پروتکل STP چیست و چگونه کار می کند؟

در دنیای شبکه‌های کامپیوتری، پایداری و جلوگیری از قطعی اتصال از مهم‌ترین دغدغه‌های مدیران شبکه هنگام راه‌اندازی شبکه است. یکی از رایج‌ترین مشکلات در توپولوژی‌های سوئیچ‌شده، پدیده‌ای به نام حلقه (Loop) است؛ وضعیتی که در آن فریم‌های اترنت به‌طور مداوم بین سوئیچ‌ها گردش می‌کنند و باعث کندی یا از کار افتادن شبکه می‌شوند. برای جلوگیری از این مشکل، استانداردی با نام پروتکل STP (Spanning Tree Protocol) معرفی شده است.

پروتکل STP یکی از پایه‌ای‌ترین پروتکل‌های لایه دوم (Layer 2) در مدل OSI محسوب می‌شود و وظیفه مدیریت مسیرهای تکراری بین سوئیچ‌ها را بر عهده دارد. این پروتکل با شناسایی مسیرهای اضافی و غیرفعال کردن موقت آن‌ها، ساختاری بدون حلقه در شبکه ایجاد می‌کند. استاندارد اولیه آن توسط IEEE تحت عنوان ۸۰۲.1D ارائه شد و امروزه در تمام شبکه‌های سوئیچ‌شده، به ویژه در زمان راه‌ اندازی شبکه‌ های سازمانی و مراکز داده، نقش حیاتی دارد.

در این مقاله به‌صورت تخصصی بررسی می‌کنیم که پروتکل STP چیست، چرا ضروری است، چگونه کار می‌کند، چه نسخه‌هایی دارد و در چه کاربردهایی استفاده می‌شود.

 

پروتکل STP چیست؟

پروتکل STP (Spanning Tree Protocol) یک مکانیزم کنترلی در شبکه های سوئیچ شده است که وظیفه دارد از ایجاد حلقه در مسیرهای ارتباطی بین سوئیچ ها جلوگیری کند. همان طور که می دانیم، سوئیچ ها برای افزایش پایداری و قابلیت افزونگی (Redundancy) معمولاً از مسیرهای جایگزین استفاده می کنند. وجود مسیرهای اضافی باعث می شود که در صورت قطع یک لینک، مسیر دیگری بتواند ترافیک را منتقل کند. اما این ویژگی در عین مفید بودن، خطرناک است؛ زیرا می تواند موجب Loop شبکه ای شود.

پروتکل STP با ایجاد یک «درخت پوشا» (Spanning Tree) در بین سوئیچ ها، تنها یک مسیر فعال بین هر دو دستگاه باقی می گذارد و سایر مسیرها را به حالت غیرفعال درمی آورد. به این ترتیب، هیچ حلقه ای ایجاد نمی شود و جریان داده در شبکه به صورت منظم و قابل پیش بینی باقی می ماند. از نظر فنی، STP در لایه ی Data Link کار می کند و از فریم های خاصی به نام BPDU (Bridge Protocol Data Units) برای تبادل اطلاعات بین سوئیچ ها استفاده می کند.

این فریم ها شامل شناسه ی سوئیچ ها، اولویت ها و هزینه ی مسیرها هستند که به STP اجازه می دهند ساختار درختی بهینه ای بسازد. در شبکه ای که STP فعال است، همیشه یک سوئیچ به عنوان Root Bridge انتخاب می شود. سایر سوئیچ ها مسیر خود را بر اساس فاصله تا Root Bridge محاسبه کرده و پورت های خود را به یکی از حالت های Forwarding، Blocking، Listening یا Learning تغییر می دهند تا حلقه ای در شبکه باقی نماند.

