Introducción al STP

Unidad 2: STP

2.1. Introducción al STP

En comunicaciones, STP (del inglés Spanning Tree Protocol) es un protocolo de red de nivel 2 del modelo OSI (capa de enlace de datos). 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 la eliminación de bucles. STP es transparente a las estaciones de usuario.

2.1.1. El algoritmo spanning tree.

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.

Existen múltiples variantes del STP debido, principalmente, al tiempo que tarda en converger el algoritmo utilizado. Una de estas variantes es el Rapid Spanning Tree Protocol, estándar IEEE 802.1D-2004 que hoy en día ha reemplazado el uso del STP original.

2012 IEEE 802.1aq fue aprobado como un estándar para reemplazar IEEE 802.1D, IEEE 802.1w, IEEE 802.1s

El algoritmo transforma una red física con forma de malla, en la que existen bucles, por una red lógica en forma de árbol (libre de bucles). Los puentes se comunican mediante mensajes de configuración llamados Bridge Protocol Data Units (BPDU).

2.1.2. BPDU en STP.

La BPDU es la trama de mensaje que se intercambia entre los switches en STP. Cada BPDU contiene un BID que identifica al switch que envio la BPDU. El BID contiene un valor de prioridad, la direccion MAC del switch emisor y un ID de sistema extendido opcional.

El numero prioridad por defecto en el BID es 32768.

Si existen 2 switches con el mismo número de prioridad la direccion MAC será la que determinará quien sera la raiz con la direccion mac más baja.

Para asignar a un switch distribuidor que este sea el raiz, a este se le debe de asignar la vlan más baja al número de prioridad.

2.1.3. ID de puente.

Para que funcione STP, los switches de la red determinan un switch que funcione como punto focal de esa red. El STP utiliza este punto focal, denominado puente raíz o switch raíz, para determinar qué puertos deben bloquearse y qué puertos deben entrar en estado de envío. El puente raíz envía unidades BPDU que contienen información sobre la topología de la red a todos los demás switches. Esta información permite que la red se vuelva a configurar en caso de una falla.

Sólo hay un puente raíz en cada red, y se lo elige según el ID de puente (BID, Bridge ID). El BID se crea a partir del valor de prioridad del puente y la dirección MAC.

La prioridad del puente tiene un valor predeterminado de 32 768. Si un switch tiene una dirección MAC de AA-11-BB-22-CC-33, el BID correspondiente a ese switch sería: 32768: AA-11-BB-22-CC-33.

El puente raíz se elige de acuerdo con el valor BID más bajo. Dado que los switches con frecuencia utilizan el mismo valor de prioridad predeterminado, el switch con la dirección MAC más baja será el puente raíz.

Cuando se enciende cada switch, supone que es el puente raíz, y envía las BPDU que contienen su BID. Por ejemplo, si S2 publica un ID de raíz con un número menor al de S1, S1 detiene la publicidad de su ID de raíz y acepta el ID de raíz de S2. S2 es ahora el puente raíz. STP designa tres tipos de puertos: puertos raíz, puertos designados y puertos bloqueados.

Puerto raíz

El puerto que proporciona la ruta de menor costo al puente raíz se convierte en el puerto raíz. Los switches calculan la ruta de menor costo a partir del costo de ancho de banda de cada enlace necesario para llegar al puente raíz.

Puerto designado

Un puerto designado es un puerto que envía el tráfico hacia el puente raíz pero no se conecta con la ruta de menor costo.

Puerto bloqueado

Un puerto boqueado es un puerto que no reenvía tráfico.

Antes de configurar el STP, el técnico de redes planea y evalúa la red a fin de seleccionar el mejor switch para que sea la raíz de Spanning Tree. Si el switch raíz se asigna a la dirección MAC más baja, el envío puede no ser óptimo.

Un switch con ubicación central funciona mejor como puente raíz. Un puerto bloqueado ubicado en el extremo de la red puede obligar al tráfico a tomar una ruta más larga para llegar a destino que la que tomaría si el switch tuviera una ubicación central.

Para especificar el puente raíz, la BID del switch elegido se configura con el valor de prioridad más bajo. Para configurar la prioridad del puente, se utiliza el comando de prioridad del puente. El rango de prioridad abarca de 0 a 65535, pero los valores se incrementan en 4096. El valor predeterminado es 32768.

