을 감지한 스위치는 TCN BPDU를 루트 포트를 통해 인접 스위치에게 전송하고 TCN BPDU를 수신한 스위치는 Flag 필드의 값을 TCA(Topology Change Acknowledgement)로 변경하여 TCN BPDU를 송신한 스위치에게 설정 BPDU를 전송하여 TCN BPDU 수신 확인을 알린다. 그리고 역시 루트 포트로 인접 스위치에게 TCN BPDU를 전송한다. 이렇게 전송된 TCN BPDU는 최종적으로 루트 브리치에게 전송되고, 루트 브리지는 설정 BPDU의 Flag 필드를 TC(Topology Change)로 변경하여 지정 포트를 통하여 변화를 알린다. 설정 BPDU를 수신한 스위치는 자신의 MAC 주소 테이블에 있는 MAC 주소를 삭제하고 다시 지정 포트를 통하여 TC가 설정된 설정 BPDU를 전송한다. 결과적으로 변경된 토폴로지에 따라 MAC 주소 테이블이 다시 만들어지게 된다.

컨버전스(수렴) 시간 조정

일반적으로 스위치를 켜면 포트가 전송 상태가 되기까지 청취 상태와 학습 상태를 거치므로 30초가량의 수렴시간이 요구된다. 또한 복수의 경로 존재시 한 경로가 다운되면 STP에 의해 복구되기까지 차단 상태, 청취 상태, 학습 상태를 거치쳐서 전송 상태가 되므로 50초 가량의 수렴시간이 필요하게 된다. 이렇게 비교적 장시간이 요구되는 수렴 시간을 줄이기 위해 시스코에서는 포트 패스트(portfast), 업링크 패스트(uplinkfast), 백본 패스트(backbonefast)라는 기술을 제공한다. 그리고 컨버전스 시간에 영향을 미치는 Hello time, Max Age, 전송 지영 시간을 직접 조정하는 방법이 있다. IEEE 표준은 RSTP(Rapid STP)와 MSTP(Multiple STP)를 제공하여 컨버젼스 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.

포트 패스트

PC 등과 같이 스위칭을 하지 않는 종단 장비와 연결된 포트는 스위치 부팅시 바로 전송 모드로 지정하는 방법이다. 글로벌 설정 모드에서 spanning-tree portfast default 명령을 사용하거나 인터페이스 설정 모드에서 개별 인터페이스 별로 spanning-tree portfast 명령을 사용한다.

업링크 패스트

직접 연결된 링크의 장애 발생시 차단 상태에 있는 포트를 바로 전송 상태로 변경시키는 방법이다. 글로벌 설정 모드에서 spanning-tree uplinkfast 명령을 사용한다.

백본 패스트

직전 연결되지 않는 간접 링크의 다운시 차단 상태를 Max Age(기본 20초)를 생략하고 바로 청취 상태로 변경시킨다. 모든 스위치에 대해 글로벌 설정 모드에서 spanning-tree backbonefast 명령을 사용한다.

1. 루트 브리치는 BID가 가장 낮은 Switch A이다.

2. 각 스위치의 루트 포트는 Switch B의 경우 E2  포트가 가장 낮은 경로 비용인 8(0 + 4 + 4)이므로 루트 포트가 된다. Switch C는 E0 포트가 경로 비용 4(0+4)를 가지므로 루트포트가 된다. Switch D는 E1 포트의 경로 비용이 12(0 + 4 + 4 + 4)이므로 루트 포트가 된다.

3. 다음으로 지정 포트를 구해보자. 지정 포트틑 비용이 가장 낮은 Hello BPDU를 세그먼트로 전달하는 인터페이스이다. Switch A의 모든 포트는 경로 비용이 0인 BPDU를 전송하므로 모든 포트가 지정 포트이다. Switch C와 Switch B간의 전달하는 BPDU에서 Switch C의 BDDU에 포함된 최소 비용은 4이고 Switch B의 BPDU에 포함된 최소 비용은 8이므로 Switch C의 E2가 지정포트가 된다. Switch B와 Switch D 사이에서는 Switch B의 BPDU에 최소 경로가 8(0 + 4 + 4)이고 Switch D의 최소 경로는 12(0 + 4 + 4 +4)이므로 Switch B의 E1 포트가 지정포트이다. 마지막으로 Switch C의 최소 경로가 4(0+4)이고, Switch D의 최소 경로 비용은 12(0 + 4 + 4 + 4)이므로 Switch C의 E1포트가 지정 포트이다.

4. 대체 포트는 Switch B의 E1 포트이며, Switch D의 E0 포트입니다.

시스코 IOS 명령 기초 사용법 (1)

시스코사의 대부분의 장비는 CLI(Command Line Interface)를 지원하고 있습니다. CLI는 텍스트 기반으로 명령어를 입력하여 실행하도록 하는 방식이며 장비의 동작 상태를 점검하고 여러가지 설정을 입력할 수 있도록 해줍니다. 이번 시간에는 시스코 CLI에 연결하는 방법을 알아보도록 하겠습니다.

1. 시스코 IOS CLI를 이용하기

CLI를 이용하기 위해서는 콘솔(Console), 텔넷(telnet), SSH(Secure Shell), 보조 포트을 이용한 원격접속(AUX) 방법이 있습니다.

(1) 콘솔을 이용한 연결

일반적으로 시스코 라우터나 스위치의 초기 설정시 사용하는 방법입니다. 노트북이나 컴퓨터의 시리얼 포트와 라우터나 스위치 뒷 면의 콘솔 포트를 콘솔 케이블로 연결하여 통신 프로그램을 이용한 접속을 합니다.

