Conmutación LAN e inalámbrica: 5. Spaning Tree Protocol STP

1. Spanning Tree Protocol
Cuando se agregan enlaces adicionales a switches y routers de la red, se generan bucles
en el tráfico que deben ser administrados de manera dinámica. Cuando se pierde la
conexión con un switch, otro enlace debe reemplazarlo rápidamente sin introducir
ningún bucle nuevo en el tráfico. El protocolo spanning-tree (STP) evita los
inconvenientes relacionados con bucles en la red.
La redundancia de Capa 2 mejora la disponibilidad de la red con la implementación de
rutas de red alternas mediante el agregado de equipos y cables. Al contar con varias
rutas para la transmisión de los datos en la red, la interrupción de una sola ruta no
genera impacto en la conectividad de los dispositivos en la red.
Spanning Tree Protocol Francesc Pérez Fdez.
genera impacto en la conectividad de los dispositivos en la red.

1. Spanning Tree Protocol
Las tramas de Ethernet no poseen un tiempo de vida (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.
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.

2. El algoritmo STP
STP asegura que exista sólo una ruta lógica entre todos los destinos de la red, al realizar
un bloqueo de forma intencionada en aquellas rutas redundantes que puedan
ocasionar un bucle. Un puerto se considera bloqueado cuando el tráfico de la red no
puede ingresar ni salir del puerto. Esto no incluye las tramas de unidad de datos del
protocolo de puentes (BPDU) utilizadas por STP para evitar bucles. El bloqueo de las
rutas redundantes es fundamental para evitar bucles en la red. Las rutas físicas aún
existen para proporcionar la redundancia, pero las mismas se deshabilitan para evitar
que se generen bucles. 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.
necesarios para permitir que la ruta redundante se active.

2. El algoritmo STP
STP utiliza el algoritmo de spanning tree (STA) para determinar los puertos de switch de
la red que deben configurarse para el bloqueo a fin de evitar que se generen bucles. El
STA designa un único switch como puente raíz y lo utiliza como punto de referencia
para todos los cálculos de rutas. Todos los switches que comparten STP intercambian
tramas de BPDU para determinar el switch que posee el menor ID de puente (BID) en la
red cada dos segundos. El switch con el menor BID se transforma en el puente raíz de
forma automática según los cálculos del STA. El campo BID dentro de la trama BPDU se
compone de un valor de prioridad, un ID de sistema extendido y la dirección MAC del
switch.
Después de determinar el puente raíz, el STA calcula la ruta más corta hacia el mismo
desde el resto switches de la red. Todos los switches utilizan el STA para determinar los
puertos que deben bloquearse. Temporalmente, mientras el STA determina las mejores
rutas hacia el puente raíz (costo) para todos los destinos del dominio de broadcast, se
evita que todo el tráfico sea enviado a través de la red. El costo de la ruta se calcula
mediante los valores de costo de puerto asociados con las velocidades de los puertos
para cada puerto de switch que atraviesa una ruta determinada. La suma de los valores
de costo de puerto determina el costo de ruta total hacia el puente raíz. Si existe más
de una ruta a escoger, el STA elige la de menor costo de ruta.

2. El algoritmo STP
El IEEE define los valores de costos de puertos utilizados por STP. Actualmente, debido
al ingreso reciente al mercado de tecnologías Ethernet más veloces, los valores de
costos de rutas pueden cambiar para ajustarse a las distintas velocidades disponibles.
Los números no lineales se ajustan a algunas mejoras del estándar Ethernet, pero tenga
en cuenta que dichos números pueden ser modificados por el IEEE si fuera necesario.
Pese a que los puertos de switch cuentan con un costo de puerto predeterminado
asociado a los mismos, tal costo puede configurarse. La capacidad para configurar los
costos de puertos individuales proporciona al administrador la flexibilidad para
controlar las rutas de spanning-tree hacia el puente raíz.

2. El algoritmo STP
El costo de la ruta es la suma de todos los costos de puertos que atraviesan la ruta
hacia el puente raíz. La ruta con el menor costo de ruta se convierte en la ruta preferida
y todas las demás rutas redundantes se bloquean.

