CAPITULO 5

Dertalles de Spannin Tree Protocol

• STP evita que se formen bucles en una red jerárquica que implementa enlaces redundantes.

• STP utiliza distintos estados de puertos y temporizadores para evitar la generación de bucles.

• Un switch de la red se designa como puente raíz. El puente raíz se determina a través de un proceso de elección donde las tramas de BPDU se intercambian entre switches vecinos en un dominio de broadcast.

• Todos los demás switches de la red utilizan el algoritmo de spanning tree para determinar sus funciones de puertos de switch. Los puertos de switch más cercanos al puente raíz se convierten en puertos raíz. Los puertos que no son raíz restantes compiten por la función de designado o no designado.

• Debido a que la convergencia del protocolo spanning tree puede tomar hasta 50 segundos en completarse, se desarrollaron RSTP y PVST+ rápido.

• RSTP reduce el tiempo de convergencia hasta 6 segundos.

• PVST+ rápido agrega el soporte de VLAN en RSTP. PVST+ rápido es la implementación preferida del protocolo spanning tree utilizado en un red de switches de Cisco.

Redundancia

En un diseño jerárquico, la redundancia se logra en las capas de distribución y núcleo a través de hardware adicional y rutas alternativas entre dicho hardware.

La redundancia proporciona una gran flexibilidad en la elección de rutas de la red y permite que los datos se transmitan independientemente de la existencia de fallas en una ruta simple o en un dispositivo en las capas de distribución o núcleo. La redundancia cuenta con algunas complicaciones que deben ser tenidas en cuenta antes de que se implemente de forma segura en una red jerárquica.

Inconvenientes

Cuando existen varias rutas entre dos dispositivos en la red y STP se ha deshabilitado en los switches, puede generarse un bucle de Capa 2. Si STP está habilitado en estos switches, que es lo que que está predeterminado, el bucle de Capa 2 puede evitarse.

Las tramas de Ethernet no poseen un tiempo de existencia (TTL, Time to Live) como los paquetes IP que viajan por los routers. En consecuencia, si no finalizan de manera adecuada en una red conmutada, las mismas siguen rebotando de switch en switch indefinidamente o hasta que se interrumpa un enlace y elimine el bucle.

Las tramas de broadcast se envían a todos los puertos de switch, excepto el puerto de origen. Esto asegura que todos los dispositivos del dominio de broadcast puedan recibir la trama. Si existe más de una ruta para enviar la trama, se puede generar un bucle sin fin.

Tormentas de broadcast
Una tormenta de broadcast se produce cuando existen tantas tramas de broadcast atrapadas en un bucle de Capa 2 que se consume todo el ancho de banda disponible. En consecuencia, no existe ancho de banda disponible para el tráfico legítimo y la red queda no disponible para la comunicación de datos.

Tramas de unicast duplicadas
Las tramas de broadcast no son el único tipo de tramas que son afectadas por los bucles. Las tramas de unicast enviadas a una red con bucles pueden generar tramas duplicadas que llegan al dispositivo de destino.

Bucles en el armario de cableado
La redundancia es un componente importante de una topología de red jerárquica de alta disponibilidad, pero los bucles pueden surgir como resultado de varias rutas configuradas en la red. Se pueden evitar los bucles mediante el protocolo spanning tree (STP). Sin embargo, si STP no se ha implementado en la preparación de una topología redundante, los bucles pueden ocurrir de improviso.

Bucles en los cubículos
Debido a conexiones de datos de red insuficientes, algunos usuarios finales poseen un hub o switch personal ubicado en su entorno de trabajo. En vez de incurrir en el costo de mantener conexiones de datos de red adicionales en el lugar de trabajo, un hub o switch simples se conectan a una conexión de datos de red existente, lo que permite que todos los dispositivos conectados al hub o switch personal puedan acceder a la red.

Algoritmo y Topología Spanning Tree

La redundancia aumenta la disponibilidad de la topología de red al proteger la red de un único punto de falla, como un cable de red o switch que fallan. Cuando se introduce la redundancia en un diseño de la Capa 2, pueden generarse bucles y tramas duplicadas. Los bucles y las tramas duplicadas pueden tener consecuencias graves en la red. El protocolo spanning tree (STP) fue desarrollado para enfrentar estos inconvenientes.

Algoritmo STP

Puertos raíz: 
los puertos de switch más cercanos al puente raíz. En el ejemplo, el puerto raíz del switch S2 es F0/1, configurado para el enlace troncal entre el switch S2 y el switch S1. El puerto raíz del switch S3 es F0/1, configurado para el enlace troncal entre el switch S3 y el switch S1.

Puertos designados:
 todos los puertos que no son raíz y que aún pueden enviar tráfico a la red. En el ejemplo, los puertos de switch F0/1 y F0/2 del switch S1 son puertos designados. El switch S2 también cuenta con su puerto F0/2 configurado como puerto designado.

Puertos no designados:
 todos los puertos configurados en estado de bloqueo para evitar los bucles. En el ejemplo, el STA configura al puerto F0/2 del switch S3 en la función no designado. El puerto F0/2 del switch S3 se encuentra en estado de bloqueo.

El puente raíz

Toda instancia de spanning-tree (LAN conmutada o dominio de broadcast) posee un switch designado como puente raíz. El puente raíz sirve como punto de referencia para todos los cálculos de spanning-tree para determinar las rutas redundantes que deben bloquearse.

