[Network] Spanning Tree Protocol(STP) #1

개인적으로 네트워크 공부를 위해 정리한 내용들입니다.

함께 공부하자는 취지로 내용을 공유합니다.

1. 백본 스위치

Backbone(이하 백본)의 사전적 정의는 척추
인간의 신체에서 보면 손과 발, 눈, 귀 등에서 수집된 정보는 백본(척추)을 통해 뇌로 가고 뇌에서 각 신체로 하달하는 명령 또한 백본(척추)을 통해 나감
백본(척추)이 없다면 뇌와 신체 기관은 서로 통신을 할 수 없게 되고 사람은 식물과 다름없는 상태가 됨

위의 그림처럼 Cisco 스위치로 네트워크를 구축한 10층짜리 건물이 있다고 가정
일반적으로 네트워크 인프라를 구축할 때에는 중앙 서버실에 라우터, 내부 리소스 보호를 위한 방화벽, 웹방화벽, IPS 등이 설치
또한 1층부터 10층까지 사무실 사용자들을 위한 L2 스위치(하단의 빨간 박스)가 설치
사용자들의 트래픽은 L2 스위치를 통해 백본 스위치로 집결한 뒤 IPS, 방화벽, 외부 라우터 등을 통과한 후 외부 인터넷으로 나아감
즉 1층~10층 스위치에서 온 트래픽이 집결하는 첫 장소, 외부에서 온 트래픽이 1층 ~ 10층 스위치에 연결된 PC로 이동하기 위한 집결지가 백본 스위치

2. 백본 스위치의 필요성과 이중화

백본 스위치는 VLAN 간 통신을 가능케하는 Inter-VLAN Routing을 지원하여 VLAN으로 분할된 네트워크간 통신을 담당
또한 'DMZ' Zone처럼 외부에서도 진입이 가능한 곳도 내부에서 진입할 수 있도록 해줌
백본 스위치가 존재하지 않는다면 수많은 L2 스위치들에 연결된 사용자들은 외부 인터넷을 사용할 방법도, 서로에게 통신할 방법도 없으며, 내부의 다른 네트워크 구역에도 도달할 수 없음
이러한 중요성 때문에 백본 스위치는 비교적 성능이 좋은 L3 스위치(Cisco 社의 Catalyst 스위치의 경우, 6500 시리즈나 9400 시리즈 등)가 사용
백본 스위치를 둘 때는 거의 대부분의 경우 이중화를 함
백본 스위치를 한 대가 아닌 두 대를 두고 한 대가 장애 상황에 빠져 제기능을 수행하지 못할 경우, 나머지 한 대가 기능을 대행하도록 하는 것
혹은 물리적인 장비 2대를 논리적으로 엮어서 하나의 장비처럼 운용

빨간색 박스의 백본 스위치와 1층 스위치를 부분 확대한 그림(아래와 동일)

위 그림 두 개는 이중화한 백본 스위치와 백본 스위치에 연결된 1층의 스위치 두 대를 표현한 것
백본 스위치 이하의 그림 중 1층에 위치한 스위치 두 대와 백본 스위치 두 대를 빠짐없이 연결하여 표현
그리고 백본 스위치 두 대와 1층 스위치 두 대는 VLAN 3개(VLAN 10, VLAN 20, VLAN 30)를 동일하게 가지고 있음

위 그림을 보니 스위치들이 박스형 구조를 이루고 있음
즉 연결이 끊어질 수 있는 모든 경우의 수를 생각하여 서로를 연결했기 때문
Layer 2에서 동작하며 Ethernet Frame(이하 이더넷 프레임)을 전송하는 4대의 스위치가 박스형 구조

3. 브로드캐스트 폭풍(Broadcast Storm)

Broadcasting(브로드캐스팅)은 송신 호스트가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식을 의미한다.

Broadcast Storm(이하 브로드캐스트 폭풍)은 컴퓨터 네트워크에서 브로드 캐스트 및 멀티 캐스트 트래픽이 누적되는 것입니다. 과도한 양의 브로드 캐스트 트래픽은 "브로드 캐스트 폭풍"을 구성한다.