2. El algoritmo STP
Cuando el STA determina las rutas que deben permanecer disponibles y configura los
puertos de switch de acuerdo a distintas funciones. Las funciones de los puertos
describen su relación en la red con el puente raíz y si los mismos pueden enviar tráfico.
Puertos raíz: El puerto raíz existe en los puentes que no son raíz y es el puerto de
switch con la mejor ruta hacia el puente raíz. Los puertos raíz envían el tráfico a través
del puente raíz. Las direcciones MAC de origen de las tramas recibidas en el puerto raíz
pueden llenar por completo la tabla MAC. Sólo se permite un puerto raíz por puente.
Puertos designados: El puerto designado existe en los puentes raíz y en los que no son
Puertos designados: El puerto designado existe en los puentes raíz y en los que no son
raíz. Para los puentes raíz, todos los puertos de switch son designados. Para los puentes
que no son raíz, un puerto designado es el switch que recibe y envía tramas hacia el
puente raíz según sea necesario. Sólo se permite un puerto designado por segmento.
Puertos no designados: el puerto no designado es aquel puerto de switch que está
bloqueado, de manera que no envía tramas de datos ni llena la tabla de direcciones
MAC con direcciones de origen.
Puerto deshabilitado: el puerto deshabilitado es un puerto de switch que está
administrativamente desconectado. Un puerto deshabilitado no funciona en el proceso
de spanning-tree.

2. El algoritmo STP

3. Campos BPDU (Bridge Protocol Data Unit)
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.

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.
Prioridad de puente: es un valor que puede personalizarse y puede utilizarse para
ejercer influencia sobre el switch que debe convertirse en el puente raíz. El switch con
la menor prioridad, es decir, el menor BID, se transforma en el puente raíz. El valor
predeterminado de la prioridad para todos los switches de Cisco es 32 768. El rango de
prioridad oscila entre 1 y 65 536; por lo tanto, 1 es la prioridad más alta.
ID de sistema extendido: el ID de sistema extendido puede omitirse en las tramas de
BPDU para algunas configuraciones. Las primeras implementaciones de STP se
diseñaron para redes que no utilizaban VLAN. Existía un único spanning tree común
para todos los switches. Cuando las VLAN comenzaron a ser comunes en la
segmentación de la infraestructura de red, STP se mejoró para incluir el soporte para
VLAN. En consecuencia, el campo ID de sistema extendido contiene el ID de la VLAN
con la cual está asociada la BPDU.
Dirección MAC: cuando dos switches se configuran con la misma prioridad y poseen el
mismo ID de sistema extendido, el switch con la dirección MAC con el menor valor
hexadecimal es el de menor BID.

Existen dos métodos de configuración distintos que pueden utilizarse para configurar el
valor de prioridad de puente en un switch Cisco Catalyst.
Método 1: para asegurar que el switch posea el menor valor de prioridad de puente,
utilice el comando spanning-tree vlan id de la VLAN root primary en modo de
configuración global. La prioridad del switch se establece en el valor predefinido de
24 576 o en el siguiente valor de reducción de 4096 por debajo de la menor prioridad
de puente detectada en la red. Si desea contar con un puente raíz alternativo, utilice el
comando spanning-tree vlan id de la VLAN root secondary en modo de configuración
global. Este comando establece la prioridad para el switch al valor preferido 28 672.
global. Este comando establece la prioridad para el switch al valor preferido 28 672.
Esto asegura que este switch se convierta en el puente raíz si el puente raíz principal
falla y se produce una nueva elección de puente raíz y se supone que el resto de los
switches de la red tienen establecido el valor de prioridad predeterminado 32 768
definido.
Método 2: otro método para configurar el valor de prioridad de puente es mediante el
comando spanning-tree vlan id de la VLAN priority valor en modo de configuración
global. Este comando proporciona más control granular sobre el valor de prioridad de
puente. El valor de prioridad se configura en incrementos de 4096 entre 0 y 65 536.

Se puede configurar el valor de prioridad del puerto a través del comando spanning-
tree port-priority valor en modo de configuración de interfaz. Los valores de prioridad
de puerto oscilan entre 0 y 240, en incrementos de 16. El valor de prioridad de puerto
predeterminado es 128. Al igual que con la prioridad de puente, los valores de
prioridad de puerto menores proporcionan al puerto una mayor prioridad.
Cuando el switch decide utilizar un puerto por sobre otro como puerto raíz, este último
se configura como puerto no designado para evitar la generación de bucles.

