RSTP

Wat is RSTP?

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) is een laag-2-netwerkprotocol uit de IEEE 802.1-familie dat in een Ethernet-netwerk met redundante verbindingen automatisch één loopvrije boomstructuur kiest en bij een storing binnen enkele milliseconden tot seconden een reservepad activeert. Het is in 2001 als IEEE 802.1w geïntroduceerd als snellere opvolger van het klassieke Spanning Tree Protocol (STP) en in 2004 opgenomen in IEEE 802.1D-2004, waarmee het oude STP verviel. In OT-netwerken is RSTP de topologie-onafhankelijke basisvorm van netwerkredundantie tussen switches.

Zonder RSTP of een ander redundantieprotocol veroorzaakt elke dubbele verbinding tussen switches een broadcast storm: één broadcastframe blijft eindeloos rondgaan en legt het hele netwerk plat.

🧠 Waarom is RSTP nodig in een redundant netwerk?

Een switch stuurt frames met een onbekend doeladres en alle broadcasts door naar al zijn poorten. Zitten switches in een lus, dan komt zo’n frame via de andere kant terug en wordt het opnieuw doorgestuurd. Ethernet-frames hebben geen hop-limiet, dus het verkeer groeit exponentieel tot alle bandbreedte op is en MAC-tabellen voortdurend omspringen. Voor PLC’s, HMI’s en SCADA-servers betekent dat time-outs, verloren I/O-verbindingen en in het ergste geval een procesonderbreking.

Toch wilt u juist in de procesindustrie redundante paden, zodat één kabelbreuk of defecte switch de communicatie niet onderbreekt. RSTP lost dat tegenstrijdige doel op: de fysieke lus blijft bestaan, maar logisch wordt één poort per lus geblokkeerd. Valt een actief pad weg, dan schakelt RSTP de geblokkeerde poort vrij. Daarnaast beschermt RSTP tegen een onbedoelde lus door een verkeerd ingeprikte patchkabel tijdens onderhoud.

🔧 Hoe werkt RSTP?

RSTP bouwt een spanning tree op basis van BPDU’s (Bridge Protocol Data Units), kleine beheerframes die elke switch elke hello time (standaard 2 seconden) naar zijn buren stuurt.

1. Root bridge kiezen - de switch met het laagste Bridge ID wordt de wortel van de boom. Het Bridge ID bestaat uit een instelbare prioriteit (standaard 32768, in stappen van 4096) plus het MAC-adres.
2. Padkosten berekenen - elke switch bepaalt zijn goedkoopste pad naar de root. De aanbevolen kosten zijn 2.000.000 voor 10 Mbit/s, 200.000 voor 100 Mbit/s, 20.000 voor 1 Gbit/s en 2.000 voor 10 Gbit/s.
3. Poortrollen toewijzen - elke poort krijgt een rol (zie de tabel hieronder). Poorten die een lus zouden sluiten, gaan naar de toestand discarding.
4. Snel omschakelen - op point-to-point-verbindingen (full duplex) gebruikt RSTP een proposal/agreement-handshake: buren bevestigen elkaar actief dat een poort veilig kan doorsturen, zonder op timers te wachten.
5. Topologiewijziging melden - gaat een niet-edge-poort naar forwarding, dan verstuurt de switch BPDU’s met een TC-vlag (topology change). Switches die zo’n melding ontvangen, wissen de geleerde MAC-adressen op hun andere poorten, zodat verkeer direct via het nieuwe pad loopt.

STP kende vijf poorttoestanden (disabled, blocking, listening, learning, forwarding). RSTP heeft er nog drie: discarding, learning en forwarding. Een alternate port is dus niet “uit”: hij ontvangt nog steeds BPDU’s en kan bij een storing direct de rol van root port overnemen. Een edge port gaat meteen naar forwarding, maar verliest die status zodra er toch een BPDU binnenkomt.

RSTP werkt op laag 2 van het OSI-model en is daarmee transparant voor bovenliggende protocollen zoals Modbus TCP, OPC UA en IP.

⏱️ Hoe snel herstelt RSTP na een storing?