- 출처 : 위키백과 -

브로드캐스트는 위키백과의 정의처럼 송신자가 전송한 데이터가 네트워크에 연결된 모든 호스트에 전송되는 방식

브로드캐스트를 사용하는 대표적인 프로토콜은 ARP(Address Resolution Protocol)

스위치의 인터페이스에 녹색 불빛이 들어와있는데 각 스위치의 링크(인터페이스)가 살아있고, 데이터 통신이 가능하다는 뜻
이 상태에서 사용자가 인터넷을 사용하기 위해 PC 1을 설치
또한 IP 주소도 10.10.10.1/24로 부여
이 IP 대역 10.10.10.x/24은 VLAN 10에 해당

스위치의 인터페이스 색이 녹색이 아닌 짙은 녹색
게다가 PC에서 다른 PC로 Ping을 쏴도 아무런 응답이 오지 않음
원은 바로 Broadcast(GARP)에 있음

GARP(Gratuitous ARP)

네트워크 상의 다른 장비들의 ARP 캐쉬를 갱신 또는 중복방지를 위해, 자신의 하드웨어 주소 및 IP 주소를
Broadcasting(브로드캐스팅) 하여주는 간단한 프로토콜

- 출처 : 정보통신기술용어해설(http://ktword.co.kr/)>

PC를 스위치에 연결하면 PC는 이더넷 프레임(GARP)를 Broadcasting(이하 브로드캐스트)하여 자신이 사용 중인 IP 주소와 MAC 주소를 동일한 네트워크 상에 있는 네트워크 장비와 호스트에게 전달
자신이 이 주소를 사용하고 있으니 알아 두라는 뜻
이때 아래 그림처럼 목적지 MAC 주소를 'ff:ff:ff:ff:ff:ff'로 설정(즉 모든 네트워크 장비와 호스트에게 전달하겠다는 뜻)

GARP의 이더넷 프레임 구성(출처 : https://www.packetflow.co.uk/)

PC가 이더넷 프레임(GARP)를 브로드 캐스팅하여 1st Floor Switch 1에 전달
그다음에는 어떻게 되는지 살펴보면 다음과 같음(Backbone 1 = 백본 스위치 1, Backbone 2 = 백본 스위치 2, 1st Floor Switch 1 = 일반 스위치 1, 1st Floor Switch 2 = 일반 스위치 2)

1. 이더넷 프레임(GARP)의 목적지가 'ff:ff:ff:ff:ff:ff'임을 확인한 일반 스위치 1은 이더넷 프레임이 들어온 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 1과 일반 스위치 2로 전달)

2. 이더넷 프레임을 전달받은 백본 스위치 1과 일반 스위치 2가 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 2로 전달)

3. 백본 스위치 1과 일반 스위치 2에게 이더넷 프레임을 전달받은 백본 스위치 2가 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 1과 일반 스위치 1로 전달)

4. 백본 스위치 1과 일반 스위치 1에게서 이더넷 프레임을 전달받은 일반 스위치 1은 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 1, 일반 스위치 2와 PC로 전달)

5. 이더넷 프레임을 전달받은 백본 스위치 1과 일반 스위치 2가 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 2로 전달) ← 2번과 동일

6. 백본 스위치 1과 일반 스위치 2에게 이더넷 프레임을 전달받은 백본 스위치 2가 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 1과 일반 스위치 1로 전달) ← 3번과 동일

7. 백본 스위치 1과 일반 스위치 1에게서 이더넷 프레임을 전달받은 일반 스위치 1은 전달받은 포트를 제외한 모든 포트로 전달(백본 스위치 1, 일반 스위치 2와 PC로 전달) ← 4번과 동일

8. 무한 반복....

