STP Concepts

STP Concepts

1. Propósito del STP

   • Redundancia en redes conmutadas de capa 2
     • La redundancia es una parte importante para eliminar puntos únicos de falla y prevenir la interrupción de los servicios de red para los usuarios. Requieren la adición de rutas físicas.
   • Protocolo de árbol de extensión
     • es un protocolo de red de prevención de bucles que permite redundancia mientras crea una topología de capa 2 sin bucles. IEEE 802.1D es el estándar original IEEE MAC Bridging para STP.
   • Problemas con los vínculos de switch redundantes
     • La redundancia de ruta proporciona múltiples servicios de red al eliminar la posibilidad de un solo punto de falla. Cuando existen múltiples rutas entre dos dispositivos en una red Ethernet, y no hay implementación de árbol de expansión en los conmutadores, se produce un bucle de capa 2. Un bucle de capa 2 puede provocar inestabilidad en la tabla de direcciones MAC, saturación de enlaces y alta utilización de CPU en conmutadores y dispositivos finales, lo que hace que la red se vuelva inutilizable.
   • Bucles de la capa 2
     • Sin STP habilitado, se pueden formar bucles de capa 2, lo que hace que las tramas de difusión, multidifusión y unidifusión desconocidos se reproduzcan sin fin. Esto puede derribar una red en un período de tiempo muy corto, a veces en pocos segundos.
     • Cuando se produce un bucle, la tabla de direcciones MAC en un conmutador cambiará constantemente con las actualizaciones de las tramas de difusión, lo que resulta en la inestabilidad de la base de datos MAC. Esto puede causar una alta utilización de la CPU, lo que hace que el switch no pueda reenviar tramas.
   • Tormenta de difusión (Broadcast Storm)
     • Es un número anormalmente alto de emisiones que abruman la red durante un período específico de tiempo. Pueden deshabilitar una red en cuestión de segundos al abrumar los conmutadores y los dispositivos finales.
       • Es probable que un bucle de capa 2 tenga consecuencias inmediatas y de desactivación en la red
       • Las multidifusión de capa 2 normalmente se reenvían de la misma manera que una difusión por el conmutador.
   • El algoritmo de árbol de expansión
     • STP se basa en un algoritmo"Un algoritmo para la computación distribuida de un árbol de expansión en una LAN extendida". Su algoritmo de árbol de expansión (STA) crea una topología sin bucles al seleccionar un único puente raíz donde todos los demás conmutadores determinan una única ruta de menor costo.
     • Topología de la situación
       • STP evita que ocurran bucles mediante la configuración de una ruta sin bucles a través de la red, con puertos “en estado de bloqueo” ubicados estratégicamente.
     • Seleccionar el Root Bridge
       • El algoritmo de árbol de expansión comienza seleccionando un único puente raíz.
     • Bloquear rutas redundantes
       • STP asegura que solo haya una ruta lógica entre todos los destinos en la red al bloquear intencionalmente las rutas redundantes que podrían causar un bucle, como se muestra en la figura.
     • Topología sin bucle
       • Un puerto bloqueado tiene el efecto de convertir ese enlace en un vínculo no reenvío entre los dos switches, como se muestra en la figura.
     • Fallos de enlacecausan recálculo
       • Si alguna vez la ruta es necesaria para compensar la falla de un cable de red o de un switch, STP vuelve a calcular las rutas y desbloquea los puertos necesarios para permitir que la ruta redundante se active.

