Spanning Tree Protocol (STP) adalah link layer networ protocol yang menjamin tidak adanya loop dalam topologi dari banyak bridge/switch dalam LAN. Dalam model OSI untuk jaringan komputer, STP ada di layer 2 OSI.

Spanning tree memperbolehkan desain jaringan memiliki redundan links untuk membuat jalur backup otomatis jika sebuah link aktif gagal bekerja, tanpa adanya bahaya dari loop pada bridge/switch. Loop pada bridge/switch akan menghasilkan flooding pada network.

Spanning Tree Protocol ini didefenisikan pada IEEE Standard 802.1D. Seperti namanya, protokol ini membuat sebuah spanning tree dalam jaringan yang menghubungkan banyak bridge/switch ( biasanya Ethernet switches), dan menon-aktifkan links yang tidak termasuk dalam tree, meninggalkan satu jalur aktif antara dua buah jaringan.

Masalah umum yang bisa diatasi oleh Spanning Tree Protocol ini adalah broadcast storm. Broadcast storm menyebabkan banyak broadcast ( atau multicast atau unknown-destination unicast) pada loop yang ada di jaringan secara terus menerus. Hal ini akan menciptakan sebuah link yang tidak berguna (karena adanya link ganda antar bridge/switch) dan secara signifikan akan mempengaruhi performance dari komputer end-user karena terlalu banyak memproses broadcast yang ada.

Secara garis besar, Spanning Tree Protocol bekerja dengan cara :

• Menentukan root bridge.

Root bridge dari spanning tree adalah bridge dengan bridge ID terkecil (terendah). Tiap bridge mempunyai unique identifier (ID) dan sebuah priority number yang bisa dikonfigurasi. Untuki membandingkan dua bridge ID, priority number yang pertama kali dibandingkan. Jika priority number antara kedua bridge tersebut sama, maka yang akan dibandingkan selanjutnya adalah MAC addresses. Sebagai contoh, jika switches A (MAC=0000.0000.1111) dan B (MAC=0000.0000.2222) memiliki priority number yang sama, misalnya 10, maka switch A yanga akan dipilih menjadi root bridge. Jika admin jaringan ingin switch B yang jadi root bridge, maka priority number switch B harus lebih kecil dari 10.

• Menentukan least cost paths ke root bridge.

Spanning tree yang sudah dihitung mempunyai properti yaitu pesan dari semua alat yang terkoneksi ke root bridge dengan pengunjungan (traverse) dengan cost jalur terendah, yaitu path dari alat ke root memiliki cost terendah dari semua paths dari alat ke root.Cost of traversing sebuah path adalah jumlah dari cost-cost dari segmen yang ada dalam path. Beda teknologi mempunya default cost yang berbeda untuk segmen-segmen jaringan. Administrator dapat memodifikasi cost untuk pengunjungan segment jaringan yang dirasa penting.

• Non-aktifkan root path lainnya.

Karena pada langkah diatas kita telah menentukan cost terendah untuk tiap path dari peralatan ke root bride, maka port yang aktif yang bukan root port diset menjadi blocked port. Kenapa di blok? Hal ini dilakukan untuk antisipasi jika root port tidak bisa bekerja dengan baik, maka port yang tadinya di blok akan di aktifkan dan kembali lagi untuk menentukan path baru.

Status Port pada Spanning Tree Protocol

Delay propagasi dapat muncul ketika informasi protocol dilewatkan melalu sebuah switched LAN. Hasilnya, perubahan pada topology jaringan akan berlaku pada waktu yang berbeda dan tempat yang berbeda pula di jaringan yang menggunakan switch. Ketika port pada switch melakukan transisi langsung dari non-paritcipation pada stable topology menjadi forwading state, hal ini akan mengakibatkan data loops sementara. Port-port harus menunggu informasi topology yang baru untuk propagasi melalui switched LAN sebelum mulai berubah ke forward frames. Port-port juga harus menunggu frame lifetime habis yang telah diteruskan menggunakan topology yang lama.