De hersteltijd van RSTP is niet één vast getal, maar hangt af van drie factoren:

• Detectietijd van de verbroken link - merkt de switch fysiek dat een link uitvalt, dan start RSTP direct. Ziet hij alleen dat BPDU’s uitblijven, dan duurt detectie drie hello-intervallen, standaard 6 seconden.
• Aantal switches in het pad - in een ring moet de nieuwe informatie switch voor switch worden doorgegeven en bevestigd. Elk proposal/agreement-paar kost enkele milliseconden.
• Legacy-apparatuur - hoort een RSTP-poort klassieke STP-BPDU’s, dan valt die poort terug op 802.1D-gedrag en verdwijnt het snelheidsvoordeel.

Siemens RUGGEDCOM publiceerde in 2007 een rekenmethode voor het slechtste geval in een ring met N switches bij één linkbreuk: detectietijd plus (N − 3) keer de handshake-tijd bij een even aantal switches. Met de waarden van die fabrikant (5 ms per handshake, circa 5 ms detectie op 100BASE-TX) komt een ring van 20 switches uit op ongeveer 90 ms. Op koperen 1000BASE-T-links duurt de linkdetectie volgens dezelfde bron echter circa 700 ms, waardoor de totale hersteltijd richting een seconde gaat. Uitval van de root bridge zelf duurt in het slechtste geval bijna twee keer zo lang; met aangepaste RSTP-parameters is dat terug te brengen tot de tijd van een linkbreuk. Veel oudere literatuur noemt hersteltijden van enkele seconden. Dat cijfer hoort bij de oorspronkelijke 802.1w-versie; de herziene RSTP in IEEE 802.1D-2004 is duidelijk sneller. IEC 62439-1 bevat een genormeerde methode om de maximale RSTP-hersteltijd in een ring te berekenen en te meten.

Max Age (standaard 20, maximaal 40) begrenst in RSTP feitelijk het aantal switches dat de root-informatie kan passeren. Grote ringen van tientallen switches lopen daar tegenaan; daarom bieden fabrikanten eigen uitbreidingen, zoals eRSTP van Siemens RUGGEDCOM, dat volgens de fabrikant een vier keer zo grote netwerkdiameter aankan.

🔄 Wat is het verschil tussen RSTP, STP, MRP en PRP?

DLR (Device Level Ring) is het ringprotocol van IP en herstelt binnen ongeveer 3 ms. Gebruik RSTP en een ringprotocol als MRP nooit tegelijk op dezelfde ringpoorten: twee mechanismen die allebei poorten blokkeren, werken elkaar tegen. Een gangbaar ontwerp is een snelle ring met MRP of DLR in de celzone en RSTP in het bovenliggende distributienetwerk.

🏭 Waar wordt RSTP in de industrie gebruikt?

• Distributie- en backbone-netwerken - tussen industriële switches in industrial Ethernet-netwerken van fabrieken, waar de topologie geen zuivere ring is
• IT/OT-koppeling - RSTP is een open IEEE-standaard die ook kantoorswitches spreken, handig op de grens met het supervisory-netwerk
• Energie en infrastructuur - onderstations, windparken en tunnels gebruiken RSTP vaak in ringen van glasvezelswitches; voor IEC 61850-procesbussen met strenge eisen gaat de voorkeur naar PRP of HSR
• Gemengde leveranciers - waar switches van verschillende merken samen moeten werken, is RSTP vaak het enige gemeenschappelijke redundantieprotocol
• Bescherming tegen bekabelingsfouten - ook in netwerken zonder bewuste redundantie voorkomt RSTP dat één verkeerde patchkabel een broadcast storm veroorzaakt

🔐 Hoe beveiligt u RSTP?

BPDU’s zijn niet geauthenticeerd. Elk apparaat dat BPDU’s met een lagere prioriteit stuurt, kan zich als nieuwe root bridge opwerpen. Een aanvaller of verkeerd geconfigureerde laptopswitch kan zo verkeer omleiden (spoofing en man-in-the-middle) of met een stroom topologiewijzigingen MAC-tabellen steeds laten wissen, wat het netwerk overspoelt. De volgende maatregelen zijn functies van switchfabrikanten, niet van de IEEE-norm zelf:

• BPDU Guard - schakelt een edge port uit zodra er een BPDU binnenkomt; zet dit op alle poorten naar eindapparaten
• Root Guard - voorkomt dat via een poort naar een andere switch een nieuwe root bridge wordt geaccepteerd; bij een superieure BPDU blokkeert de switch die poort tot de BPDU’s stoppen
• Vaste root-prioriteit - geef de beoogde root bridge en een back-up bewust de laagste prioriteit, in plaats van het laagste MAC-adres te laten beslissen
• Ongebruikte poorten uitschakelen - en combineren met port security, ACL’s en VLAN’s
• Bewaking - meld topologiewijzigingen en rootwissels via SNMP of Syslog aan een SIEM of netwerkmonitoring; een TAP maakt passieve analyse mogelijk

Netwerkredundantie en deze hardening passen in de zones-en-conduits-aanpak van IEC 62443 en in netwerksegmentatie volgens het Purdue Model.