بیشتر بخوانید : نکات مهم طراحی اتاق سرور که باید بدانید

 

چرا به STP نیاز داریم؟

در ظاهر، وجود چند مسیر بین سوئیچ ها مزیت بزرگی است، زیرا اگر یکی از لینک ها از کار بیفتد، مسیر جایگزین می تواند جریان ترافیک را حفظ کند. اما اگر هیچ سازوکاری برای کنترل این مسیرهای اضافی وجود نداشته باشد، شبکه دچار حلقه (Loop) می شود. در یک حلقه شبکه ای، فریم های اترنت بی پایان بین سوئیچ ها تکرار می شوند. از آن جا که پروتکل اترنت هیچ مکانیزم TTL (Time To Live) ندارد، فریم ها هرگز از بین نمی روند و به صورت دائمی در حال گردش هستند. این پدیده می تواند باعث موارد زیر شود:

1. اشباع پهنای باند و کندی شدید شبکه
2. مصرف بالای CPU در سوئیچ ها
3. از کار افتادن سرویس های حیاتی مانند DHCP و ARP
4. قطع کامل ارتباط بین کاربران

اینجاست که پروتکل STP اهمیت خود را نشان می دهد. این پروتکل با فعال سازی یک الگوریتم کنترلی، مسیرهای اضافه را شناسایی کرده و آن ها را در حالت غیرفعال قرار می دهد تا فریم ها فقط از یک مسیر معتبر عبور کنند. بدون STP، حتی در یک شبکه ی کوچک دو یا سه سوئیچی، اضافه شدن یک کابل اضافی می تواند شبکه را به طور کامل فلج کند. اما با فعال بودن STP، هر سوئیچ وضعیت پورت های خود را به گونه ای تنظیم می کند که تنها مسیرهای ضروری فعال بمانند.

از دیگر دلایل نیاز به STP می توان به قابلیت افزونگی ایمن (Safe Redundancy) اشاره کرد. در شبکه های بزرگ سازمانی، امکان قطع لینک ها یا خرابی تجهیزات همیشه وجود دارد. STP این اطمینان را می دهد که حتی در صورت بروز خطا، ساختار کلی شبکه حفظ شده و مسیر جایگزین به صورت خودکار فعال می شود.

 

نحوه کار پروتکل STP

پروتکل STP برای کنترل مسیرهای شبکه و جلوگیری از حلقه، از الگوریتمی به نام Spanning Tree Algorithm (STA) استفاده می کند. این الگوریتم شامل مراحل مختلفی است که در ادامه به تفکیک توضیح داده می شود:

انتخاب Root Bridge

اولین مرحله در اجرای STP، انتخاب یک سوئیچ به عنوان Root Bridge است. هر سوئیچ دارای یک شناسه ی منحصر به فرد (Bridge ID) شامل دو بخش Priority و MAC Address است. سوئیچی که کمترین Bridge ID را داشته باشد، به عنوان Root انتخاب می شود.

محاسبه هزینه مسیر (Path Cost)

پس از انتخاب Root Bridge، هر سوئیچ دیگر فاصله ی خود تا Root را بر اساس هزینه ی مسیر محاسبه می کند. این هزینه بر پایه ی سرعت لینک ها تعیین می شود. به عنوان مثال، لینک های ۱۰۰ مگابیتی هزینه بیشتری نسبت به لینک های ۱ گیگابیتی دارند.

تعیین پورت های Root، Designated و Blocking

در هر سوئیچ، پورتی که بهترین مسیر به Root Bridge را دارد، Root Port نامیده می شود. پورتی که در مسیر برگشت به شبکه ی دیگر فعال است، Designated Port است و سایر پورت هایی که ممکن است باعث ایجاد Loop شوند، در حالت Blocking قرار می گیرند.

ارسال و تبادل BPDU

سوئیچ ها به طور مداوم فریم های BPDU را بین یکدیگر رد و بدل می کنند تا از وضعیت شبکه مطلع بمانند. اگر تغییر در توپولوژی رخ دهد، سوئیچ ها مجدداً فرآیند انتخاب و محاسبه را انجام می دهند.

همگرایی شبکه (Convergence)

وقتی همه سوئیچ ها به توافق برسند که کدام مسیرها باید فعال یا غیرفعال باشند، شبکه وارد وضعیت پایدار می شود که به آن Convergence گفته می شود.

