بروتوكول Spanning Tree، الذي يشار إليه أحيانًا باسم Spanning Tree، هو Waze أو MapQuest لشبكات Ethernet الحديثة، حيث يقوم بتوجيه حركة المرور على طول المسار الأكثر كفاءة استنادًا إلى الظروف في الوقت الفعلي.
استنادًا إلى خوارزمية أنشأتها عالمة الكمبيوتر الأمريكية راديا بيرلمان أثناء عملها في شركة المعدات الرقمية (DEC) في عام 1985، فإن الغرض الأساسي من Spanning Tree هو منع الروابط المتكررة وتكرار مسارات الاتصال في تكوينات الشبكة المعقدة. كوظيفة ثانوية، يمكن لـ Spanning Tree توجيه الحزم حول مناطق المشاكل للتأكد من أن الاتصالات قادرة على المرور عبر الشبكات التي قد تواجه اضطرابات.
طوبولوجيا الشجرة الممتدة مقابل طوبولوجيا الحلقة
عندما كانت المؤسسات قد بدأت للتو في ربط أجهزة الكمبيوتر الخاصة بها بالشبكة في الثمانينات، كانت الشبكة الحلقية إحدى التكوينات الأكثر شيوعًا. على سبيل المثال، قدمت شركة IBM تقنية Token Ring الخاصة بها في عام 1985.
في طوبولوجيا الشبكة الحلقية، تتصل كل عقدة مع عقدتين أخريين، واحدة تقع أمامها على الحلقة والأخرى تقع خلفها. تنتقل الإشارات فقط حول الحلقة في اتجاه واحد، حيث تقوم كل عقدة على طول الطريق بتسليم أي وجميع الحزم التي تدور حول الحلقة.
في حين أن الشبكات الحلقية البسيطة تعمل بشكل جيد عندما لا يكون هناك سوى عدد قليل من أجهزة الكمبيوتر، إلا أن الحلقات تصبح غير فعالة عند إضافة مئات أو آلاف الأجهزة إلى الشبكة. قد يحتاج الكمبيوتر إلى إرسال حزم عبر مئات العقد فقط لمشاركة المعلومات مع نظام آخر في غرفة مجاورة. يصبح النطاق الترددي والإنتاجية أيضًا مشكلة عندما تتدفق حركة المرور في اتجاه واحد فقط، مع عدم وجود خطة احتياطية إذا أصبحت العقدة على طول الطريق معطلة أو مزدحمة للغاية.
في التسعينيات، مع زيادة سرعة شبكة Ethernet (100 ميجابت/ثانية. تم تقديم Fast Ethernet في عام 1995) وأصبحت تكلفة شبكة Ethernet (الجسور والمحولات والكابلات) أرخص بكثير من Token Ring، وفازت Spanning Tree في حروب طوبولوجيا LAN وToken تلاشت الحلقة بسرعة.
كيف تعمل الشجرة الممتدة
Spanning Tree هو بروتوكول إعادة توجيه لحزم البيانات. إنه جزء واحد من شرطي المرور وجزء واحد من المهندس المدني للطرق السريعة للشبكة التي تنتقل عبرها البيانات. وهي تقع في الطبقة الثانية (طبقة ربط البيانات)، لذا فهي تهتم ببساطة بنقل الحزم إلى وجهتها المناسبة، وليس نوع الحزم التي يتم إرسالها، أو البيانات التي تحتوي عليها.
لقد أصبحت الشجرة الممتدة منتشرة في كل مكان لدرجة أن استخدامها محدد فيمعيار الشبكات IEEE 802.1D. كما هو محدد في المعيار، يمكن أن يوجد مسار نشط واحد فقط بين أي نقطتي نهاية أو محطتين حتى تعمل بشكل صحيح.
