في عالم الشّبكات حيث تَعبُر حزم البيانات بسرعة عبر المسارات الرّقمية وبكثافة في البيئات الكبيرة، يظهر بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) كالحارس الّذي ينظّم حركة المرور ويمنع الفوضى.
يشبه هذا البروتوكول بوّابة تنظيميّة ذكيّة تنسّق بين مسارات البيانات لتجنّب الحلقات غير المرغوب فيها الّتي قد تعيق أداء الشّبكة.
سنتعرّف في مقالنا اليوم على هذا البروتوكول وآليّة عمله وكيف يحلّ مشاكل الشّبكات ويعززّ أدائها بالإضافة إلى كيفيّة تفاعله مع تقنيّات أخرى.
إذا كنت مستعدًّا تابع معنا هذا المقال الشيّق.
بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) هو بروتوكول يعمل في الطّبقة الثانية من نموذج OSI، ويهدف إلى منع حدوث الحلقات في هيكليّة الشبكة. تمّ تطوير هذا البروتوكول لمعالجة المشكلات التي تظهر عند تبادل البيانات بين الأجهزة في الشبكات المحلية (LAN) التي تحتوي على مسارات زائدة.
إذا لم تتم مراقبة حركة البيانات والتّحكم فيها بدقّة، قد تتسبّب هذه الحلقات في تضخّم حركة المرور داخل الشبكة، مما يؤدّي إلى ظاهرة تُعرف بـ عاصفة البث (Broadcast Storm)، والتي تُسبب ضغطًا شديدًا على الشبكة وتؤثر بشكل كبير على أدائها، و تؤدّي في النّهاية إلى توقّف حركة المرور بشكل كامل.
💡 قد يخطر في بالك السّؤالين التّاليين دعنا نُجيب عنهما:
تشير المسارات الزّائدة إلى وجود طرق متعدّدة بين نقطتين في الشبكة، مما يتيح بدائل موثوقة في حال تعطّل أحد المسارات. وعلى الرغم من أن هذه المسارات تعزّز من موثوقية الشّبكة وتوفّر مستوى عالٍ من التّكرار، إلّا أنّها قد تؤدّي إلى حلقات غير مرغوب فيها إذا لم تتمّ إدارتها بشكل صحيح.
هنا يظهر دور بروتوكول الشجرة الممتدة (STP)، الذي يعمل على منع هذه الحلقات وضمان استقرار الشبكة.
تحدث الحلقات عندما تبدأ البيانات بالانتقال من المصدر إلى الوجهة عبر مسارات زائدة، لكنّها تعود لتدور حول نفس المسارات بشكل مستمرّ.
يؤدّي هذا التّكرار إلى تضخّم حركة البيانات داخل الشبكة، مما يُسبب عاصفة البثّ (Broadcast Storm)، وهي ظاهرة تضغط على الموارد الشّبكية وتؤثر على أدائها بشكل كبير.
| 📌 نتيجة:
يضمن STP تنفيذ التّكرار (Redundancy) في الشّبكات الكبيرة ومنع تشكّل الحلقات في الوقت نفسه. |
غالبًا ما تُقسّم الشّبكات المحليّة (LANs) إلى عدّة أجزاء، ويتم استخدام الجسور لربط أزواج هذه الأجزاء. كلّ رسالة، تُعرف باسم الإطار (Frame)، تمرّ عبر الجسر قبل إرسالها إلى وجهتها المقصودة.
يقوم الجسر بتحديد ما إذا كانت الرّسالة موجّهة إلى هدف داخل نفس الجزء الذي أُرسلت منه، أو موجّهة نحو آخر، ثم يعيد توجيه الرّسالة وفقًا لذلك.
يقوم الجسر بفحص عنوان الهدف وبناءً على معرفته بالأجهزة المتّصلة في كل جزء شبكيّ يعيد توجيه البيانات عبر المنفذ المناسب.
يساعد تقسيم الشّبكة واستخدام الجسور في تقليل المنافسة على مسار الشّبكة إلى النّصف تقريبًا، على افتراض أن لكلّ جزء نفس عدد الأجهزة، ممّا يجعل الشّبكة أقلّ عرضة للتوقّف.
| ✅ ملاحظة هامّة قبل المتابعة:
في سياق STP، يُشير مصطلح “الجسر” إلى المحوّل الشبكي (Switch). |
يعمل بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) باستخدام وحدات بيانات بروتوكول الجسر (BPDUs)، التي يتم تبادلها باستمرار بين المحوّلات (Switches) المتجاورة داخل الشّبكة المحليّة (LAN)، حيث تحتوي هذه الوحدات على جميع بيانات بروتوكول STP في إطاراتها.
عند إرسال وحدات BPDUs، يستخدم المحوّل عنوان MAC مميزًا خاصًا بالمنفذ المرسل، ويستهدف عنوان بثّ متعدّد (Multicast) يتميّز بعنوان MAC محدّد كوجهة.
