SPANNING TREE

DEFINICIÓN(Spanning Tree Protocol) (SmmTPr o STP) es un protocolo de red de nivel 2 de la capa OSI (nivel de enlace de datos). Está basado en un algoritmo diseñado por Radia Perlman mientras trabajaba para DEC. Hay 2 versiones del STP: la original (DEC STP) y la estandarizada por el IEEE (IEEE 802.1D), que no son compatibles entre sí. En la actualidad, se recomienda utilizar la versión estandarizada por el IEEE.Su función es la de gestionar la presencia de bucles en topologías de red

debido a la existencia de enlaces redundantes (necesarios en muchos casos para garantizar la disponibilidad de las conexiones). El protocolo permite a los dispositivos de interconexión activar o desactivar automáticamente los enlaces de conexión, de forma que se garantice que la topología está libre de bucles. STP es transparente a las estaciones de usuario. Los bucles infinitos ocurren cuando hay rutas alternativas hacia una misma máquina o segmento de red destino. Estas rutas alternativas son necesarias para proporcionar redundancia, ofreciendo una mayor fiabilidad a la red. Si existen varios enlaces, en el caso que uno falle, otro enlace puede seguir soportando el tráfico de la red. Los problemas aparecen cuando utilizamos dispositivos de interconexión de nivel de enlace, como un puente de red o un conmutador de paquetes.

ELECCIÓN DEL PUENTE RAÍZ

La primera decisión que toman todos los switches de la red es identificar el puente raíz ya que esto afectará al flujo de tráfico. Cuando un switch se enciende, supone que es el switch raíz y envía las BPDUs que contienen la dirección MAC de sí mismo tanto en el BID raíz como emisor. El BID es el Bridge IDentifier: Bridge Priority + Bridge Mac Addres. El Bridge Priority es un valor configurable que por defecto está asignado en 32768. El Bridge Mac Address es la dirección MAC (única) del Puente. Cada switch reemplaza los BID de raíz más alta por BID de raíz más baja en las BPDU que se envían. Todos los switches reciben las BPDU y determinan que el switch que cuyo valor de BID raíz es el más bajo será el puente raíz. El administrador de red puede establecer la prioridad de switch en un valor más pequeño que el del valor por defecto (32768), lo que hace que el BID sea más pequeño. Esto sólo se debe implementar cuando se tiene un conocimiento profundo del flujo de tráfico en la red

ELECCIÓN DE LOS PUERTOS RAÍZ

Una vez elegido el puente raíz hay que calcular el puerto raíz para los otros puentes que no son raíz. El procedimiento a seguir para cada puente es el mismo: entre todos los puertos del puente, se escoge como puerto raíz el puerto que tenga el menor costo hasta el puente raíz. En el caso de que haya dos o más puertos con el mismo costo hacia el puente raíz, se utiliza la prioridad del puerto para establecer el raíz.

ELECCIÓN DE LOS PUERTOS DESIGNADOSUna vez elegido el puente raíz y los puertos raíz de los otros puentes pasamos a calcular los puertos designados de cada segmento de red. En cada enlace que exista entre dos switches habrá un puerto designado, el cual será el puerto del switch que tenga un menor coste para llegar al puente raíz (Root Bridge), este costo administrativo será un valor que estará relacionado al tipo de enlace que exista en el puerto (Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet).Cada tipo de enlace tendrá un coste administrativo distinto, siendo de un costo menor el puerto con una mayor velocidad. Si hubiese empate entre los costos administrativos que tienen los dos switches para llegar al root bridge, entonces se eligirá como Designed Port, el puerto del Switch que tenga un menor Bridge ID (BID).

PUERTOS BLOQUEADOS Aquellos puertos que no sean elegidos como raíz ni como designados deben bloquearse.

PASOS DE CONVERGENCIA DE STPLa sección anterior describía los componentes que permiten a STP crear la topología de la red lógica sin bucles. En esta sección se examinará el proceso de STP completo, desde el principio hasta el final.

La convergencia es un aspecto importante del proceso de spanning-tree. 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 en 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

El resto de esta sección explora cada paso del proceso de convergencia.

PROCESO DE NOTIFICACIÓN DE CAMBIO EN LA TOPOLOGÍA DE STP

Un switch considera que ha detectado un cambio en la topología cuando un puerto que envía se desactiva (se bloquea, por ejemplo) o cuando un puerto cambia al estado de enviar y el switch cuenta con un puerto designado. Cuando se detecta un cambio, el switch notifica al puente raíz del spanning tree. Luego, el puente raíz envía un broadcast con dicha información a toda la red.

Cuando STP funciona en forma normal, el switch continúa recibiendo tramas de BPDU de configuración desde el puente raíz en su puerto raíz. Sin embargo, nunca envía una BPDU hacia el puente raíz. Para lograr esto se introduce una BPDU especial denominada notificación de cambio en la topología (TCN). Cuando un switch necesita avisar acerca de un cambio en la topología, comienza a enviar TCN en su puerto raíz. La TCN es una BPDU muy simple que no contiene información y se envía durante el intervalo de tiempo de saludo. El switch receptor se denomina puente designado y realiza el acuse de recibo de la TCN mediante el envío inmediato de una BPDU normal con el bit de acuse de recibo de cambio en la topología (TCA). Este intercambio continúa hasta que el puente raíz responde.