VLAN 10의 네트워크에 소속된 스위치들은 이더넷 프레임을 무한히 전달하고 받는 과정을 반복(이 과정은 매우 빠른 속도로 진행)
스위치는 이 이더넷 프레임을 처리하기 위해 자신이 가진 모든 리소스를 소모하게 되고 다른 작업에 신경 쓸 여유가 없어짐(정상적인 통신이 불가능)
이더넷 프레임이 끊임없이 휘몰아치는 이 현상을 브로드캐스트 폭풍이라고 함
보통 Loop(루프)라고 편하게 부르며 이러한 상황이 나타나면 '루프가 발생했다'고 함

ARP의 경우, 스위치는 동일한 이더넷 프레임을 양쪽에서 받기 때문에 MAC Address Table을 유지하는데 어려움을 겪게 됨
ARP Request가 양쪽에서 들어오기 때문에 MAC 주소가 이 포트에 연결되어있다고 테이블에 기록했다가 저 포트에 연결되어있다고 기록하니 혼란이 발생
'뫼비우스의 띠'와 같은 브로드캐스트 폭풍을 해결하기 위해서는 순환 구조를 끊는 방법밖에 없음
즉 인터페이스 하나를 차단해 스위치간 연결을 끊어서 순환 구조를 봉쇄하는 것
그리고 이러한 순환 구조를 끊기 위해 스위치들이 일련의 협상과정을 거쳐 안정된 네트워크를 유지하도록 가능케하는 프로토콜을 Spanning Tree Protocol(이하 스패닝 트리 프로토콜)이라 함

4. Spanning Tree Protocol란 무엇이며, 왜 필요한가?

Spanning Tree Protocol(스패닝 트리 프로토콜)은 래디아 펄먼이 고안한 알고리즘에 기반한 OSI 2계층 프로토콜로 브리지 랜에서 루프 발생을 방지하기 위해 사용된다.

- 출처 : 위키백과 -

스패닝 트리 프로토콜은 이더넷 프레임을 주고 받는 계층인 OSI 2 계층의 프로토콜로 루프 발생 방지를 위해 만들어짐
루프가 발생할 수밖에 없는 구조에서는 반드시 스패닝 트리 프로토콜을 활성화시켜야 하며 Cisco에서 생산되는 스위치들은 기본적으로 스패닝 트리 프로토콜이 활성화 되어 있음
그리고 각 VLAN마다 루프가 발생하는 것을 막기 위해 VLAN마다 스패닝 트리 프로토콜을 활성화시키는데 이를 PVST(Per VLAN Spanning Tree)라고 부름(시스코 고유의 프로토콜)
위의 그림에 대입하여 보면 VLAN 10, VLAN 20, VLAN 30마다 별도의 스패닝 트리 프로토콜을 활성화시킨다고 볼 수 있음
스패닝트리 프로토콜을 통해 실현하고자 하는 궁극적인 목표는 루프 발생 차단
이를 실현하기 위해 스위치들은 자신들이 갖고 있는 인터페이스 중 하나를 Block(이하 블락)시키고자 협상을 함

스패닝 트리 프로토콜의 협상 과정은 크게 두 개로 나눌 수 있음
Root Switch 선정과 Port 선정

1. Root Switch, Non Root Switch 선출
2. Root(루트) / Designated(지정) / Alternated(블락) Port 선출

인터페이스를 차단하려면 어떤 스위치의 인터페이스를 차단해야 할지 정해야하는데 가장 힘센 스위치(?)를 정해야 함
이를 Root Switch(이하 루트 스위치)라 하며 루트 스위치는 인터페이스를 블락하지 않아도 됨
루트 스위치로 선정되지 못 한 스위치들은 이 루트 스위치를 바라보며 자신이 루트 스위치와 얼마나 가까운 지 경쟁
루트 스위치와의 친분이 가장 적은(?) 스위치는 인터페이스를 블락해야 하는 불행을 겪어야 함
스위치의 서열이 정해지고 나면 이번엔 스위치 인터페이스의 서열을 정해야 함
스위치마다 어떤 인터페이스가 루트 스위치에 가장 가까운 지 경쟁
그리고 가장 경쟁력이 떨어지는 스위치의 가장 경쟁력이 떨어지는 포트가 결국 블락될 운명에 놓이게 됨
루트 스위치와 가장 가까운 포트를 Root Port(이하 루트 포트), 차단될 운명에 놓인 포트를 Alternated Port(이하 블락 포트) 그리고 그 이외의 포트를 Designated Port(이하 지정 포트)라 함