عندما يتمّ تشغيل أي محوّل يعمل ببروتوكول STP، فإنّه يفترض في البداية أنّه الجسر الجذر (Root Bridge) للشبكة بأكملها حيث يتمّ تحديد هذا الجسر كمرجع أساسي لتوجيه حركة البيانات، وعند حدوث تغييرات في الشّبكة، مثل إضافة جسر جديد، يتلقّى الجسر وحدة BPDU خاصة تطلب إعادة التّكوين.
كُلّ محوّل يقوم بإرسال وحدات BPDU تحتوي على المعلومات التالية:
عند استقبال المحوّلات لوحدات BPDU من محوّلات أخرى، يتمّ اختيار الجسر الجذر بناءً على معرّف الجسر (Bridge ID)، الذي يتألف من:
الجسر صاحب أقلّ معرّف يتمّ اختياره على أنه الجذر، و بمجرّد استلام محوّل لوحدة BPDU بجسر جذر أعلى، يتوقّف فورًا عن إرسال وحداته الخاصة، ويُعدّل الوحدات المستلمة لتعكس تكلفة المسار إلى الجسر الجذر.
بعد اختيار الجسر الرّئيس، يتمّ حساب تكلفة كل منفذ لتحديد المسارات الأنسب. التّكاليف الافتراضية:
كلّ منفذ في STP يمكن أن يكون في إحدى الحالات التالية:
| حالة المنفذ | الوصف |
| معطّل (Disabled) | المنفذ غير نشط. |
| الاستماع (Listening) | المنفذ يرسل ويستقبل وحدات BPDU لتحديد الهيكلية. |
| التعلّم (Learning) | المنفذ يتعلّم عناوين MAC ولكنّه لا يُمرر البيانات. |
| إعادة التّوجيه (Forwarding) | المنفذ نشط تمامًا. |
| الحظر (Blocking) | المنفذ يمنع مرور البيانات لتجنّب الحلقات. |
يتمّ اختيار المنفذ الجذر (Root Port) الذي يمثل أقلّ تكلفة اتّصال بالجسر الجذري، والمنفذ المحدد (Designated Port) الذي يربط المحولات مع الأجزاء غير الجذريّة لضمان مسار نشط لنقل البيانات.
ثمّ و بمجرّد تحديد الجسر الجذر والمسارات النّشطة، يتمّ حظر جميع المسارات الزّائدة لضمان عدم حدوث حلقات، والمنافذ المحظورة تعمل كمسارات احتياطيّة تُستخدم في حالة فشل المسارات النّشطة.
| 📌 بهذه الآليّة يضمن بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) شبكة خالية من الحلقات، مع تحسين استقرارها وأدائها، مما يجعلها أكثر كفاءة وموثوقيّة حتّى في البيئات الكبيرة والمعقّدة. |
لنأخذ مثال بسيط لتوضيح آلية عمل STP في منع الحلقات:
الشكل-1: STP operation
يُظهر في االشّكل المرفق ثلاثة محولات (Switches) متصلة ببعضها البعض:
بهذا الشّكل، يتم تحديد الجسر الجذر، وتبدأ الشّبكة في إنشاء هيكليّة خالية من الحلقات باستخدام بروتوكول STP.
يهدف STP بشكل أساسي إلى منع حلقات التّوجيه داخل الشّبكة، ولكنّه يقدّم مزايا إضافيّة تُعزّز من استقرار الشّبكات وكفاءتها.
يعمل STP باستمرار على مراقبة المسارات المتاحة، ويكتشف بسرعة إذا ما تعطّلت إحدى العقد الأساسيّة. قد يحدث هذا بسبب أعطال الأجهزة، تغييرات في تكوين الشبكة، أو حتى ظروف مؤقتة كزيادة الضّغط على النّطاق الترددّي.
بمجرّد إكتشاف تعطّل المسار الأساسيّ، يقوم البروتوكول بفتح مسار بديل كان مغلقًا مسبقًا، ممّا يضمن استمرار تدفّق البيانات دون انقطاع. ويمكنه لاحقًا إعادة تعيين المسار الجديد كمسار أساسي أو العودة إلى المسار الأصلي إذا تمّ إصلاحه.
في عام 2001، قدّمت IEEE بروتوكول الشجرة الممتدة السّريع (RSTP) أو الإصدار 802.1w، الذي صُمّم لتسريع استجابة الشبكة بشكل ملحوظ للتغيرات، مثل الانقطاعات المؤقتة أو الأعطال.
أضاف RSTP تقنيات جديدة لتقارب المسارات وأدوار محسّنة للمنافذ، مما جعله أكثر كفاءة وسرعة، والأهمّ أنّه متوافق تمامًا مع الإصدار الأصلي من STP، مما يتيح للأجهزة التي تدعم الإصدارين العمل معًا بسلاسة في نفس الشبكة.
بفضل هذه الفوائد، يظل بروتوكول STP أداة حيوية للحفاظ على استقرار الشّبكات وضمان تدفّق البيانات بكفاءة حتى في البيئات المعقّدة.
رغم أنّ بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) كان ضروريًا لمنع الحلقات في الشبكات التقليدية، إلّا أنّ القيود التي يفرضها على المسارات النّشطة –حيث يُغلق نحو 40% من مسارات الشبكة المتاحة– أصبحت تشكّل تحدّيًا في بيئات الشّبكات المعقّدة.