Para establecer la prioridad:

S3(config)#spanning-tree vlan 1 priority 4096

Para restablecer la prioridad al valor predeterminado:

S3(config)#no spanning-tree vlan 1 priority

2.1.4. Funciones de los puertos.

El STA determina la función de puerto que debe asignarse a cada puerto de switch.

Cuando se determina el puerto raíz de un switch, este último compara los costos de rutas de todos los puertos de switch que participan en el spanningtree. Al puerto de switch con el menor costo de ruta total hacia la raíz se le asigna de manera automática la función de puerto raíz, ya que es el más cercano al puente raíz. En una topología de la red, todos los switches que utilizan spanningtree, excepto el puente raíz, poseen un único puerto raíz definido.

2.1.5. Estados de los puertos y temporizadores de BPDU en STP.

Variedades de protocolos de árbol de expansión PVST+STP facilita la ruta lógica sin bucles en todo el dominio de difusión. El árbol de expansión se determina a través de la información obtenida en el intercambio de tramas de BPDU entre los switches interconectados. Para facilitar el aprendizaje del árbol de expansión lógico, cada puerto de switch sufre una transición a través de cinco estados posibles y tres temporizadores de BPDU.

El árbol de expansión queda determinado inmediatamente después de que el switch finaliza el proceso de arranque. Si un puerto de switch pasa directamente del estado de bloqueo al de reenvío sin información acerca de la topología completa durante la transición, el puerto puede crear un bucle de datos temporal. Por este motivo, STP introduce los cinco estados de puerto. En la ilustración, se describen los siguientes estados de puerto que aseguran que no se produzcan bucles durante la creación del árbol de expansión lógico:

Bloqueo: el puerto es un puerto alternativo y no participa en el reenvío 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 éstos debe asumir en la topología final de STP activa.

Escucha: escucha la ruta hacia la raíz. STP determinó que el puerto puede participar en el reenvío de tramas según las tramas BPDU que recibió el switch hasta ahora. A esta altura, el puerto de switch no solo recibe tramas BPDU, sino que además transmite sus propias tramas BPDU e informa a los switches adyacentes que el puerto de switch se prepara para participar en la topología activa.

Aprendizaje: aprende las direcciones MAC. El puerto se prepara para participar en el reenvío de tramas y comienza a completar la tabla de direcciones MAC.

Reenvío: el puerto se considera parte de la topología activa. Reenvía tramas de datos, además de enviar y recibir tramas BPDU.

Deshabilitado: el puerto de capa 2 no participa en el árbol de expansión y no reenvía tramas. El estado deshabilitado se establece cuando el puerto de switch se encuentra administrativamente deshabilitado.

Observe que la cantidad de puertos en cada uno de los diversos estados (bloqueo, escucha, aprendizaje o reenvío) se puede mostrar con el comando show spanning-tree summary.

Para cada VLAN en una red conmutada, PVST+ sigue cuatro pasos para proporcionar una topología de red lógica sin bucles:

1. Elegir un puente raíz: solo un switch puede funcionar como puente raíz (para una determinada VLAN). El puente raíz es el switch con la menor ID de puente. En el puente raíz, todos los puertos son puertos designados (en particular, los que no son puertos raíz).

2. Seleccionar el puerto raíz en cada puerto que no es raíz: STP establece un puerto raíz en cada puente que no es raíz. El puerto raíz es la ruta de menor costo desde el puente que no es raíz hasta el puente raíz, que indica la dirección de la mejor ruta hacia el puente raíz. Generalmente, los puertos raíz están en estado de reenvío.

3. Seleccionar el puerto designado en cada segmento: STP establece un puerto designado en cada enlace. El puerto designado se selecciona en el switch que posee la ruta de menor costo hacia el puente raíz. Por lo general, los puertos designados están en estado de reenvío y reenvían el tráfico para el segmento.

4. El resto de los puertos en la red conmutada son puertos alternativos: en general, los puertos alternativos se mantienen en estado de bloqueo para romper la topología de bucle de forma lógica. Cuando un puerto está en estado de bloqueo, no reenvía tráfico pero puede procesar los mensajes BPDU recibidos.

2.2. Convergencia STP.

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