1st Floor Switch 2의 포트가 차단되어 순환 구조가 사라진 모습

스패닝 트리 구조 내에서 Root Switch(이하 루트 스위치)로 선정될 스위치를 찾음
루트 스위치는 스패닝 트리 구조에서 구심점 역할을 하며 모든 Non Root Switch(이하 일반 스위치)들은 루트 스위치를 바라보고 가장 가까운 경로를 탐색
스위치 간의 역할이 정리되면 일반 스위치들은 루트 스위치로 향하는 가장 가까운 경로에 있는 포트를 루트 포트로 선정
루트 포트의 반대 포트를 지정 포트로 지정해 데이터 이동을 가능케 함
루트 포트도, 지정 포트도 아닌 포트는 결국 일반 데이터 이동이 차단되는 블락 포트가 됨

5. Bridge Protocol Data Unit(BPDU)

Bridge Protocol Data Unit(BPDU)는 루프 없는 구성, 스패닝 트리를 구성할 때 사용하는 이더넷 프레임(즉 스위치들 간의 대화 수단)
스위치들은 BPDU를 주고받으며 서로의 우선순위를 확인하고 루트 스위치를 결정(Configuration BPDU)
또한 스위치 장애 혹은 스위치 간 링크 장애 발생으로 인해 네트워크에 변화가 생기면 루트 스위치에게 보고하는 경우에도 BPDU가 사용(TCN(Topology Change Notification) BPDU)

Bridge ID(이하 브리지 ID)는 각 스위치가 갖는 일련의 숫자로 스패닝 트리를 구성하고자 하는 스위치들은 이 브리지 ID의 값 크기를 비교하여 서열을 정함
값은 0 ~ 32768이며 값이 작을수록 더 높은 우선순위(서열)을 갖게 도미
이 숫자는 사용자가 임의로 지정할 수 있고, 다음과 같이 구성됨

'MAC 주소'는 스위치의 MAC 주소
'우선순위'는 위에서 언급한 숫자인 0 ~ 32768과 VLAN 번호를 더한 값
이 두 개 값을 이용하여 브리지 ID를 생성
우선순위에 VLAN 번호를 추가로 부여하는 이유는 VLAN별로 스패닝 트리를 구성하는 PVST(Per VLAN Spanning Tree)를 실현하기 위함

(1) Root Switch(Root Bridge)와 Non Root Switch(Non Root Bridge) 선출

스패닝 트리 프로토콜 동작 과정에서 눈여겨볼 특이점은 루트 스위치(루트 브리지)를 중심으로 연결되는 스위치들이 뿌리처럼 뻗어나가는 구조를 취한다는 것
스위치가 추가되면 될수록 Root Bridge(이하 루트 브리지)가 아닌 Non Root Bridge(이하 일반 스위치)들은 모두 루트 스위치를 바라보게 됨(마치 나무의 뿌리 모양처럼)
그래야만 루트 브리지(루트 스위치)를 필두로 스위치 간 서열을 정리하고 인터페이스를 차단할 스위치를 정할 수 있음
스위치의 서열을 정하는 것은 Bridge ID
스위치들은 BPDU 프레임을 주고 받으며 브리지 ID를 확인하고 누구의 서열이 더 높은지 판단

위 그림에서 스위치들의 브리지 ID를 확인할 수 있음
좌측 상단의 스위치의 브리지 ID가 가장 높고 우측 하단의 스위치의 브리지 ID가 가장 낮음
스위치들이 연결되고 스패닝 트리 프로토콜이 동작하기 시작하면 모든 스위치들은 자신이 루트 스위치라고 주장하며 BPDU를 보내기 시작
그러다 자신보다 더 높은 브리지 ID가 담긴 BPDU를 전달받으면 더 이상 루트 브리지임을 주장하지 않고 BPDU 프레임에 자신이 받은 가장 높은 브리지 ID를 'Root Bridge ID(이하 루트 브리지 ID)'에 담아 다른 스위치들에게 전달
자신보다 높은 브리지 ID가 담긴 BPDU 프레임을 받아든 스위치들 또한 더 이상 루트 브리지임을 주장하지 않고 일반 스위치로서 움직임