그림1. 콘솔 케이블

그림2. 라우터 뒷면 콘솔 포트

그림3. PC 뒷면 직렬(Serial) 포트

최근 출시된 노트북의 경우 시리얼 포트가 없는 경우가 많습니다. 이런 경우 USB to Serial 케이블을 이용하여 USB를 시리얼 포트처럼 사용할 수 있습니다.

그림4. USB to Serial 케이블

콘솔을 이용한 접속시에는 기본적인 콘솔 포트 설정 값을 지정해 주어야 합니다.

• 9600 bps
• 하드웨어 흐름제어 없음
• 8bit ASCII
• 패리티 비트 없음
• 정지 비트 1

(2) 텔넷과 SSH를 사용한 접근

스위치와 라우터에 대한 초기 설정이 끝나고 배치가 완료된 이후에는 보통 네트워크를 통하여 원격 접속을 하여 모니터링 및 추가 설정 작업을 하게 됩니다. 예전에는 일반적으로 telnet을 이용하였으나 요즘은 보안상의 이유로 SSH를 이용한 접근을 더 권장하고 있습니다.

(3) 보조포트를 사용한 접근

라우터의 경우 네트워크의 다운 등으로 인한 장애발생시 보조포트에 연결된 모뎀을 이용한 원격 접속이 가능합니다. 스위치는 AUX 포트가 존재하지 않는데, LAN 외부로부터의 접근은 라우터를 이용하여 접속하고 라우터를 경유하여 내부 LAN의 스위치로 접근하는 것이 일반적입니다. 보안상의 이유로 내부 네트워크로의 접근 창구는 단일화하도록 구성하는 것이 좋습니다.

그림5. 시스코 스위치 C2960 뒷면

그림6. 스위치와 노트북 연결

네트워크 전문가의 국제 운전면허증

네트워크 현업에서 가장 공인된 자격증은 뭐니뭐니해도 시스코 인증 시험일 것입니다. 시스코 인증 시험은 1998년 시스코의 첫 번째 기초 자격증인 CCNA(Cisco Certified Network Associate) 640-407 (CCNA 1.0)이 선보인 이래로 640-507 (CCNA 2.0 2000년), 640-607 (CCNA 3.0 2002년) 등 3차례의 개정까지는 1개의 인증 시험으로 CCNA 자격을 취득할 수 있었습니다. 하지만 나날이 발전하는 네트워크의 분야에 발맞추어 CCNA 640-801시험(CCNA 4.0 2003년)부터는 1개로 CCNA 자격을 취득하는 인증 시험과 INTRO 640-821와 ICND 640-811, 이렇게 2개의 인증 시험을 통해 CCNA 자격을 취득하는 인증 시험으로 나뉘게 됩니다. ICND는 (Interconnecting Cisco Networking Devices의 약자입니다. 그리고 다시 2007년 6월 개정안이 발표되어 CCNA 640-802와 ICND1 640-822, ICND2 640-816으로 구분되어 현재까지 시행되고 있습니다.

대부분 CCNA 취득을 위해 비용상 유리한 CCNA 640-802를 응시하고 있으며, 기출문제인 덤프(dump)를 별도로 구해서 준비를 하고 있습니다. 덤프를 이용한 합격률은 상당히 높은 편인데 기출 문제와 답이 거의 실제 시험에 맞추어 일치되기 때문인데 언뜻 이해하기 어렵지만 CCNA 시험이 통상 영어로 출제되는 것을 고려해볼 때 비영어권 응시자들을 배려하여 시스코사에서 눈을 감아주고 있는 게 아닌가 합니다. 현실적으로 40만원 가까이 하는 (2009년 현재) 응시료를 지불해야 하는 고액의 시험인 것을 생각해보면 1번에 안전하게 붙을 수 있는 덤프의 이용은 필요악이라고 생각되지만 덤프를 외워서 통과한 CCNA 자격이 실무에서 어느정도 인정을 해줄지는 의문입니다. 그렇기 때문에 역시 제대로 준비를 해서 자격을 취득해야 덤프 자격이라는 오명을 벗도록 스스로 노력을 해야겠죠. 준비만 제대로 되어 있다면 영어가 모자라 덤프라는 차선을 선택한 것이 그다지 부끄럽지는 않을 것입니다.

CCNA는 초두에 얘기한 것처럼 기초 자격증이며 CCNA 자격을 취득하므로써 시스코 인증 프로그램에 의해 전문가 수준의 상위 자격 시험을 취득할 자격이 주어집니다.

시스코의 인증 시험은 총 4단계, Entry-Level, Associate, Professional, Expert로 나누어집니다. 인증 분야는 다시 총 7개의 분야로 구분되는데, Routing & Switching, Design, Network Security, Service Provider, Strorage Networking, Voice, Wireless로 나누어 집니다.

• CCENT 인증 취득은 ICND1 640-822를 패스해야 합니다.
• CCNA 인증 취득은 ICND1 640-822 패스한 후, ICND2 640-816을 패스하는 2개 자격을 취득하는 방법과 CCNA 640-802 1개를 패스하는 2가지 방법이 있습니다.
• CCNA Security 인증 취득은 640-553 IINS(Implementing Cisco IOS Network Security)를 패스해야 합니다.
• CCNA Voice 인증 취득은 640-460 IIUC(Implementing Cisco IOS Unified Communications)에 패스해야 합니다.
• CCNA Wireless 인증 취득은 640-721 IUWNE(Implementing Cisco Unified Wireless Networking Essentials)에 패스해야 합니다.
• CCNA Security, Voice, Wireless 인증 시험을 보려면 CCNA 인증을 보유하고 있어야 합니다.