در نتیجه، در هر لحظه فقط یک مسیر فعال بین هر دو سوئیچ وجود دارد و هیچ حلقه ای در شبکه شکل نمی گیرد. در صورت خرابی لینک اصلی، STP به طور خودکار یکی از مسیرهای بلاک شده را فعال می کند تا ارتباط حفظ شود.

 

بیشتر بخوانید : هایپروایزر چیست؟ + انواع، کاربردها

 

انواع STP و نسخه های آن

در طول سال‌ها، برای افزایش سرعت همگرایی (Convergence) و بهبود عملکرد شبکه‌های سوئیچ‌شده، نسخه‌های مختلفی از پروتکل STP توسعه یافته‌اند. هر نسخه با هدف رفع محدودیت‌های نسخه قبلی و ارائه‌ی پایداری بیشتر معرفی شده است. جدول زیر تفاوت‌های کلیدی میان مهم‌ترین نسخه‌های STP را نشان می‌دهد:

نوع پروتکل	استاندارد	ویژگی‌های کلیدی	زمان همگرایی	مناسب برای
STP کلاسیک (IEEE 802.1D)	۸۰۲.1D	نسخه اولیه با الگوریتم پایه Spanning Tree	۳۰ تا ۵۰ ثانیه	شبکه‌های ساده و کوچک
RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)	۸۰۲.1w	همگرایی سریع‌تر با پورت‌های Edge و Alternate	کمتر از ۱۰ ثانیه	شبکه‌های سازمانی متوسط
MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol)	۸۰۲.1s	پشتیبانی از چند درخت پوشا برای VLANهای مختلف	۵ تا ۱۰ ثانیه	شبکه‌های VLAN محور
PVST+ (Per VLAN Spanning Tree Plus)	Cisco Proprietary	نسخه اختصاصی سیسکو با STP جداگانه برای هر VLAN	۱۰ تا ۱۵ ثانیه	شبکه‌های مبتنی بر تجهیزات سیسکو

هر نسخه از STP متناسب با نیاز خاصی طراحی شده است. برای مثال، در شبکه‌هایی که چندین VLAN وجود دارد، استفاده از MSTP یا PVST+ منطقی‌تر است؛ زیرا این دو نسخه امکان مدیریت مسیرهای مستقل برای هر VLAN را فراهم می‌کنند. در مقابل، در شبکه‌های کوچک‌تر که ساختار ساده‌تری دارند، همان STP کلاسیک همچنان پاسخ‌گو و مؤثر است. RSTP بزرگ‌ترین تحول را در مقایسه با نسخه اصلی ایجاد کرد؛ زیرا زمان همگرایی شبکه را از چند ده ثانیه به کمتر از ۱۰ ثانیه کاهش داد. این ویژگی باعث می‌شود در صورت بروز خرابی لینک، شبکه خیلی سریع‌تر به حالت پایدار بازگردد.

 

کاربرد های پروتکل STP در شبکه

پروتکل Spanning Tree Protocol (STP) تقریباً در تمام شبکه‌های سوئیچ‌شده که دارای مسیرهای افزونه هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر جا بیش از دو سوئیچ با لینک‌های تکراری به هم متصل باشند، STP برای جلوگیری از حلقه (Loop) ضروری است.

1. در شبکه‌های سازمانی، STP معمولاً در لایه دسترسی (Access Layer) و لایه توزیع (Distribution Layer) فعال می‌شود. این کار باعث می‌شود مسیرهای پشتیبان بین سوئیچ‌ها در حالت آماده‌به‌کار باقی بمانند و در صورت قطع مسیر اصلی، بلافاصله جایگزین شوند.
2. در مراکز داده (Data Centers) که حجم زیادی از ترافیک میان سرورها جریان دارد، از نسخه‌های پیشرفته‌تر مانند MSTP یا Rapid PVST+ استفاده می‌شود تا علاوه بر جلوگیری از حلقه، امکان مدیریت مسیرهای بهینه برای VLANهای متعدد فراهم شود.
3. در شبکه‌های صنعتی و هوشمند (IoT و OT) نیز STP نقش مهمی در پایداری ارتباط دارد. تجهیزات کنترل صنعتی معمولاً به تأخیر (Latency) بسیار حساس‌اند، و قطع ارتباط ناگهانی می‌تواند خطرناک باشد؛ STP با حفظ افزونگی لینک‌ها از بروز این مشکلات جلوگیری می‌کند.
4. همچنین در شبکه‌های آموزشی و آزمایشگاهی، از STP برای شبیه‌سازی و جلوگیری از اختلال در توپولوژی‌های حلقوی استفاده می‌شود.

