[에스넷시스템 부트캠프] TIL Day 11 - STP, EtherChannel

1. STP (Spanning Tree Protocol) 

1) 정의

• IEEE 802.1d STP로, 이더넷 스위치 네트워크에서 루프 방지를 위해 사용되는 프로토콜
• 네트워크 내 유일한 루프 없는 트리 구조(Spanning Tree)를 형성하여 브리징 루프, 브로드캐스트 스톰 등을 방지

 

2) BPDU(Bridge Protocol Data Unit)

• STP에서 스위치 간 네트워크 토폴로지 정보를 교환하기 위해 사용하는 데이터 프레임
• 루트 브리지 선출, 경로 비용 계산, 포트 상태 결정 등에 사용됨
• 종류
  • Configuration BPDU : 루트 브리지와 경로 정보를 전달하는 주기적 BPDU
  • TCN (Topology Change Notification) BPDU : 네트워크 토폴로지 변화가 있을 때 이를 알리는 BPDU 

 

3) BPDU 추가 정보

• Root Bridge ID
  • 스위치 간 BPDU 비교를 통해 가장 낮은 우선순위를 가진 스위치를 루트 브리지로 선정
  • 우선순위가 같으면 MAC 주소가 가장 낮은 스위치를 선정
• Root Path Cost 
  • 루트 브리지까지의 누적 비용으로 비용이 가장 낮은 경로가 선택됨
• Bridge ID 
  • 스위치 식별자 (우선순위 + MAC 주소)
  • 총 8바이트로 상위 2바이트는 우선순위, 하위 6바이트는 스위치의 고유 MAC 주소
  • 기본값은 일반적으로 32768이며, 0~61440 범위 내에서 4096씩 증가하는 값
  • VLAN에서는 VLAN 번호를 기본 우선순위에 더하여 사용
• Port ID 
  • 포트 우선순위(기본값 128)와 포트 번호로 구성
  • 동일한 경로 비용을 가진 여러 링크 중 가장 낮은 포트 아이디를 가진 포트를 우선하여 활성화
• Message Age
  • 루트 브리지로부터 출발한 BPDU가 현재 스위치까지 도달한 시간(홉 수)를 나타내며 초 단위로 표시
  • Max Age를 초과하면 수신된 BPDU 정보를 무효 처리
• Forward Delay 
  • 포트 상태가 Listening -> Learning -> Forwarding 으로 변경될 때 각 상태마다 걸리는 대기 시간으로 총 2회 적용됨
  • 기본값(15초) x 2회 = 총 30초 후 포트가 완전히 활성화됨

 

4) STP의 5가지 상태

상태	설명
Disable	포트가 관리적으로 비활성화됨
Blocking	루프 방지를 위해 트래픽 전달 안함 (BPDU 수신만 함)
Listening	BPDU를 처리하고 MAC 학습은 하지 않음
Learning	MAC 주소 학습은 하지만 포워딩은 안함
Forwarding	트래픽 포워딩 및 MAC 학습 수행

 

5) STP 타이머

• Hello Timer : 루트 브리지가 주기적으로 BPDU를 보내 살아 있음을 알리는 간격 (기본 2초)
• Max Age Timer : BPDU 정보의 유효시간 (기본 20초)
• Forward Delay Timer : 포트가 Forwarding 상태로 전환되기 전에 거치는 상태(Listening, Learning) 유지 시간 (기본 각 15초, 총 30초)

 

6) STP 포트 유형

• Root Port (RP) : 루트 브리지까지 가는 최단 경로 포트 (비루트 브리지에 1개만 존재)
• Designated Port (DP) : 세그먼트 당 트래픽 전달 담당 포트, 루트 포트가 아닌 다른 스위치에서 지정됨
• Alternate Port : 루트 포트의 예비 포트로 현재 차단 상태
• Backup Port : 동일 세그먼트 내 DP에 대한 백업 포트 (RSTP에서 등장)
• Disabled Port : STP에서 제외된 포트 (관리적으로 shutdown 또는 루프 방지 차단 등)

 

7) STP 동작 과정

1. 루트 브리지 선출 : 스위치 중 가장 낮은 우선순위(동일하면 낮은 MAC 주소)를 가진 장비를 루트로 선정
2. 루트 포트 선정 : 각 비루트 스위치에서 루트 브리지로 가는 가장 낮은 비용의 포트를 루트 포트로 선정
3. 지정 포트 선정 : 각 네트워크 세그먼트에서 루트 브리지로 향하는 최적의 경로를 가진 포트 선정
4. 대체 포트 결정 및 차단 : 루트나 지정 포트가 아닌 포트를 차단하여 루프 방지 (Alternate Port 상태로 전환)
5. 포트 상태 전환 과정  : Blocking -> Listening -> Learning -> Forwarding 순으로 포트 전환
6. 정상 동작 및 유지 : 루트 브리지에서 주기적으로 BPDU 발송, 네트워크 변경 또는 장애시 위 과정을 다시 반복하여 재구성

 

 

 

STP 케이블 사진

 

STP(Shielded Twisted Pair) 케이블과는 약어만 같을 뿐 다른 거다... 호옥시나 헷갈렸다면 Full name을 떠올려보자. 