Un proceso de elección determina el switch que se transforma en el puente raíz. 
 

Las mejores rutas al puente raíz

Cuando se ha designado el puente raíz para la instancia de spanning-tree, el STA comienza el proceso de determinar las mejores rutas hacia el puente raíz desde todos los destinos del dominio de broadcast. La información de ruta se determina mediante la suma de los costos individuales de los puertos que atraviesa la ruta desde el destino al puente raíz.

Campos BPDU

La trama de BPDU contiene 12 campos distintos que se utilizan para transmitir información de prioridad y de ruta que STP necesita para determinar el puente raíz y las rutas al mismo.

Desplace el mouse sobre los campos BPDU de la figura para ver su contenido.

Los primeros cuatro campos identifican el protocolo, la versión, el tipo de mensaje y los señaladores de estado.

Los cuatro campos siguientes se utilizan para identificar el puente raíz y el costo de la ruta hacia el mismo.
Los últimos cuatro campos son todos campos temporizadores que determinan la frecuencia en que se envían los mensajes de BPDU y la cantidad de tiempo que la información recibida a través del proceso BPDU (siguiente tema) es retenida. La función de los campos temporizadores se explicará con más detalle posteriormente en este curso.
 

 ID de Puente

Campos BID

El ID de puente (BID) se utiliza para determinar el puente raíz de una red. Este tema describe cómo se compone un BID y cómo configurarlo en un switch para ejercer influencia en el proceso de elección y asegurar que se les asigne la función de puente raíz a switches específicos.

El campo BID de una trama de BPDU contiene tres campos separados: prioridad de puente, ID de sistema extendido y dirección MAC. Cada campo se utiliza durante la elección del puente raíz.

 Estados de los puertos

 Bloqueo: el puerto es un puerto no designado y no participa en el envío de tramas. El puerto recibe tramas de BPDU para determinar la ubicación y el ID de raíz del switch del puente raíz y las funciones de puertos que cada uno de los mismos debe asumir en la topología final de STP activa.

Escuchar: STP determina que el puerto puede participar en el envío de tramas de acuerdo a las tramas de BPDU que el switch ha recibido hasta ahora. En este momento, el puerto de switch no sólo recibe tramas de BPDU, sino que también transmite sus propias tramas de BPDU e informa a los switches adyacentes que el mismo se prepara para participar en la topología activa.

Aprender: el puerto se prepara para participar en el envío de tramas y comienza a llenar la tabla de direcciones MAC. 

Enviar: el puerto se considera parte de la topología activa, envía tramas y envía y recibe tramas de BPDU.
Deshabilitado: el puerto de la Capa 2 no participa en el spanning tree y no envía tramas. El estado deshabilitado se establece cuando el puerto de switch se encuentra administrativamente deshabilitado.

Temporizadores de BPDU

La cantidad de tiempo que un puerto permanece en los distintos estados depende de los temporizadores de BPDU. Sólo el switch con función de puente raíz puede enviar información a través del árbol para ajustar los temporizadores. Los siguientes temporizadores determinan el rendimiento de STP y los cambios de estado:

Tiempo de saludo
El tiempo de saludo es el tiempo que transcurre cada vez que una trama de BPDU es enviada a un puerto.
Este valor está predeterminado en 2 segundos pero puede ajustarse al intervalo de 1 a 10 segundos. 

Retraso en el envío
El retraso de envío es el tiempo que transcurre en los estados de escuchar y aprender.
Este valor es igual a 15 segundos de manera predeterminada para cada estado pero puede ajustarse al intervalo de 4 a 30 segundos. 

Antigüedad máxima 
El temporizador de antigüedad máxima controla la cantidad máxima de tiempo en que un puerto de switch guarda información de la configuración de la BPDU.
Este valor está predeterminado en 20 segundos pero puede ajustarse al intervalo de 6 a 40 segundos.  

PortFast de Cisco

PortFast es una tecnología de Cisco. Cuando un switch de puerto configurado con PortFast se establece como puerto de acceso, sufre una transición del estado de bloqueo al de enviar de manera inmediata, saltando los pasos típicos de escuchar y aprender. Puede utilizarse PortFast en puertos de acceso, conectados a una única estación de trabajo o servidor, para permitir que dichos dispositivos se conecten a la red de manera inmediata sin esperar la convergencia del árbol de expansión. 

Convergencia de STP

La convergencia es el tiempo que le toma a la red determinar el switch que asumirá la función del puente raíz, atravesar todos los otros estados de puerto y configurar todos los puertos de switch en sus funciones de puertos finales de spanning-tree, donde se eliminan todos los posibles bucles. El proceso de convergencia demora un tiempo en completarse debido a los distintos temporizadores que se utilizan para coordinar el proceso.

Para comprender el proceso de convergencia de forma más profunda, el mismo se ha dividido en tres pasos distintos:

Paso 1. Elegir un puente raíz

Paso 2. Elegir los puertos raíz

Paso 3. Elegir los puertos designados y no designados 

RSTP

RSTP (IEEE 802.1w) es una evolución del estándar 802.1D. Principalmente, la terminología de 802.1w STP sigue siendo la misma que la del IEEE 802.1D STP. La mayoría de los parámetros no se modifican, de modo que los usuarios familiarizados con STP puedan configurar rápidamente el nuevo protocolo.