PROPIEDAD DE CISCOProtocolo spanning tree por VLAN (PVST): mantiene una instancia de spanning-tree para cada VLAN configurada en la red. Utiliza el protocolo de enlace troncal ISL propiedad de Cisco que permite que un enlace troncal de la VLAN se encuentre en estado de enviar para algunas VLAN y en estado de bloqueo para otras. Debido a que PVST trata a cada VLAN como una red independiente, puede realizar un balanceo de carga del tráfico de la Capa 2 mediante el envío de algunas VLAN en un enlace troncal y otras en otro enlace troncal sin generar bucles. Para PVST, Cisco desarrolló varias extensiones de propiedad del IEEE 802.1D STP original, como BackboneFast, UplinkFast y PortFast. Estas extensiones de STP de Cisco no se cubren en este curso. Para obtener más información acerca de estas extensiones, visite: http://www.cisco.com/en/US/docs/switches/lan/catalyst4000/7.4/configuration/guide/stp_enha.html.

Protocolo spanning tree por VLAN plus (PVST+): Cisco desarrolló PVST+ para proporcionar soporte a los enlaces troncales de IEEE 802.1Q. PVST+ proporciona la misma funcionalidad que PVST, incluidas las extensiones de STP propiedad de Cisco. PVST+ no cuenta con soporte en aquellos dispositivos que no son de Cisco. PVST+ incluye una mejora de PortFast denominada protección de BPDU y protección de raíz. Para obtener más información acerca de la protección de BPDU, visite: http://www.cisco.com/en/US/tech/tk389/tk621/technologies_tech_note09186a008009482f.shtml.

Protocolo spanning tree por VLAN rápido (PVST+ rápido): se basa en el estándar IEEE 802.1w y posee una convergencia más veloz que STP (estándar 802.1D). PVST+ rápido incluye las extensiones propiedad de Cisco, como BackboneFast, UplinkFast y PortFast.

Estándar IEEE

Protocolo Rapid spanning tree (RSTP): se introdujo por primera vez en 1982 como evolución de STP (estándar 802.1D). Proporciona una convergencia de spanning-tree más veloz después de un cambio de topología. RSTP implementa las extensiones de STP propiedad de Cisco, como BackboneFast, UplinkFast y PortFast en el estándar público. A partir de 2004, el IEEE incorporó RSTP a 802.1D, mediante la identificación de la especificación como IEEE 802.1D-2004. De manera que cuando se haga referencia a STP, debe pensarse en RSTP.STP múltiple (MSTP): permite que se asignen VLAN múltiples a la misma instancia de spanning-tree, de modo tal que se reduce la cantidad de instancias necesarias para admitir una gran cantidad de VLAN. MSTP se inspiró en STP de instancias múltiples (MISTP) propiedad de Cisco y es una evolución de STP y RSTP. Se introdujo en el IEEE 802.1s como enmienda de la edición de 802.1Q de 1998. El estándar IEEE 802.1Q-2003 ahora incluye a MSTP. MSTP proporciona varias rutas de envío para el tráfico de datos y permite el balanceo de carga. La explicación de MSTP excede el alcance de este curso. Para obtener más información acerca de MSTP, visite:

http://www.cisco.com/en/US/docs/switches/lan/catalyst2950/software/release/12.1_19_ea1/configuration/guide/swmstp.html.

UTILICE LA CONMUTACIÓN DE CAPA 3La conmutación de Capa 3 implica que el enrutamiento se lleva a cabo a la velocidad de la conmutación. Un router realiza dos funciones principales:

• Construye una tabla de envíos. En general, el router intercambia información con sus pares mediante los protocolos de enrutamiento.

• Recibe paquetes y los envía a la interfaz correcta según la dirección de destino.Los switches Cisco de nivel superior de la Capa 3 ahora pueden

realizar esta segunda función a la misma velocidad que la función de conmutación de Capa 2No existe penalización de velocidad para el salto de enrutamiento y en un segmento adicional entre C1 y C2.El switch C1 del núcleo y el switch C2 del núcleo corresponden a la Capa 3. La VLAN 20 y la VLAN 30 ya no poseen puentes entre C1 y C2, de manera que no existe la posibilidad de bucles.

La redundancia aún está presente, con dependencia en los protocolos de enrutamiento de la Capa 3. El diseño asegura que la convergencia sea más rápida que con STP.

STP ya no bloquea los puertos, de manera que no existe la posibilidad de bucles de puenteo.Al establecer la VLAN según la conmutación de Capa 3 permite que la velocidad sea tan alta como si se contara con puenteo dentro de la VLAN.

INCONVENIENTES RELACIONADOS CON EL DIÁMETRO DE LA RED

Otro inconveniente del cual no existe demasiada información se relaciona con el diámetro de la red conmutada. Los valores conservadores predeterminados para los temporizadores de STP imponen un diámetro máximo de red de siete. En la figura, este diseño crea un diámetro de red de ocho. El diámetro de red máximo restringe la distancia que puede existir entre los switches de la red. En este caso, no puede haber más de ocho saltos entre dos switches distintos. Parte de esta restricción se obtiene del campo de antigüedad que transporta la BPDU.

Cuando una BPDU se propaga desde el puente raíz hacia las hojas del árbol, el campo de antigüedad se incrementa cada vez que la misma atraviesa un switch. Eventualmente, el switch descarta la BPDU cuando el campo de antigüedad llega a la antigüedad máxima. Si la raíz se encuentra demasiado lejos de algunos switches de la red, las BPDU se descartan. Este inconveniente afecta a la convergencia del spanning tree.

Se debe tener mucho cuidado si se planea cambiar los valores predeterminados de los temporizadores de STP. Se corre peligro si se intenta agilizar la convergencia de esta manera. Un cambio de temporizador de STP impacta en el diámetro de la red y en la estabilidad de STP. Se puede cambiar la prioridad del switch para seleccionar el puente raíz y el parámetro de costo o prioridad de puerto para controlar la redundancia y el balanceo de carga.