 

2. EtherChannel 

• 여러 물리 포트를 하나의 논리적 포트처럼 묶는 기술
• 대역폭 증가, 이중화, 루트 방지를 동시에 제공
• EtherChannel 자체가 STP를 기본으로 포함한 기술은 아니지만 EtherChannel로 묶인 포트는 STP에 의해 하나의 논리적 포트로만 인식되므로 별도의 루프 차단이 필요하지 않음

 

3. STP와 EtherChannel로 해결하는 문제들

1) Bridging Loop 

• 스위치 네트워크에서 프레임이 무한히 순환하는 현상으로 네트워크 장애를 유발
• 두대 이상의 스위치가 여러 개의 경로로 연결되어 있을 때 발생

 

2) Broadcast Storm 

• 네트워크에서 브로드캐스트가 과도하게 반복 확산되어 네트워크 성능을 급격하게 저하시키는 현상

💡 Bridging Loop vs Broadcast Storm
브리징 루프는 유니캐스트, 브로드캐스트, 멀티캐스트 모두 무한 순환이 가능한 현상이고, 브로드캐스트 스톰은 이름 그대로 브로드캐스트 프레임만 무한 순환하는 현상이다.
따라서 브리징 루프가 원인이 되고, 브로드캐스트 스톰은 그 결과 중 하나라고 볼 수 있다. 

 

3) MAC Flapping

• 하나의 MAC 주소가 스위치의 MAC 주소 테이블에 두 개 이상의 서로 다른 포트로 반복해서 등록 및 삭제 되는 현상
• 네트워크 루프가 존재할 때 동일한 장비의 MAC 주소가 서로 다른 경로를 통해 번갈아가면 들어오면서 발생
• 잘못된 케이블 연결이나 포트 설정 오류가 원인이 될 수도 있음
• 이 현상으로 인해 스위치 CPU 부하 증가 및 자원 소진으로 성능 저하 발생

 

4) Unicast Frame Duplication 

• 루프가 존재하는 네트워크에서 유니캐스트 패킷이 의도치 않게 복제되어 목적지에 반복 전달되는 현상으로 네트워크 성능 저하를 유발

 

4. [실습] STP 비활성화 시 브리징 루프 발생 과정

STP 비활성화 상태

 

 

STP를 비활성화한 상태에서 스위치 간 이중 연결 구조를 만들면 루프가 감지되지 않아 브로드캐스트 프레임이 네트워크를 무한히 순환하게 된다. 이로 인해 브리징 루프가 발생하여 네트워크 성능 저하를 유발할 수 있다. 

5. [실습] STP로 주황색이 된 경로로는 전송 X

STP 활성화 상태

 

연두색으로 표시된 포트는 STP에 의해 활성화(Forwarding) 상태이므로 정상적으로 트래픽이 전송된다. 반면, 주황색으로 표시된 포트는 루프 방지를 위해 STP에 의해 차단(Blocking)된 상태로, 논리적으로 비활성화되어 있어 프레임 전송이 이루어지지 않는다.

 

 

✍️ 하루 회고

당일에 TIL을 작성하려 했으나 조금 늦어졌다😅 다음엔 미루지 말자!

 

TIL 정리와는 달리 수업에서는 STP와 EtherChannel로 해결하는 문제들에 대해 먼저 배웠다. 뭔가 다음 문제도 STP랑 EtherChannel, 그 다음 문제도 STP와 EtherChannel이 해결법으로 나오는게 반복되니까 다음 전개를 예상하면서 자연스럽게 "그래서 STP랑 EtherChannel이 뭔데?!?"가 되었다. 

 

아무래도 성능 저하를 일으키는 문제들이다보니 실제 데이터가 이동하는 모습을 보기도 전에 패킷 트레이서가 다운되는 실습도 있었다. 실습을 통해 이런 현상을 확인하니 확실히 STP의 중요성과 필요성을 느낄 수 있었다.