در مجموع، هر زمان که افزونگی لینک‌ها مزیت محسوب می‌شود ولی احتمال ایجاد حلقه نیز وجود دارد، فعال‌سازی STP برای تضمین عملکرد پایدار شبکه ضروری است.

بیشتر بخوانید : کاربردهای هوش مصنوعی در امنیت سایبری

 

نتیجه گیری

پروتکل STP یکی از ستون‌های اساسی در طراحی شبکه‌های لایه دوم است. بدون این پروتکل، حتی شبکه‌های کوچک نیز می‌توانند در اثر یک حلقه ساده از کار بیفتند. STP با انتخاب یک Root Bridge، محاسبه هزینه مسیر و غیرفعال‌سازی لینک‌های غیرضروری، ساختاری پایدار و بدون حلقه ایجاد می‌کند. در گذر زمان، نسخه‌های جدیدتری از STP مانند RSTP و MSTP معرفی شدند تا محدودیت‌های نسخه کلاسیک را برطرف کرده و سرعت همگرایی شبکه را بهبود دهند.

امروزه در اکثر شبکه‌های مدرن، استفاده از STP نه تنها یک انتخاب، بلکه یک ضرورت است. اگرچه STP پروتکلی قدیمی محسوب می‌شود، اما مفاهیم آن پایه و اساس بسیاری از فناوری‌های جدید مانند EtherChannel و SDN (Software Defined Networking) است. در نتیجه، درک عمیق از عملکرد STP برای هر متخصص شبکه، گامی حیاتی در طراحی زیرساخت‌های پایدار محسوب می‌شود.

برای سازمان‌ها و شرکت‌هایی که به دنبال راه‌اندازی، طراحی، مشاوره و پشتیبانی شبکه‌ های پایدار و امن هستند، همکاری با یک تیم حرفه‌ای اهمیت بالایی دارد. شرکت متااندیش با سال‌ها تجربه در ارائه خدمات شبکه و پشتیبانی، آماده است تا ضمن مشاوره تخصصی، پیاده‌سازی STP و نسخه‌های پیشرفته آن را به‌صورت بهینه در شبکه‌های سازمانی انجام دهد و پایداری، امنیت و عملکرد شبکه شما را تضمین کند.

 

سوالات متداول

1. تفاوت اصلی بین STP و RSTP چیست؟
   STP کلاسیک زمان همگرایی نسبتاً طولانی دارد (۳۰ تا ۵۰ ثانیه) در حالی که RSTP با بهبود در الگوریتم و استفاده از پورت های Alternate و Edge، این زمان را به کمتر از ۱۰ ثانیه کاهش می دهد.
2. آیا می توان STP را در شبکه غیرفعال کرد؟
   به صورت فنی بله، اما از نظر عملی توصیه نمی شود. غیرفعال کردن STP می تواند باعث ایجاد Loop و از کار افتادن کل شبکه شود. در صورت نیاز، باید از فناوری های جایگزین مانند EtherChannel استفاده کرد.
3. آیا STP در لایه سوم شبکه نیز کاربرد دارد؟
   خیر، STP در لایه دوم (Data Link) عمل می کند و برای کنترل مسیرهای فریم های اترنت طراحی شده است. در لایه سوم، پروتکل هایی مانند OSPF یا EIGRP وظیفه مسیریابی را بر عهده دارند.
4. آیا در شبکه های بی سیم (Wireless) هم از STP استفاده می شود؟
   به صورت مستقیم خیر، زیرا توپولوژی شبکه های بی سیم متفاوت است. با این حال، در زیرساخت های ترکیبی (Wired/Wireless) که از سوئیچ ها استفاده می کنند، STP نقش محافظتی دارد.