STP / RSTP

Entstehung und Beteiligte

Radia Perlman entwickelte 1985 bei Digital Equipment Corporation den Spanning-Tree-Algorithmus. IEEE 802.1D standardisierte ihn. Rapid Spanning Tree nach IEEE 802.1w beschleunigte später die Konvergenz.

Welches Problem sollte gelöst werden?

Redundante Ethernetverbindungen sind für Ausfallsicherheit nötig, erzeugen aber Schleifen. Frames besitzen keine TTL; Broadcasts können deshalb endlos zirkulieren und MAC-Tabellen instabil machen.

Technische Hürden und Lösungen

Switches müssen ohne zentrale Instanz eine Root Bridge wählen und überflüssige Pfade blockieren. Klassisches STP reagiert langsam. RSTP definiert schnellere Rollen und Übergänge. Falsche Prioritäten können einen ungeeigneten Switch zur Root machen.

Standardisierung und Einordnung

Physische und logische Infrastruktur muss über Herstellergrenzen hinweg funktionieren. IEEE-, ISO- und IETF-Standards definieren elektrische Werte, optische Übertragung, Rahmenformate und Steuerprotokolle. In der Praxis kommen weitere Hürden hinzu: Kabellängen, Störungen, Stromversorgung, Wärme, Redundanz und Wartbarkeit. Gute Planung betrachtet deshalb nicht nur Datenblattwerte, sondern den gesamten Lebenszyklus.

Technik im praktischen Betrieb

Planung endet nicht mit dem Kauf eines Geräts. Dokumentation, Beschriftung, Ersatzteile, Firmwarepfade, Strombudget und Messwerte bestimmen die Wartbarkeit. Redundante Leitungen helfen nur, wenn sie nicht im selben Kabelweg, Switch, Netzteil oder Provider enden. Vor einer Änderung sollten Ausgangszustand und Rückweg feststehen. Nachher müssen nicht nur Linkanzeigen, sondern Fehlerzähler, Aushandlung, reale Datenrate und Anwendungserreichbarkeit kontrolliert werden.

Warum das Thema heute noch relevant ist

Infrastruktur bleibt meist länger im Einsatz als Anwendungen. Entscheidungen zu Kabeln, Frequenzen, Portzahl, Leistung und Redundanz wirken zehn Jahre oder länger. Historische Standards sind deshalb weiterhin relevant und werden durch schnellere Varianten erweitert statt vollständig ersetzt. Eine gute Installation lässt Messung, Austausch und Erweiterung zu. Reserven bei Platz, Kühlung, Strom und Fasern sind oft günstiger als ein späterer Umbau unter laufendem Betrieb.

Daten und Meilensteine

• 1985 entwickelt Radia Perlman Spanning Tree.
• Bridge ID kombiniert Priorität und MAC-Adresse.
• STP blockiert redundante Layer-2-Wege.
• RSTP ist weitgehend kompatibel und konvergiert deutlich schneller.

Warum Spanning Tree?

In redundant verkabelten Layer-2-Netzwerken entstehen physische Schleifen — und Ethernet hat keinen TTL-Mechanismus (anders als IP). Wird ein Broadcast-Frame in eine Schleife geschickt, kopieren Switches ihn endlos, bis alle Ports überlastet sind: Broadcast Storm. Das Netz bricht in Sekunden zusammen.

STP (IEEE 802.1D, 1990) löst dies, indem es genau einen schleifenfreien Baum (Spanning Tree) bildet und überzählige Ports blockiert. Die blockierten Ports werden bei Ausfällen aktiviert — Redundanz bleibt erhalten, Schleifen entstehen keine.

STP-Elemente: Root Bridge, Rollen und Zustände

STP-Ablauf: Alle Switches wählen die Root Bridge (niedrigste Bridge-Priority + MAC). Alle anderen Switches berechnen den kürzesten Pfad zur Root Bridge (Root Port = RP). Für jedes Netzsegment wird ein Designated Port (DP) gewählt — der Port, der am nächsten zur Root ist. Alle anderen Ports werden blockiert (Alternate/Backup).

Port-Zustände klassisch (802.1D): Blocking → Listening (15s) → Learning (15s) → Forwarding. Gesamte Konvergenz: 30–50 Sekunden! RSTP (802.1w) verbessert das auf typisch 1–3 Sekunden durch direkte Verhandlung zwischen Switches (kein Timer-basiertes Warten).

RSTP – Rapid Spanning Tree

RSTP (802.1w, 2001) ist der Nachfolger von STP und heute Standard. Wichtigste Verbesserungen:

Port-Rollen: Root Port (RP), Designated Port (DP), Alternate Port (AP = sofortiger Ersatz für RP), Backup Port (BP = Ersatz für DP im gleichen Segment).

Edge Ports (früher PortFast): Ports an Endgeräten (PCs, Server) gehen sofort in Forwarding — kein 30-Sekunden-Warten beim Booten. BPDU Guard deaktiviert den Port sofort, wenn ein Switch angeschlossen wird.

Rapid Transition: Wenn ein DP ausfällt, übernimmt der AP sofort (kein Timer). Konvergenz in 1–3 Sekunden.

MSTP und VLANs

MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol, 802.1s) ermöglicht mehrere Spanning-Tree-Instanzen für verschiedene VLAN-Gruppen. So kann SW-1 Root Bridge für VLANs 1–100 sein, SW-2 für VLANs 101–200 — Traffic wird auf redundante Pfade verteilt.

PVST+ (Cisco): Per-VLAN Spanning Tree — eine STP-Instanz pro VLAN. Flexibel aber ressourcenintensiv bei vielen VLANs.

Moderne Alternative: In Data-Center-Fabrics wird STP durch EVPN/VXLAN oder L3-Fabrics (routed access) vermieden. Dort gibt es keine Layer-2-Schleifen mehr.