Ada 5 state pada port yang menggunakan Spanning Tree Protocol, yaitu :

1. Blocking
2. Listening
3. Learning
4. Forwarding
5. Disabled

Pergerakan dari 5 state diatas adalah :

• initialization to blocking
• blocking to listening or to disabled
• listening to learning or to disabled
• learning to forwarding or to disabled
• forwarding to disabled

ilustrasi untuk lebih memperjelas perubahan port dari satu status ke status lain dapat dilihat pada gambar :

Status pada port bisa di ubah menggunakan management software. Ketika Spanning Tree Protocol diaktifkan, tiap switch pada jaringan berubah dari blocking state dan state transisi dari learning dan listening saat switch dihidupkan. Jika dikonfigurasi dengan baik, port-port akan secara stabil menjadi status forwading ataupun status blocking.
Ketika sebuah post ditentukan sebagai forwarding state oleh algoritma spanning tree, maka akan terjadi :

• Port berada pada listening state ketika port ini menunggu informasi protocol yang menyuruh port tersebut harus pindah menjadi blocking state.
• Port menunggu expiration of a protocol timer yang akan memindahkan status port menjadi learning state.
• Saat berada di learning state, port kembali menahan frame forwarding sesaat setelah mempelajari informasi dari lokasi station untuk forwarding database.
• Expiration dari sebuah protocol timer mengubah port menjadi forwarding state, dimana learning dan forwarding diaktifkan.

Spanning Tree Protocols state : Blocking State

Sebuah port yang ada pada blocking state tidak akan berpartisipasi dalam frame forwarding seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Setelah melakukan inisialisasi, sebuah BPDU dikirim ke tiap-tiap port yanga ada pada switch itu. Switch secara inisial akan menganggap dia adalah root sampai switch itu bertukar informasi BPDU dengan switch yang lainnya. Pertukaran ini akan menentukan switch mana dalam jaringan tersebut yang benar-benar adalah root. Jika cuma ada satu switch dalam jaringan, maka pertukaran informasi tidak akan terjadi, dan forwar delay time habis, maka port berganti menjadi listening state. Switch selalu berada pasa blocking state berdasarkan inisialisasi awal pada switch.

Yang dilakukan oleh sebuah port dalam kondisi blocking state:

• Mengabaikan frame yang diterima dari segment yang terkoneksi dengan port.
• Mengabaikan frame switched dari port yang lain untuk forwarding.
• Tidak menambahkan lokasi station ke dalam database alamatnya (karena tidak adanya learning state pada saat ini, jadi belum ada update database alamat)
• Menerima BPDU dan meneruskan langsung ke modul sistem.
• Tidak akan meneruska BPDU yang diterima dari modul sistem.
• Menerima dan memberikan respon terhadap network management messages.

Kebutuhan adanya spanning tree
Problem utama yang bisa dihindari dengan adanya STP adalah broadcast storms. Broadcast storms menyebabkan frame broadcasts (atau multicast atau unicast yang destination addressnya belum diketahui oleh switch) terus berputar-putar (looping) dalam network tanpa henti. Gambar berikut adalah contoh sederhana LAN dengan link yang redundant.

Switch akan mem-flood frame broadcasts keluar melalui semua port/interface dalam satu VLAN kecuali port/interface dimana frame tersebut diterima. Pada gambar diatas, SW3 akan mem-forward frame dari Bob ke SW2; SW2 mem-forwardnya ke SW1; SW1 mem-forwardnya kembali ke SW3; SW3 ke SW2 lagi, dan seterusnya dan seterusnya.
Problem lain yang bisa dihindari dengan STP adalah dalam satu network yang memiliki link redundant, komputer-komputer yang aktif akan menerima kopi-an dari frame yang sama berkali-kali.

Definisi IEEE 802.1d Spanning Tree Does
STP mencegah terjadinya looping dengan menempatkan setiap port switch pada salah satu status : Forwarding atau Blocking. Interface dengan status forwarding bertingkah normal, mem-forward dan menerima frame, sedangkan interface dengan status blocking tidak memproses frame apapun kecuali pesan-pesan STP. Semua port yang berada dalam status forwarding disebut berada pada jalur spanning tree(topology STP), sekumpulan port-port forwarding membentuk jalur tunggal dimana frame ditransfer antar-segment. Gambar berikut adalah LAN dengan link redundant yang sudah memanfaatkan STP.