2. Funcionamientos del STP

   • Pasos para una topología sin bucles
     • Usando STA, STP crea una topología sin bucles en un proceso de cuatro pasos:
       • 1. Elige el puente raíz.
       • 2. Seleccione los root ports.
       • 3. Elegir puertos designados.
       • 4. Seleccione puertos alternativos (bloqueados).
     • Durante las funciones STA y STP, los conmutadores utilizan unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) para compartir información sobre sí mismos y sus conexiones.Cada BPDU contiene una ID de puente (BID). El BID contiene un valor de prioridad, la dirección MAC del conmutador y un ID de sistema extendido.
       • Prioridad de puente
         • El valor de prioridad predeterminado para todos los switches es el valor decimal 32768. El rango va de 0 a 61440 y aumenta de a 4096. Es preferible una prioridad de puente más baja.
       • Sistema extendido ID
         • El valor de ID del sistema extendido es un valor decimal agregado al valor de prioridad del puente en el BID para identificar la VLAN para esta BPDU.
         • Permite que las implementaciones posteriores de STP, como Rapid STP (RSTP) tengan diferentes root bridge para diferentes conjuntos de VLAN.
       • Dirección MAC
         • Cuando dos switches están configurados con la misma prioridad y tienen la misma ID de sistema extendido, el switch que posee la dirección MAC con el menor valor, expresado en hexadecimal, tendrá el menor BID.
   • 1. Elige el root bridge
     • El STA designa un único switch como root bridge y lo utiliza como punto de referencia para todos los cálculos de rutas. Las BPDU contienen Root ID. El switch que tiene el BID más bajo se convierte en el puente raíz. Al principio, todos los conmutadores se declaran a sí mismos como el puente raíz con su propio BID establecido como ID raíz.
       • Impacto de las pujas por defecto
         • Dado que el BID predeterminado es 32768, es posible que dos o más switches tengan la misma prioridad. E el conmutador con la dirección MAC más baja se convertirá en el puente raíz.
       • Determinar el costo de la ruta raíz
         • Cuando un switch recibe la BPDU, agrega el costo del puerto de ingreso del segmento. Se definen por la velocidad a la que funcionan los mismos. La tabla muestra los costos de puerto predeterminados sugeridos por IEEE.
   • 2. Elegir los puertos raíz
     • Después de determinar el puente raíz, se utiliza el algoritmo STA para seleccionar el puerto raíz. Cada switch que no sea root seleccionará un puerto raíz. El puerto raíz es el puerto más cercano al root bridge en términos de costo general para el puente raíz.
   • 3. Seleccionar puertos designados
     • Cada segmento entre dos switches tendrá un puerto designado. El puerto designado es un puerto en el segmento (con dos switches) que tiene el costo de ruta raíz interna al puente raíz.
       • Puertos designados en el puente raíz
         • Todos los puertos en el root bridge son puertos designados. Esto se debe a que el root bridge tiene el costo más bajo para sí mismo.
       • Puerto designado cuando hay un puerto raíz
         • Si un extremo de un segmento es un puerto raíz, el otro extremo es un puerto designado.
       • Puerto designado cuando no hay puerto raíz
         • Esto deja solo segmentos entre dos switches donde ninguno de los switches es el puente raíz. En este caso, el puerto del switch con la ruta de menor costo al puente raíz es el puerto designado para el segmento.
   • 4. Seleccionar puertos alternativos (bloqueados)
     • Si un puerto no es un puerto raíz o un puerto designado, se convierte en un puerto alternativo (o de copia de seguridad). Los puertos alternativos y los puertos de respaldo están en estado de descarte o bloqueo para evitar bucles.
   • Seleccione un puerto raíz a partir de varias rutas de igual coste
     • Cuando un switch tiene varias rutas de igual costo al puente raíz, el switch determinará un puerto utilizando los siguientes criterios:
       • 1. Oferta de remitente más baja
       • 2. Prioridad de puerto del remitente más baja
       • 3. ID de puerto del remitente más bajo
   • Temporizadores STP y Estados de puerto
     • Temporizador de saludo
       • El tiempo de saludo es el intervalo entre BPDU. El valor predeterminado es 2 segundos, pero se puede modificar entre 1 y 10 segundos.
     • Temporizador de retardo de reenvío
       • El retraso directo es el tiempo que se pasa en el estado de escucha y aprendizaje. El valor predeterminado es 15 segundos, pero se puede modificar a entre 4 y 30 segundos.
     • Temporizador de antigüedad máxima
       • La antigüedad máxima es la duración máxima de tiempo que un switch espera antes de intentar cambiar la topología STP. El valor predeterminado es 20 segundos, pero se puede modificar entre 6 y 40 segundos.

3. Evolución del STP

   • Conceptos de RSTP
     • RSTP (IEEE 802.1w) reemplaza al 802.1D original mientras conserva la compatibilidad con versiones anteriores. RSTP aumenta la velocidad del recálculo del árbol de expansión cuando cambia la topología de la red de Capa 2. RSTP puede lograr una convergencia mucho más rápida en una red configurada en forma adecuada, a veces sólo en unos pocos cientos de milisegundos.
   • Estados de puerto RSTP y roles de puerto
     • Estados de puertos STP y RSTP
       • Solo hay tres estados de puerto en RSTP que corresponden a los tres estados operativos posibles en STP. Los estados de desactivación, bloqueo y escucha 802.1D se fusionan en un único estado de descarte 802.1w.
     • Estados de puertos STP y RSTP
       • Los puertos raíz y los puertos designados son los mismos para STP y RSTP. Sin embargo, hay dos roles de puerto RSTP que corresponden al estado de bloqueo de STP. En STP, un puerto bloqueado se define como no ser el puerto designado o raíz.
     • Puertos RSTP alternativos y de copia de seguridad
       • El puerto alternativo tiene una ruta alternativa al puente raíz. El puerto de copia de seguridad es una copia de seguridad en un medio compartido, como un concentrador.
   • PortFast y protección BPDU
     • Cuando un dispositivo está conectado a un puerto del conmutador o cuando un conmutador se enciende, el puerto del conmutador pasa por los estados de escucha y aprendizaje, esperando cada vez que expire el temporizador de retardo de reenvío. Este retraso es de 15 segundos para cada estado, escuchando y aprendiendo, para un total de 30 segundos.
   • Alternativas a STP
     • Múltiples sistemas (MLAG)
     • Puente de ruta más corta (SPB)
     • Interconexión transparente de muchos enlaces. (TRILL)

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