تم تصميم Spanning Tree للتخلص من احتمالية تعطل البيانات التي تمر بين أجزاء الشبكة في حلقة ما. بشكل عام، تربك الحلقات خوارزمية إعادة التوجيه المثبتة في أجهزة الشبكة، مما يجعلها لا تعرف بعد الآن مكان إرسال الحزم. يمكن أن يؤدي هذا إلى تكرار الإطارات أو إعادة توجيه الحزم المكررة إلى وجهات متعددة. يمكن أن تتكرر الرسائل. يمكن أن تعود الاتصالات إلى المرسل. بل يمكن أن يؤدي ذلك إلى تعطل الشبكة في حالة بدء حدوث عدد كبير جدًا من الحلقات، مما يؤدي إلى استهلاك النطاق الترددي دون أي مكاسب ملحوظة بينما يمنع حركة المرور الأخرى غير المتكررة من المرور.
بروتوكول الشجرة الممتدةتوقف الحلقات من التشكلعن طريق إغلاق جميع المسارات الممكنة لكل حزمة بيانات باستثناء مسار واحد. تستخدم المحولات الموجودة على الشبكة شجرة ممتدة لتحديد المسارات الجذرية والجسور التي يمكن أن تنتقل إليها البيانات، وإغلاق المسارات المكررة وظيفيًا، مما يجعلها غير نشطة وغير قابلة للاستخدام أثناء توفر المسار الأساسي.
والنتيجة هي أن اتصالات الشبكة تتدفق بسلاسة بغض النظر عن مدى تعقيد الشبكة أو اتساعها. بطريقة ما، تقوم Spanning Tree بإنشاء مسارات فردية عبر الشبكة لنقل البيانات باستخدام البرامج بنفس الطريقة التي استخدم بها مهندسو الشبكات الأجهزة الموجودة على شبكات الحلقة القديمة.
فوائد إضافية للشجرة الممتدة
السبب الرئيسي لاستخدام Spanning Tree هو استبعاد إمكانية حلقات التوجيه داخل الشبكة. ولكن هناك مزايا أخرى أيضا.
نظرًا لأن Spanning Tree تبحث باستمرار عن مسارات الشبكة المتاحة لحزم البيانات للانتقال عبرها وتحديدها، فيمكنها اكتشاف ما إذا تم تعطيل العقدة الموجودة على طول أحد هذه المسارات الأساسية. يمكن أن يحدث هذا لعدة أسباب تتراوح من فشل الأجهزة إلى تكوين شبكة جديد. ويمكن أن تكون حالة مؤقتة بناءً على النطاق الترددي أو عوامل أخرى.
عندما تكتشف Spanning Tree أن المسار الأساسي لم يعد نشطًا، يمكنها بسرعة فتح مسار آخر تم إغلاقه مسبقًا. ويمكنه بعد ذلك إرسال البيانات حول نقطة المشكلة، وفي النهاية تعيين التحويل كمسار أساسي جديد، أو إرسال الحزم مرة أخرى إلى الجسر الأصلي في حالة توفره مرة أخرى.
في حين أن الشجرة الممتدة الأصلية كانت سريعة نسبيًا في إجراء تلك الاتصالات الجديدة حسب الحاجة، فقد قدم معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) في عام 2001 بروتوكول الشجرة الممتدة السريعة (RSTP). يُشار إليه أيضًا بإصدار 802.1w من البروتوكول، وقد تم تصميم RSTP لتوفير استرداد أسرع بكثير استجابة لتغيرات الشبكة أو الانقطاعات المؤقتة أو الفشل التام للمكونات.
وبينما قدم RSTP سلوكيات تقارب المسار الجديدة وأدوار منفذ الجسر لتسريع العملية، فقد تم تصميمه أيضًا ليكون متوافقًا تمامًا مع Spanning Tree الأصلية. لذلك من الممكن للأجهزة التي تحتوي على كلا الإصدارين من البروتوكول أن تعمل معًا على نفس الشبكة.
عيوب الشجرة الممتدة
في حين أن الشجرة الممتدة أصبحت منتشرة في كل مكان على مدى السنوات العديدة التي أعقبت طرحها، إلا أن هناك من يجادل بأنهالقد حان الوقت. أكبر خطأ في Spanning Tree هو أنها تغلق الحلقات المحتملة داخل الشبكة عن طريق إغلاق المسارات المحتملة التي يمكن أن تنتقل إليها البيانات. في أي شبكة معينة تستخدم Spanning Tree، يكون حوالي 40% من مسارات الشبكة المحتملة مغلقة أمام البيانات.
