Spanning Tree Protocol (STP) 에 대해 알아보겠습니다.

Ⅰ. Spanning Tree Protocol (STP) 이란? 

IEEE 802.1D 표준에 정의되어 있으며, 네트워크 스위치 간의 루프를 방지하기 위해 설계된 네트워크 프로토콜입니다. 루프는 네트워크 성능을 심각하게 저하시키고 네트워크 전체에 영향을 미칠 수 있으므로 이를 방지하기 위해 네트워크를 트리 구조로 변환합니다.

Ⅱ. Spanning Tree Protocol (STP) 필요성

네트워크에서 루프가 발생하면 다음과 같은 문제가 생길 수 있습니다:
 ⅰ. 브로드캐스트 스톰 (Broadcast Storm): 루프가 발생하면 브로드캐스트 패킷이 무한히 회전하여 네트워크 대역폭을 소모합니다.
 ⅱ. 중복 프레임: 동일한 프레임이 여러 번 전달되어 네트워크 혼잡을 초래합니다.
 ⅲ. MAC 주소 테이블 혼란: 스위치가 잘못된 포트로 MAC 주소를 학습하게 되어 프레임 전달이 올바르게 이루어지지 않습니다.

Ⅲ. Spanning Tree Protocol (STP) 동작 원리

STP는 네트워크 스위치 간에 Bridge Protocol Data Unit (BPDU) 메시지를 교환하여 네트워크 토폴로지를 결정하고, 루프를 방지하기 위해 일부 링크를 비활성화합니다. STP의 기본 목표는 루트 브리지(Root Bridge)를 선택하고, 각 네트워크 세그먼트에서 루트 브리지로 가는 최단 경로를 결정하는 것입니다.

Ⅳ. Spanning Tree Protocol (STP) 관련 주요 용어

 ⅰ. 루트 브리지 (Root Bridge): 네트워크의 중심이 되는 브리지(스위치). 네트워크 상의 모든 경로는 루트 브리지를 기준으로 계산됩니다.
 ⅱ. 루트 포트 (Root Port): 비루트 브리지에서 루트 브리지로 가는 최단 경로에 있는 포트.
 ⅲ. 지정 포트 (Designated Port): 특정 네트워크 세그먼트에서 루트 브리지로 가는 최단 경로를 제공하는 포트.
 ⅳ. 블록 포트 (Blocked Port): 루프를 방지하기 위해 비활성화된 포트.

Ⅴ. STP 알고리즘

 ⅰ. 루트 브리지 선택
 모든 스위치가 자신의 BPDU를 보내고, 가장 낮은 브리지 ID를 가진 스위치가 루트 브리지로 선정됩니다.

 ⅱ. 경로 비용 계산:
각 스위치는 루트 브리지로 가는 경로 비용을 계산합니다. 경로 비용은 포트의 속도에 따라 다릅니다. 일반적으로 낮은 속도일수록 높은 비용이 부여됩니다.
 ⅲ. 포트 역할 할당
각 스위치는 자신의 포트에 루트 포트, 지정 포트, 블록 포트를 할당합니다.
  1) 루트 포트: 루트 브리지로 가는 최단 경로를 제공하는 포트.
  2) 지정 포트: 특정 세그먼트에서 루트 브리지로 가는 최단 경로를 제공하는 포트.
  3) 블록 포트: 루프를 방지하기 위해 비활성화된 포트.
 ⅳ. 포트 상태 설정
STP는 포트 상태를 Blocking, Listening, Learning, Forwarding, Disabled 중 하나로 설정합니다.
  1) Blocking: 데이터 프레임 전송 불가, BPDU만 수신.
  2) Listening: 루프 탐지 및 BPDU 송수신, MAC 주소 학습 불가.
  3) Learning: BPDU 송수신, MAC 주소 학습 가능, 데이터 프레임 전송 불가.
  4) Forwarding: 데이터 프레임 송수신 및 BPDU 송수신 가능.
  5) Disabled: 포트 비활성화 상태.

Ⅵ. STP의 문제점과 개선

 ⅰ. 문제점
  1) 수렴 시간: STP가 네트워크 변화에 대응하여 새로운 트리 구조를 형성하는 데 시간이 걸립니다. 이 수렴 시간이 길면 네트워크 가용성에 영향을 줄 수 있습니다.
  2) 대역폭 낭비: 블록된 포트는 사용되지 않으므로 네트워크 대역폭이 낭비될 수 있습니다.
 ⅱ. 개선된 프로토콜
  1) Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP): IEEE 802.1w 표준으로, STP의 수렴 시간을 대폭 단축합니다. RSTP는 빠른 포트 전환을 통해 네트워크 가용성을 높입니다.
  2) Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP): IEEE 802.1s 표준으로, 여러 VLAN에서 별도의 스패닝 트리를 구성할 수 있게 합니다. 이를 통해 트래픽 부하를 분산하고 네트워크 효율성을 향상시킵니다.

Ⅶ. STP 구성 및 관리

BPDU Guard와 Root Guard는 STP 네트워크에서 중요한 보호 메커니즘입니다.
  1) BPDU Guard: BPDU를 수신하는 포트를 차단하여 STP 토폴로지 변경을 방지합니다.
  2) Root Guard: 특정 포트가 루트 브리지 역할을 맡지 않도록 제한하여 STP 네트워크의 무결성을 유지합니다.