좌측 상단의 스위치의 브리지 ID가 가장 높기 때문에 루트 브리지로 선정
인접한 스위치들은 루트 브리지를 인정하고 루트 브리지만을 바라보게 됨
인접한 스위치들에 연결되는 스위치들 또한 루트 브리지보다 브리지 ID가 높지 않다면 마찬가지로 루트 브리지를 바라보게 됨

(2) Root / Designated / Alternated Port 선출

브리지 ID를 통해 스위치의 서열을 정했으니 이번엔 각 스위치들의 포트의 서열을 매김
이 서열은 스위치 내에서만 적용되며 다른 스위치와 경합하는 것이 아님
하지만 포트의 서열 또한 루트브리지까지의 거리가 얼마나 가까운 지를 경쟁하는 것이기 때문에 루트 브리지의 영향에서 벗어날 수 없음
그 전에 기억해야 할 요소가 두 가지 있으니 바로 'Segment(이하 세그먼트)'와 'Path Cost(이하 경로값)'

세그먼트는 연결된 네트워크 장비간의 연결을 뜻하고, 위 그림에서는 총 4개의 세그먼트를 확인하실 수 있음
세그먼트가 중요한 이유는 아래 한 가지 규칙 때문이고, 스패닝 트리 구조 내에서 어느 포트가 어떤 역할을 맡아야 할 지 헷갈릴 때 아래 규칙을 기억하면 쉬움

하나의 세그먼트에는 반드시 하나의 지정 포트가 있어야 한다.

Path Cost(이하 경로값)은 포트에 적용된 속도를 값으로 변환한 것으로 속도에 대한 적용값은 다음과 같음

스위치와 스위치가 연결되면 Speed와 Duplex에 대해 협상을 하고 서로 동일한 Speed와 Duplex를 갖게 되는데 바로 스위치의 포트에 설정된 속도가 표에서의 속도(bandwidth)임
속도마다 다른 경로값을 부여하고 이를 스패닝 트리 구성에 활용
다시 말해 스위치 자신의 경로값과 루트 브리지까지의 경로에 위치한 스위치의 경로값을 모두 고려함
루트 브리지로 향하는 경로의 경로값을 모두 더해 가장 작은 값이 나오는 경로를 선택
아래 그림에서 포트에 설정된 경로값을 확인할 수 있음

브리지 ID가 4096인 스위치는 루트 브리지로 향하는 세그먼트가 하나뿐이며 경로값은 19임
브리지 ID가 8192인 스위치는 두 개의 경로가 있으며 하나는 경로값이 38(19 + 19), 하나는 경로값이 119(100 + 19)임
경로가 두 개인데 한 쪽 경로의 값이 훨씬 작으니 스위치는 작은 경로값의 세그먼트를 통신경로로 사용할 것이 분명함

① Root Port 선출

1. 가장 작은 경로값을 가지는 포트
2. 인접한 스위치의 브리지 ID가 가장 낮은 포트
3. 인접한 스위치의 포트 ID가 가장 낮은 포트(포트 ID : 포트 번호)

먼저 브리지 ID가 4096인 스위치들은 첫 번째 기준에 의거 루트 스위치로 향하는 경로값이 가장 적은 포트(경로값 : 19)를 루트 포트를 정하게 됨
첫 번째 기준을 충족했기 때문에 두 번째, 세 번째 기준을 볼 필요가 없음
브리지 ID가 8192인 스위치는 왼쪽으로 향하는 경로가 경로값이 훨씬 작기 때문에 왼쪽 포트(경로값 38)를 루트 포트로 선택
만약 경로값이 양쪽 모두 같았다면 두 번째 기준인 브리지 ID가 가장 낮은 스위치를 접한 포트를 선택
하지만 아래 그림을 보시다시피 인접한 스위치들은 모두 같은 브리지 ID값을 갖고 있고, 두 번째 기준 또한 적용되지 않음
세 번째 기준인 인접한 스위치 모두 포트 번호가 2번이라고 가정하면 결국 이 기준 또한 적용되지 않음
마지막으로 스위치는 자신의 포트 번호를 보고, 가장 낮은 포트 번호(숫자가 작을수록 낮은 포트)를 루트 포트로 선택