El spanning tree queda determinado inmediatamente después de que el switch finaliza
el proceso de arranque. Si un puerto de switch experimenta una transición directa
desde el estado de bloqueo al estado de enviar, dicho puerto puede crear
temporalmente un bucle de datos si el switch no advierte toda la información de la
topología en ese momento. Por esta razón, STP introduce cinco estados de puertos.
Cuando STP está habilitado, todos los puertos de switch de la red atraviesan el estado
de bloqueo y los estados transitorios escuchar y aprender al iniciarse. Luego los puertos
se estabilizan al estado de enviar o de bloqueo

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.
Estos valores permiten el tiempo adecuado para la convergencia en la red con un
diámetro de switch de valor siete. Recuerde que el diámetro de switch es la cantidad de
switches que debe atravesar una trama para viajar a través de los dos puntos más
lejanos del dominio de broadcast. Un diámetro de switch de siete es el valor mayor
permitido por STP debido a los tiempos de convergencia. Si se ajusta el valor del
diámetro del spanning-tree en el puente raíz a un valor menor, automáticamente se
ajustan los temporizadores de retardo de envío y la antigüedad máxima en forma
proporcional según el nuevo diámetro.

Para configurar un diámetro de red distinto en STP, utilice el comando spanning-tree
vlan id de la VLAN root primary diameter valor en modo de configuración global en el
switch puente raíz.
4. Tecnologías STP 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. Debido a que el objetivo de PortFast es minimizar el tiempo que los puertos
de acceso deben esperar para la convergencia de spanning tree, sólo debe utilizarse en
puertos de acceso. Si se habilita PortFast en un puerto conectado a otro switch, se corre
el riesgo de generar un bucle de spanning-tree.

4. Tecnologías STP de Cisco
Para configurar PortFast en un puerto de switch, ingrese el comando spanning-tree
portfast en modo de configuración de interfaz en todas las interfaces en las que se
habilitará PortFast.
Para deshabilitar PortFast, ingrese el comando no spanning-tree portfast en modo de
configuración de interfaz en todas las interfaces en las que se deshabilitará PortFast.
Para verificar que PortFast se ha habilitado para un puerto de switch, utilice el comando
show running-config en modo EXEC privilegiado. La ausencia del comando spanning-
tree portfast en la configuración en ejecución de una interfaz indica que PortFast se ha
tree portfast en la configuración en ejecución de una interfaz indica que PortFast se ha
deshabilitado para la misma. PortFast está deshabilitado en todas las interfaces de
manera predeterminada.

5. Variantes de STP
Al igual que con muchos estándares de redes, la evolución de STP se ha enfocado en la
necesidad de crear especificaciones para toda la industria cuando los protocolos de
propiedad son estándares de hecho. Cuando un protocolo de propiedad es tan
predominante que todos sus competidores del mercado deben contar con soporte para
el mismo, las agencias como el IEEE intervienen y crean una especificación pública. La
evolución de STP ha seguido este mismo camino, como puede verse en la tabla.

5. Variantes de STP
Protocol VLAN Spanning Tree: Cisco desarrolló PVST+ para que una red pueda ejecutar
una instancia de STP para cada VLAN de la red. Con PVST+ puede bloquearse más de un
enlace troncal en una VLAN y puede implementarse la carga compartida. Es el que por
defecto está activo en los switches Cisco.

5. Variantes de STP
Protocol VLAN Spanning Tree: comandos PVST+

5. Variantes de STP
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. RSTP aumenta la velocidad
de recálculo del spanning tree cuando cambia la topología de la red de la 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. RSTP (802.1w) utiliza
BPDU tipo 2, versión 2, de manera que un puente en RSTP puede comunicar a 802.1D
en cualquier enlace compartido o con cualquier switch que ejecute 802.1D.
A diferencia de PortFast, un puerto de extremo de RSTP que recibe una BPDU pierde su
estado de puerto de extremo en forma inmediata y se convierte en un puerto normal
de spanning-tree. La implementación de RSTP de Cisco mantiene la palabra clave
PortFast mediante el comando spanning-tree portfast para la configuración del puerto
de extremo.

5. Variantes de STP
PVST+ rápido es una implementación de Cisco de RSTP. Admite spanning tree para cada
VLAN y es la variante rápida de STP para utilizar en redes de Cisco. La topología de la
figura posee dos VLAN: 10 y 20. La configuración final implementará PVST+ rápido en el
switch S1, que es el puente raíz.

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