[NETWORK] - STP(Spanning Tree Protocol)

📌 STP(Spanning Tree Protocol) 개요

스패닝 트리 프로토콜(STP)은 네트워크에서 루프를 방지하기 위해 사용되는 Layer 2 프로토콜입니다.

주요 목적

• 네트워크 루프 방지
• 네트워크의 안정성 향상
• 중복 경로 관리

작동 방식

STP는 다음과 같은 단계로 작동합니다:

1. 루트 브리지 선출: 가장 낮은 브리지 ID를 가진 스위치가 루트 브리지가 됨
2. 루트 포트 선정: 각 non-루트 브리지에서 루트 브리지까지의 최적 경로 결정
3. 지정 포트 선정: 각 세그먼트에서 루트 브리지로의 최적 경로 제공
4. 블로킹 포트 설정: 루프 방지를 위해 나머지 포트를 차단

포트 상태

STP의 포트는 다음 상태를 가질 수 있습니다:

• Blocking: 데이터 전송 불가, BPDU만 수신
• Listening: 데이터 전송 불가, BPDU 송수신
• Learning: MAC 주소 학습 시작, 데이터 전송은 불가
• Forwarding: 정상적인 데이터 전송 상태
• Disabled: 관리자에 의해 비활성화된 상태

장점

• 네트워크 안정성 향상
• 자동 백업 경로 제공
• 브로드캐스트 스톰 방지

💬 BPDU (Bridge Protocol Data Unit)

BPDU는 스위치 간에 정보를 교환하는 데 사용되는 프레임입니다. STP 동작에 핵심적인 역할을 합니다.

BPDU의 주요 기능

• 루트 브리지 선출 정보 전달
• 네트워크 토폴로지 변경 감지 및 전파
• 포트 역할 및 상태 결정을 위한 정보 교환

BPDU 유형

• Configuration BPDU: 루트 브리지 선출과 네트워크 토폴로지 결정에 사용
• TCN (Topology Change Notification) BPDU: 네트워크 토폴로지 변경 알림에 사용

BPDU 주요 필드

• Root Bridge ID: 현재 루트 브리지의 식별자
• Path Cost: 루트 브리지까지의 경로 비용
• Bridge ID: BPDU를 전송하는 브리지의 식별자
• Port ID: BPDU가 전송되는 포트 번호

BPDU는 기본적으로 2초마다 전송되며, 이를 통해 스위치들은 네트워크의 현재 상태를 지속적으로 모니터링하고 필요한 경우 토폴로지를 재구성할 수 있습니다.

STP 포트 상태 전환 과정

스위치 포트가 활성화된 후, STP는 다음과 같은 단계를 거쳐 최종 상태에 도달합니다:

각 단계별 특징과 소요 시간은 다음과 같습니다:

• 1. Disabled → Blocking: 포트 활성화 시 즉시 Blocking 상태로 전환
• 2. Blocking → Listening: 루프가 없다고 판단되면 Listening 상태로 전환 (20초)
• 3. Listening → Learning: 토폴로지 정보 수집 후 Learning 상태로 전환 (15초)
• 4. Learning → Forwarding: MAC 주소 학습 후 최종 Forwarding 상태로 전환 (15초)

전체 컨버전스 타임(Convergence Time)은 약 50초가 소요되며, 이는 네트워크의 안정성을 확보하기 위한 필수적인 과정입니다.

🌪️ 브로드캐스트 스톰 (Broadcast Storm)

브로드캐스트 스톰은 네트워크에서 브로드캐스트 패킷이 무한히 순환하면서 발생하는 심각한 네트워크 장애 현상입니다.

발생 원인

• 네트워크 내 물리적 루프 존재
• 스위치 간 중복 연결로 인한 프레임 순환
• 브로드캐스트 패킷의 무한 복제 및 전달

브로드캐스트 스톰의 영향

• 네트워크 대역폭 소비 증가
• 네트워크 장비의 CPU 부하 증가
• 전체 네트워크 성능 저하
• 네트워크 서비스 장애 발생

방지 방법

• STP 구현을 통한 물리적 루프 제거
• 브로드캐스트 도메인 분할
• 스위치 포트 보안 설정
• 네트워크 모니터링 강화

이러한 브로드캐스트 스톰은 STP를 통해 효과적으로 예방할 수 있으며, 이는 STP가 중요한 네트워크 프로토콜로 사용되는 주요 이유 중 하나입니다.

다음은 브로드캐스트 스톰이 발생할 수 있는 네트워크 토폴로지의 예시입니다:

위 토폴로지에서 PC1이 브로드캐스트 패킷을 전송하면, 스위치들 간의 순환 구조로 인해 패킷이 무한히 복제되어 전달됩니다. 이는 곧 브로드캐스트 스톰으로 이어집니다.