و لتجاوز هذه القيود، ظهر بروتوكول الشجرة الممتدة متعددّة النماذج (MSTP) الذي يعزّز استخدام الشبكات المحلية الافتراضية (VLANs) لتحسين الكفاءة والأداء.
| ✅ مع MSTP، يمكن لكلّ مجموعة من VLANs أن تعمل ضمن شجرة ممتدّة مستقلّة، مما يسمح بزيادة عدد المسارات النشطة دون التّضحية بالاستقرار. |
تتيح هذه الآلية:
بهذا التّحسين، يتمتّع MSTP بالقدرة على الاستفادة الكاملة من البنية التحتية للشبكات المعقدة مثل مراكز البيانات، مما يقلل من التحديات المرتبطة بقيود STP ويوفر استجابة أسرع وموارد أفضل.
بالرغم من القيود التي يفرضها STP على النّطاق الترددّي بسبب إغلاقه لبعض المسارات لتجنب الحلقات، إلّا أنه يظل عنصرًا أساسيًا في البنية التّحتية للشبكات.
يعمل STP بشكل مستقلّ في خلفيّة الشبكات لضمان تدفّق البيانات بسلاسة ومنع الحلقات التي قد تؤدّي إلى تعطيل الشبكة، كما أنه يوجّه البيانات حول المناطق التي قد تشهد مشكلات، مما يتيح استمرار العمليّات دون أن يشعر المستخدمون النّهائيون بأي انقطاع في الخدمة.
تٌصدر IEEE تحديثات دوريّة لتحسين كفاءة STP، ولكن هذه التّحديثات دائمًا ما تكون متوافقة مع الإصدارات السابقة، و بفضل هذه التّوافقية والقدرة على التكيّف مع البنية التّحتية الحالية، يمكن للمسؤولين بسهولة إضافة أجهزة جديدة إلى الشّبكة دون القلق بشأن قدرتها على التّواصل مع بقية الأجهزة.
📌 بناءً على كلّ ذلك، من المتوقّع أن يظلّ بروتوكول الشّجرة الممتدّة مستخدمًا على نطاق واسع لسنوات قادمة، مع احتماليّة إدخال تحسينات طفيفة فقط تضمن استمراريّته وفعاليّته في دعم الشبكات الحديثة.
يُعتبر بروتوكول الشّجرة الممتدّة (STP) أحد الأعمدة الأساسيّة لضمان استقرار الشّبكات ومنع الحلقات فيها، لذا إتقان هذا البروتوكول ليس مجرّد مهارة إضافيّة، بل ضرورة لكلّ مهندس شبكات يسعى للتفوّق في هذا المجال التقني.
من هنا، تقدّم أكاديميّة My-Communication كورس Advanced Course in Computer Networks CCNA، المصممّ لتزويدك بفهم متقدّم وآليات تطبيق STP بشكل عملي وفعّال، إلى جانب تغطية محاور شاملة في عالم الشبكات.
إليك أهمّ الأسباب التي تجعلك تختار أكاديمية اتصالاتي كمهندس اتّصالات يسعى لتطوير خبراته:
| لا نقدّم في أكاديمية اتصالاتي دورات للشبكات فقط، إنما تمتدّ دوراتنا لتشمل شتّى المحاور التي يبحث عنها المهندس العربي ابتداءًا من هندسة الاتصالات المتكاملة مرورًا بالأنظمة المدمجة (Embedded Systems) والحوسبة السّحابية (Cloud Computing) وصولًا إلى إدارة المشاريع الاحترافية PMP.
فماذا تنتظر بعد لتأخذ خطوتك الأولى؟! |
دعنا نتطرّق إلى بعض الأسئلة الشائعة حول STP :
طورت شركة Cisco بروتوكولي Per-VLAN Spanning Tree PVST وPVST+، حيث يعتمد الأول على تغليف Inter-Switch Link ISL الخاص بها، والثاني على تغليف 802.1Q. يتيح كلا البروتوكولين إنشاء شجرة امتداد منفصلة لكل VLAN.
عند تشغيل PVST عبر شبكة محولة، يمكن للمنافذ في حالتي Listening و Forwarding المشاركة في إرسال واستقبال إطارات BPDU لتحديد الجسر الجذر وتحديث الهيكلية.
أحد الأسباب الشائعة لتعطيل بروتوكول الشجرة الممتدة هو فترة الانتظار الطويلة التي يتطلبها الإصدار الأصلي من البروتوكول (802.1D STP) بين تنشيط المنفذ كهربائيًا وبدء تمرير حركة المرور.
في النّهاية وفي ختام مقالنا، تذكّر أن الشّبكة ليست مجرّد كابلات ومفاتيح، بل هي شريان حياة التكنولوجيا الحديثة، وأنت المهندس الذي يضمن استمرار هذا الشريان بالنبض، لذا لا تتردد في اكتساب مهارات مهندس الشبكات اللازمة لمسيرتك المهنية.