Dengan begini, saat Bob mengirimkan frame broadcast, frame tidak mengalami looping. Bob mengirimkan frame ke SW3 (step 1), kemudian SW3 mem-forward frame hanya ke SW1(step 2), karena port Gi0/2 dari SW3 berada pada status blocking. Kemudian, SW1 mem-flood frame keluar melalui Fa0/11 dan Gi0/1 (step 3) . SW2 mem-flood frame keluar melalui Fa0/12 dan Gi0/1 (step4). Namun, SW3 akan mengabaikan frame yang dikirmkan oleh SW2, karena frame tersebut masuk melalui port Gi0/2 dari switch SW3 yang berada pada status blocking.
Dengan topology STP seperti pada gambar diatas, switch-switch tidak mengaktifkan link antara SW2 dan SW3 untuk keperluan traffick dalam VLAN. Namun, jika link antara SW1 dan SW3 mengalami kegagalan dalam beroperasi, maka STP akan membuat port Gi0/2 pada SW3 menjadi forwarding sehingga link antara SW3 dan SW2 menjadi aktif dan frame tetap bisa ditransfer secara normal dalam VLAN.

Cara Kerja Spanning Tree
STP menggunakan 3 kriteria untuk meletakkan port pada status forwarding :

• STP memilih root switch. STP menempatkan semua port aktif pada root switch dalam status Forwarding.
• Semua switch non-root menentukan salah satu port-nya sebagai port yang memiliki ongkos (cost) paling kecil untuk mencapai root switch. Port tersebut yang kemudian disebut sebagai root port (RP) switch tersebut akan ditempatkan pada status forwarding oleh STP.
• Dalam satu segment Ethernet yang sama mungkin saja ter-attach lebih dari satu switch. Diantara switch-switch tersebut, switch dengan cost paling sedikit untuk mencapai root switch disebut designated bridge, port milik designated bridge yang terhubung dengan segment tadi dinamakan designated port (DP). Designated port juga berada dalam status forwarding.

Semua port/interface selain port/interface diatas berada dalam status Blocking.

STP Bridge ID dan Hello BPDU
STP bridge ID (BID) adalah angka 8-byte yang unik untuk setiap switch. Bridge ID terdiri dari 2-byte priority dan 6-byte berikutnya adalah system ID, dimana system ID berdasarkan pada MAC address bawaan tiap switch. Karena menggunakan MAC address bawaan ini dapat dipastikan tiap switch akan memiliki Bridge ID yang unik.
STP mendefinisikan pesan yang disebut bridge protocol data units (BPDU), yang digunakan oleh switch untuk bertukar informasi satu sama lain. Pesan paling utama adalah Hello BPDU, berisi Bridge ID dari switch pengirim.

Pemilihan Root Switch
Switch-switch akan memilih root switch berdasarkan Bridge ID dalam BPDU. Root switch adalah switch dengan Bridge ID paling rendah. Kita ketahui bahwa 2-byte pertama dari switch digunakan untuk priority, karena itu switch dengan priority paling rendah akan terpilih menjadi root switch.
Namun kadangkala, ada beberapa switch yang memiliki nilai priority yang sama, untuk hal ini maka pemilihan root switch akan ditentukan berdasarkan 6-byte System ID berikutnya yang berbasis pada MAC address, karena itu switch dengan bagian MAC address paling rendah akan terpilih sebagai root switch.

Menentukan Root Port dari setiap switch
Selanjutnya dalam proses STP adalah, setiap non-root switch akan menentukan salah satu port-nya sebagai satu-satunya root port miliknya. Root port dari sebuah switch adalah port dimana dengan melalui port tersebut switch bisa mencapai root switch dengan cost paling kecil.

Berikut adalah proses yang terjadi saat topology STP berjaln normal tanpa ada perubahan:

1. Root switch membuat dan mengirimkan Hello BPDU dengan cost 0 keluar melalui semua port/interfacenya yang aktif.
2. Switch non-root menerima Hello dari root port miliknya. Setelah mengubah isi dari Hello menjadi Bridge ID dari switch pengirim, switch mem-forward Hello ke designated port.
3. Langkah 1 dan 2 berulang terus sampai terjadi perubahan pada topology STP.

Ketika ada interface atau switch yang gagal beroperasi, maka topology STP akan berubah dengan kata lain terjadi STP convergence.

• Interface yang tetap berada dalam status yang sama, maka tidak perlu ada perubahan.
• Interface yang harus berubah dari forwarding menjadi blocking, maka switch akan langsung merubahnya menjadi blocking.
• Interface yang harus berubah dari blocking menjadi forwarding, maka switch pertama kali akan mengubahnya menjadi listening, kemudian menjadi learning.Setelah itu interface akan diletakkan pada status forwarding.