في بيئات الشبكات المعقدة للغاية، مثل تلك الموجودة داخل مراكز البيانات، تعد القدرة على التوسع بسرعة لتلبية الطلب أمرًا بالغ الأهمية. بدون القيود التي تفرضها Spanning Tree، يمكن لمراكز البيانات فتح المزيد من النطاق الترددي دون الحاجة إلى أجهزة شبكات إضافية. يعد هذا موقفًا مثيرًا للسخرية، لأن بيئات الشبكات المعقدة هي السبب وراء إنشاء Spanning Tree. والآن، فإن الحماية التي يوفرها البروتوكول ضد التكرارات التكرارية تعيق هذه البيئات، بطريقة ما، عن إمكاناتها الكاملة.
تم تطوير نسخة محسنة من البروتوكول تسمى الشجرة الممتدة متعددة المثيلات (MSTP) لاستخدام شبكات LAN الافتراضية وتمكين فتح المزيد من مسارات الشبكة في نفس الوقت، مع الاستمرار في منع تكوين الحلقات. ولكن حتى مع MSTP، يظل عدد لا بأس به من مسارات البيانات المحتملة مغلقًا على أي شبكة معينة تستخدم البروتوكول.
كانت هناك العديد من المحاولات المستقلة وغير القياسية لتحسين قيود النطاق الترددي لـ Spanning Tree على مر السنين. في حين أن مصممي بعضهم ادعىوا النجاح في جهودهم، فإن معظمهم غير متوافق تمامًا مع البروتوكول الأساسي، مما يعني أن المؤسسات تحتاج إما إلى استخدام التغييرات غير القياسية على جميع أجهزتها أو إيجاد طريقة ما للسماح لها بالوجود مع مفاتيح تشغيل شجرة الامتداد القياسية. في معظم الحالات، لا تستحق تكاليف صيانة ودعم النكهات المتعددة لـ Spanning Tree الجهد المبذول.
هل ستستمر الشجرة الممتدة في المستقبل؟
بصرف النظر عن القيود المفروضة على عرض النطاق الترددي بسبب إغلاق Spanning Tree لمسارات الشبكة، لا يوجد الكثير من التفكير أو الجهد المبذول لاستبدال البروتوكول. على الرغم من أن IEEE يقوم أحيانًا بإصدار تحديثات لمحاولة جعله أكثر كفاءة، إلا أنه دائمًا ما يكون متوافقًا مع الإصدارات السابقة من البروتوكول.
بمعنى ما، تتبع الشجرة الممتدة قاعدة "إذا لم تكن مكسورة، فلا تصلحها". تعمل Spanning Tree بشكل مستقل في خلفية معظم الشبكات للحفاظ على تدفق حركة المرور، ومنع تشكل الحلقات المسببة للتعطل، وتوجيه حركة المرور حول مناطق المشاكل بحيث لا يعرف المستخدمون النهائيون أبدًا ما إذا كانت شبكتهم تواجه انقطاعات مؤقتة كجزء من عملها اليومي. عمليات اليوم. وفي الوقت نفسه، على الواجهة الخلفية، يمكن للمسؤولين إضافة أجهزة جديدة إلى شبكاتهم دون التفكير كثيرًا فيما إذا كانوا سيتمكنون من التواصل مع بقية الشبكة أو العالم الخارجي أم لا.
وبسبب كل ذلك، فمن المحتمل أن تظل Spanning Tree قيد الاستخدام لسنوات عديدة قادمة. قد تكون هناك بعض التحديثات الطفيفة من وقت لآخر، ولكن بروتوكول Spanning Tree الأساسي وجميع الميزات المهمة التي يؤديها ربما تكون موجودة لتبقى.
وقت النشر: 07 نوفمبر 2023