② Designated Port 선출

지정 포트는 루트 포트, 아래에 서술할 블락 포트도 아닌 포트를 이르는 말
단순 포워딩 포트, 데이터와 BPDU 프레임을 전송하는 포트
지정 포트를 선출하기 위한 규칙은 루트 포트를 선출하는 규칙과 거의 동일
블락 포트가 아닌 지정 포트를 먼저 선출하는 이유는 루트 포트와 지정 포트가 아닌 포트가 블락 포트로 지정되기 때문

1. 가장 작은 경로값을 가지는 포트
2. 스위치의 브리지 ID가 가장 낮은 포트
3. 스위치의 포트 ID가 가장 낮은 포트(포트 ID : 포트 번호)

하나의 세그먼트에는 반드시 하나의 지정 포트가 있어야 한다.

세그먼트 하나에는 지정 포트가 하나씩 반드시 있어야 한다는 암묵적인(?) 규칙이 있음
스위치가 실제 포트 선출에 있어 사용하는 규칙이라기보다 포트를 지정하는 과정에 나타나는 특징
스패닝 트리 프로토콜 동작과정을 이해하는데 이게 좀 더 나은 것 같아 먼저 적용
아래 루트 포트가 존재하는 세그먼트에 빈 자리가 남아 있는 곳은 모두 지정 포트로 채움
하나의 세그먼트에는 하나의 지정 포트가 반드시 존재해야 하기 때문

③ Alternated Port 선출

블락 포트는 루트 포트도, 지정 포트도 아닌 포트로 데이터 통신을 하지 않는 포트로 BPDU는 수신
블락 포트가 BPDU를 제외한 모든 트래픽을 송수신하지 않음으로써 루프가 도는 것을 방지
아래 그림에서 남은 하나의 세그먼트에서 블락 포트를 지정해야 함

지정 포트 선출과정에서 하나의 세그먼트에는 반드시 하나의 지정 포트가 있어야 함
위 세그먼트에서 두 포트 중 하나는 지정 포트가 되어야하고, 남은 하나의 포트가 블락 포트가 되어야 함
바로 여기서 지정 포트 선출 기준이 사용됨

1. 가장 작은 경로값을 가지는 포트
2. 스위치의 브리지 ID가 가장 낮은 포트
3. 스위치의 포트 ID가 가장 낮은 포트(포트 ID : 포트 번호)

위의 그림에서는 1번으로 인해 브리지 ID가 4096인 스위치의 포트가 경로값이 19이므로 지정 포트가 됨
반면 브리지 ID가 8192인 스위치의 포트는 경로값이 119로 다음과 같이 포트가 지정됨

최종적으로 브리지 ID가 8192인 스위치의 포트가 블락 포트로 지정
블락 포트로는 BPDU만을 수신할 뿐 데이터가 송신/수신될 수 없음
ARP와 같이 목적지가 'ff:ff:ff:ff:ff:ff"으로 이루어진 이더넷 프레임은 이 포트에서 막힘
즉 루프가 돌지 않음
여기서 스위치를 아무데나 더 붙여도 위의 규칙을 지킨다면 각 포트는 알맞는 역할을 갖게 됨

6. 정보 출처

https://aws-hyoh.tistory.com/136

Spanning Tree Protocol(STP) 쉽게 이해하기 #1

이 글에서는 Interface(인터페이스), Port(포트) 이 두 단어를 혼용합니다. 의미는 동일합니다. 백본 스위치 backbone 1. 척추, 등뼈 2. 근간, 중추 3. 기개, 근성 - 출처 : 네이버 백과사전 - Backbone(이하 백

aws-hyoh.tistory.com

https://aws-hyoh.tistory.com/148

Spanning Tree Protocol(STP) 쉽게 이해하기 #2

지난 문서에서는 스패닝 트리 프로토콜에 대해 소개했습니다. 일선의 실무 현장에서 흔히 사용되는 박스형 네트워크 구조와 그로 인한 브로드캐스트 폭풍의 발생, 그리고 그것을 막기 위해 스