🛠️ Hoe richt u RSTP in een OT-netwerk in?

1. Teken de topologie - bepaal welke lussen bewust zijn en waar ringprotocollen als MRP of DLR al draaien.
2. Kies de root bridge - meestal een centrale core- of distributieswitch; stel prioriteit 4096 in en voor de back-up 8192.
3. Stel edge ports in - alle poorten naar PLC’s, HMI’s en aandrijvingen als edge port, met BPDU Guard.
4. Houd alle switches op RSTP - vervang of isoleer apparaten die alleen klassiek STP spreken.
5. Bereken en test de hersteltijd - trek in een FAT of SAT kabels los en meet of de time-outs van I/O-verbindingen niet worden overschreden.
6. Leg de configuratie vast - onder change management, zodat een vervangen switch niet met standaardprioriteit root wordt.

❓ Veelgestelde vragen

Is RSTP hetzelfde als STP?

Nee, RSTP is de snellere opvolger van STP. Waar STP 30 tot 50 seconden nodig heeft na een storing, herstelt RSTP meestal binnen een seconde dankzij een actieve handshake tussen switches. RSTP is achterwaarts compatibel, maar valt per poort terug op het trage STP-gedrag als er een oude STP-switch aan hangt.

Hoe snel is RSTP?

De hersteltijd van RSTP varieert van enkele tientallen milliseconden tot enkele seconden. Die tijd hangt af van hoe snel een linkbreuk wordt gedetecteerd, het aantal switches in de ring en de configuratie van de root bridge. RSTP geeft geen gegarandeerde maximale hersteltijd, in tegenstelling tot MRP.

Kan ik RSTP en MRP in hetzelfde netwerk gebruiken?

Ja, RSTP en MRP kunnen in hetzelfde netwerk bestaan, maar niet op dezelfde ringpoorten. Een gangbaar ontwerp gebruikt MRP voor een snelle PROFINET-ring en RSTP voor het netwerk daarboven. Twee redundantieprotocollen die dezelfde lus beheren, blokkeren elkaars poorten en veroorzaken storingen.

Wat is het verschil tussen RSTP en MSTP?

MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol, oorspronkelijk IEEE 802.1s) bouwt voort op RSTP en kan per groep VLAN’s een eigen spanning tree berekenen. RSTP gebruikt één boom voor alle VLAN’s. In OT-netwerken volstaat RSTP meestal; MSTP komt vooral voor in grote IT-campusnetwerken.

Wat is een root bridge in RSTP?

De root bridge is de switch met het laagste Bridge ID, die als wortel van de spanning tree dient. Alle andere switches berekenen hun goedkoopste pad naar deze root. Stel de prioriteit van de root bridge bewust in, zodat niet toevallig een oude of slecht geplaatste switch die rol krijgt.

Is RSTP veilig?

RSTP heeft zelf geen authenticatie: elk apparaat kan BPDU’s sturen en zo de topologie beïnvloeden. Switchfuncties zoals BPDU Guard en Root Guard beperken dat risico op poorten naar eindapparaten en naar niet-vertrouwde switches. Combineer dit met bewaking van topologiewijzigingen.

📌 Samengevat

• Doel - RSTP maakt redundante Ethernet-paden mogelijk zonder broadcast storms
• Norm - IEEE 802.1w (2001), opgenomen in IEEE 802.1D-2004
• Werking - root bridge, poortrollen en een proposal/agreement-handshake
• Hersteltijd - milliseconden tot seconden, afhankelijk van linkdetectie en netwerkgrootte, niet gegarandeerd
• Beveiliging - BPDU Guard, Root Guard, vaste root-prioriteit en bewaking

RSTP is het open, topologie-onafhankelijke redundantieprotocol voor Ethernet dat loops voorkomt en bij een storing meestal binnen een seconde een reservepad activeert. Voor gegarandeerde hersteltijden in ringen kiest u MRP of DLR, voor naadloze redundantie PRP of HSR.