Saat terjadi STP Convergence, switch akan menentukan interface-interface mana yang akan dirubah statusnya. Namun, perubahan status dari blocking menjadi forwarding tidak bisa langsung dilakukan begitu saja, karena dapat menyebabkan frame looping temporarer. Untuk mencegah terjadinya looping temporarer itu, STP harus merubah status port tersebut menjadi 2 status transisi terlebih dahulu sebelum merubahnya menjadi forwarding:

• Listening: seperti halnya blocking, interface dalam keadaan listening tidak mem-forward frame. (15 detik)
• Learning: interface dalam status ini masih belum mem-forward frame, tapi switch sudah mulai melakukan pemeriksaan MAC address dari frame-frame yang diterima pada interface ini. (15 detik)

Switch akan menunggu 20 detik sebelum memutuskan untuk melakukan perubahan status dari blocking menjadi forwarding, setelah itu butuh waktu 30 detik untuk transisi ke Listening dan Learning terlebih dahulu. karena itu total yang dibutuhkan agar suatu port berubah dari blocking menjadi forwarding adalah 20+30=50 detik.

EtherChannel
EtherChannel mengkombinasikan beberapa segment parallel yang memiliki kecepatan yang sama menjadi satu. Switch memperlakukan EtherChannel sebagai interface tunggal berkenaan dengan proses memforward frame seperti halnya juga STP. Hasilnya, jika salah satu link gagal, tapi salah satu link lain dalam EtherChannel masih beroperasi, maka STP tidak akan terjadi.
EtherChannel juga menyediakan bandwidth yang lebih banyak. Trunk-trunk pada EtherChannel berada pada status forwarding semua atau blocking semua, karena STP memperlakukan semua trunk pada EtherChannel sebagai 1 trunk. Saat EtherChannel berada pada status forwarding, maka switch akan melakukan load-balance (membagi rata) traffik pada semua trunk, sehingga bandwidth yang tersedia jadi lebih banyak.
PortFast
PortFast memungkinkan switch untuk menempatkan sebuah interface kedalam status forwarding secara langsung tanpa harus menunggu 50 detik. Tetapi, hanya port yang diketahui tidak akan dihubungkan dengan switch yang lain yang bisa dijalankan fitur PortFast.

Cara Kerja STP

Kita mempunyai 3 switch yang saling terhubung satu sama lain dengan data seperti berikut:

• Switch1 (s1) dengan mac-address 000d.2861.ff00
• Switch2 (s2) dengan mac-address 000b.fd3b.e680
• Switch3 (s3) dengan mac-address 001a.a165.3a80

STP secara default akan menentukan Root Switch berdasarkan mac-address terendah. Dari data di atas maka Switch2 akan menjadi Root Switch. Sedangkan Switch3 yang mempunyai mac-address tertinggi akan mempunyai non-designated port, yaitu salah satu port yang terdapat pada Switch3 akan mengalami kondisi BLOCKING (pada gambar terlihat Fa0/9 mengalami BLOCKING). Port-port lainnya yang saling terhubung akan mempunyai kondisi FORWARDING. Dengan demikian akan tercapai kondisi loop free topology, dengan adanya satu Root Switch dan satu port yang BLOCKING, traffic dari suatu paket di jaringan switch melalui ARP request tidak akan mengalami kondisi looping atau berputar-putar yang akan menyebabkan broadcast storm.

Selain cara default seperti di atas. Kita juga dapat menentukan letak Root Switch melalui command line interface. Dengan topologi yang masih sama kita akan membuat Switch1 sebagai Root Switch. Switch2 sebagai Secondary Switch. Yang akan menyebabkan port Fa0/16 pada Switch3 mengalami kondisi BLOCKING. Lab ini menggunakan VLAN 128.

Switch1:

• conf t
• spanning-tree vlan 128 root pimary

Switch2:

• conf t
• spanning-tree vlan 128 root secondary

Maka hasilnya bisa dilihat pada gambar di bawah:

Untuk membuktikan STP melakukan kalkulasi dalam menentukan Root Switch dan membuat satu port ke dalam kondisi BLOCKING gue coba meng-capture hasil extended ping dengan 100000 packet pada saat tersebut. Yaitu:

• Dari Switch1 ke Switch3
• Dari Switch2 ke Switch3
• Dari Switch3 ke Switch1
• Dari Switch1 ke Switch2

Hasilnya dapat dilihat secara berurutan pada gambar di bawah: