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Spanning tree

En comunicaciones, STP (del inglés Spanning Tree Protocol) es un protocolo de red de capa 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.

Historia

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

Motivación

Los bucles ocurren cuando hay rutas alternativas hacia un mismo destino (sea una máquina o segmento de red). Estas rutas alternativas son necesarias para proporcionar redundancia y así ofrecer una mayor fiabilidad a la red, dado que en caso de que un enlace falle, los otros pueden seguir soportando el tráfico de ésta. Los problemas aparecen cuando utilizamos dispositivos de interconexión de nivel de enlace, como un puente de red o un conmutador de paquetes.

Cuando existen bucles en la topología de red, los dispositivos de interconexión de nivel de enlace de datos reenvían indefinidamente las tramas broadcast y multicast, creando así un bucle infinito que consume tanto el ancho de banda de la red como CPU de los dispositivos de enrutamiento. Esto provoca que se degrade el rendimiento de la red en muy poco tiempo, pudiendo incluso llegar a quedar inutilizable. Al no existir un campo TTL (tiempo de vida) en las tramas de capa 2, éstas se quedan atrapadas indefinidamente hasta que un administrador de sistemas rompa el bucle. Un router, por el contrario, sí podría evitar este tipo de reenvíos indefinidos. La solución consiste en permitir la existencia de enlaces físicos redundantes, pero creando una topología lógica libre de bucles. STP calcula una única ruta libre de bucles entre los dispositivos de la red pero manteniendo los enlaces redundantes desactivados como reserva, con el fin de activarlos en caso de fallo.

Si la configuración de STP cambia, o si un segmento en la red redundante llega a ser inalcanzable, el algoritmo reconfigura los enlaces y restablece la conectividad, activando uno de los enlaces de reserva. Si el protocolo falla, es posible que ambas conexiones estén activas simultáneamente, lo que podrían dar lugar a un bucle de tráfico infinito en la LAN.

El árbol de expansión (Spanning tree) permanece vigente hasta que ocurre un cambio en la topología, situación que el protocolo es capaz de detectar de forma automática. El máximo tiempo de duración del árbol de expansión es de cinco minutos. Cuando ocurre uno de estos cambios, el puente raíz actual redefine la topología del árbol de expansión o se elige un nuevo puente raíz.

Funcionamiento

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).

El protocolo establece identificadores por puente y elige el que tiene la prioridad más alta (el número más bajo de prioridad numérica), como el puente raíz (Root Bridge). Este puente raíz establecerá el camino de menor coste para todas las redes; cada puerto tiene un parámetro configurable: el Span path cost. Después, entre todos los puentes que conectan un segmento de red, se elige un puente designado, el de menor coste (en el caso que haya el mismo coste en dos puentes, se elige el que tenga el menor identificador "dirección MAC"), para transmitir las tramas hacia la raíz. En este puente designado, el puerto que conecta con el segmento, es el puerto designado y el que ofrece un camino de menor coste hacia la raíz, el puerto raíz. Todos los demás puertos y caminos son bloqueados, esto es en un estado ya estacionario de funcionamiento.

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 Address. 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. En caso de empate, el switch root sería el que menor MAC tuviera. El administrador de red puede establecer la prioridad de switch en un valor más pequeño que el del valor por defecto (32768), el nuevo valor debe ser múltiplo de 4096, 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 dirección MAC que tenga menor valor para calcular el costo y establecer el puerto raíz.

Elección de los puertos designados

Una 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, este coste 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 coste menor el puerto con una mayor velocidad. Si hubiese empate entre los costes administrativos que tienen los dos switches para llegar al root bridge, entonces se elegirá como Designated 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. Estos puertos evitan los lazos.

Mantenimiento del Spanning Tree

El cambio en la topología puede ocurrir de dos formas:

  • El puerto se desactiva o se bloquea
  • El puerto pasa de estar bloqueado o desactivado a activado

Cuando se detecta un cambio el switch notifica al puente raíz dicho cambio y entonces el puente raíz envía por broadcast dicho cambio. Para ello, 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 que recibe la TCN se denomina puente designado y realiza el acuse de recibo 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.

Unidades de datos del protocolo puente

Las reglas anteriores describen una forma de determinar qué árbol de expansión será calculado por el algoritmo, pero las reglas como están escritas requieren el conocimiento de toda la red . Los puentes tienen que determinar el puente raíz y calcular las funciones de los puertos (de raíz , designados o bloqueados) con sólo la información que tienen. Para asegurarse de que cada puente tiene suficiente información , los puentes utilizan tramas de datos especiales llamados Unidades de Datos de Protocolo Puente (BPDU) para intercambiar información acerca de los identificadores de puentes y costes de la ruta raíz .

Un puente envía una trama de BPDU usando la dirección MAC única del propio puerto como dirección de origen , y una dirección de destino la dirección multicast STP 01:80:C2:00:00:00.

Hay dos tipos de BPDU en la especificación original STP (The Rapid Spanning Tree (RSTP)) utiliza una BPDU RSTP específica:

  • Configuración de BPDU (CBPDU) , utilizado para el cálculo de árbol de expansión
  • Notificación de cambio de topología (TCN) BPDU , utilizado para anunciar los cambios en la topología de red

BPDU se intercambian regularmente (cada 2 segundos de forma predeterminada) y permiten a los switches, realizar un seguimiento de cambios en la red y para iniciar y detener el reenvío de puertos según sea necesario.

Cuando un dispositivo se conecta primero a un puerto de un switch , no iniciará de inmediato a enviar datos. En su lugar, pasará por una serie de estados mientras procesa BPDU y determina la topología de la red. Cuando un host se une , como un ordenador , impresora o un servidor, el puerto siempre va a entrar en el estado de envío , aunque con un retraso de unos 30 segundos, mientras que pasa a través de la escucha y de los estados de aprendizaje (ver más abajo). El tiempo pasado en los estados de escucha y aprendizaje está determinado por un valor conocido como el retardo de envío (por defecto 15 segundos y fijado por el puente de la raíz).

Sin embargo , si en lugar otro switch está conectado , el puerto puede permanecer en modo de bloqueo , si se determina que causaría un bucle en la red . Notificación de cambio de topología ( TCN ) BPDU se utilizan para informar a otros conmutadores de puerto cambia . TCN se inyectan en la red mediante un switch que no sea root y propagado a la raíz . Tras la recepción de la TCN , el switch de la raíz establecerá una bandera de cambio de topología en su BPDU normal. Esta flag se propaga a todos los otros switches para instruirlos a envejecer rápidamente sus entradas de la tabla de reenvío.

Estado de los puertos

Los estados en los que puede estar un puerto son los siguientes:

  • Bloqueo: En este estado se pueden recibir BPDU's pero no las enviará. Las tramas de datos se descartan y no se actualizan las tablas de direcciones MAC (mac-address-table). Los switch comienzan en este estado ya que si realizan envíos (forwarding) podrían estar generando un loop o bucle.
  • Escucha: A este estado se llega desde Bloqueo. En este estado, los switches determinan si existe alguna otra ruta hacia el puente raíz. En el caso que la nueva ruta tenga un coste mayor, se vuelve al estado de Bloqueo. Las tramas de datos se descartan y no se actualiza la tabla de direcciones MAC (mac-address-table). Se procesan las BPDU.
  • Aprendizaje: A este estado se llega desde Escucha. Las tramas de datos se descartan pero ya se actualizan las tablas de direcciones MAC (aquí es donde se aprenden por primera vez). Se procesan las BPDU.
  • Envío: A este estado se llega desde Aprendizaje, en este estado el puerto puede enviar y recibir datos. Las tramas de datos se envían y se actualizan las tablas de direcciones MAC (mac-address-table). Se procesan las BPDU.
  • Desactivado: A este estado se llega desde cualquier otro. Se produce cuando un administrador deshabilita el puerto o éste falla. No se procesan las BPDU.

Véase también

  • IEEE 802.1w - 2004 Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)
  • IEEE 802.1s - 2005 Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP)
  • IEEE 802.1aq - 2012 Shortest path bridging (SPB)

Enlaces externos

Como se construye un spanning tree

  •   Datos: Q852555
  •   Multimedia: Spanning tree protocol

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En comunicaciones STP del ingles Spanning Tree Protocol es un protocolo de red de capa 2 del modelo OSI capa de enlace de datos Su funcion es la de gestionar la presencia de bucles en topologias 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 interconexion activar o desactivar automaticamente los enlaces de conexion de forma que se garantice la eliminacion de bucles STP es transparente a las estaciones de usuario Indice 1 Historia 2 Motivacion 3 Funcionamiento 3 1 Eleccion del puente raiz 3 2 Eleccion de los puertos raiz 3 3 Eleccion de los puertos designados 3 4 Puertos bloqueados 3 5 Mantenimiento del Spanning Tree 3 6 Unidades de datos del protocolo puente 3 7 Estado de los puertos 4 Vease tambien 5 Enlaces externosHistoria EditarEsta basado en un algoritmo disenado 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 si En la actualidad se recomienda utilizar la version estandarizada por el IEEE Existen multiples variantes del STP debido principalmente al tiempo que tarda en converger el algoritmo utilizado Una de estas variantes es el Rapid Spanning Tree Protocol estandar IEEE 802 1D 2004 que hoy en dia ha reemplazado el uso del STP original 2012 IEEE 802 1aq fue aprobado como un estandar para reemplazar IEEE 802 1D IEEE 802 1w IEEE 802 1sMotivacion EditarLos bucles ocurren cuando hay rutas alternativas hacia un mismo destino sea una maquina o segmento de red Estas rutas alternativas son necesarias para proporcionar redundancia y asi ofrecer una mayor fiabilidad a la red dado que en caso de que un enlace falle los otros pueden seguir soportando el trafico de esta Los problemas aparecen cuando utilizamos dispositivos de interconexion de nivel de enlace como un puente de red o un conmutador de paquetes Cuando existen bucles en la topologia de red los dispositivos de interconexion de nivel de enlace de datos reenvian indefinidamente las tramas broadcast y multicast creando asi un bucle infinito que consume tanto el ancho de banda de la red como CPU de los dispositivos de enrutamiento Esto provoca que se degrade el rendimiento de la red en muy poco tiempo pudiendo incluso llegar a quedar inutilizable Al no existir un campo TTL tiempo de vida en las tramas de capa 2 estas se quedan atrapadas indefinidamente hasta que un administrador de sistemas rompa el bucle Un router por el contrario si podria evitar este tipo de reenvios indefinidos La solucion consiste en permitir la existencia de enlaces fisicos redundantes pero creando una topologia logica libre de bucles STP calcula una unica ruta libre de bucles entre los dispositivos de la red pero manteniendo los enlaces redundantes desactivados como reserva con el fin de activarlos en caso de fallo Si la configuracion de STP cambia o si un segmento en la red redundante llega a ser inalcanzable el algoritmo reconfigura los enlaces y restablece la conectividad activando uno de los enlaces de reserva Si el protocolo falla es posible que ambas conexiones esten activas simultaneamente lo que podrian dar lugar a un bucle de trafico infinito en la LAN El arbol de expansion Spanning tree permanece vigente hasta que ocurre un cambio en la topologia situacion que el protocolo es capaz de detectar de forma automatica El maximo tiempo de duracion del arbol de expansion es de cinco minutos Cuando ocurre uno de estos cambios el puente raiz actual redefine la topologia del arbol de expansion o se elige un nuevo puente raiz Funcionamiento EditarEl algoritmo transforma una red fisica con forma de malla en la que existen bucles por una red logica en forma de arbol libre de bucles Los puentes se comunican mediante mensajes de configuracion llamados Bridge Protocol Data Units BPDU El protocolo establece identificadores por puente y elige el que tiene la prioridad mas alta el numero mas bajo de prioridad numerica como el puente raiz Root Bridge Este puente raiz establecera el camino de menor coste para todas las redes cada puerto tiene un parametro configurable el Span path cost Despues entre todos los puentes que conectan un segmento de red se elige un puente designado el de menor coste en el caso que haya el mismo coste en dos puentes se elige el que tenga el menor identificador direccion MAC para transmitir las tramas hacia la raiz En este puente designado el puerto que conecta con el segmento es el puerto designado y el que ofrece un camino de menor coste hacia la raiz el puerto raiz Todos los demas puertos y caminos son bloqueados esto es en un estado ya estacionario de funcionamiento Eleccion del puente raiz Editar La primera decision que toman todos los switches de la red es identificar el puente raiz ya que esto afectara al flujo de trafico Cuando un switch se enciende supone que es el switch raiz y envia las BPDUs que contienen la direccion MAC de si mismo tanto en el BID raiz como emisor El BID es el Bridge IDentifier Bridge Priority Bridge Mac Address El Bridge Priority es un valor configurable que por defecto esta asignado en 32768 El Bridge Mac Address es la direccion MAC unica del Puente Cada switch reemplaza los BID de raiz mas alta por BID de raiz mas baja en las BPDU que se envian Todos los switches reciben las BPDU y determinan que el switch que cuyo valor de BID raiz es el mas bajo sera el puente raiz En caso de empate el switch root seria el que menor MAC tuviera El administrador de red puede establecer la prioridad de switch en un valor mas pequeno que el del valor por defecto 32768 el nuevo valor debe ser multiplo de 4096 lo que hace que el BID sea mas pequeno Esto solo se debe implementar cuando se tiene un conocimiento profundo del flujo de trafico en la red Eleccion de los puertos raiz Editar Una vez elegido el puente raiz hay que calcular el puerto raiz para los otros puentes que no son raiz El procedimiento a seguir para cada puente es el mismo entre todos los puertos del puente se escoge como puerto raiz el puerto que tenga el menor costo hasta el puente raiz En el caso de que haya dos o mas puertos con el mismo costo hacia el puente raiz se utiliza la direccion MAC que tenga menor valor para calcular el costo y establecer el puerto raiz Eleccion de los puertos designados Editar Una vez elegido el puente raiz y los puertos raiz de los otros puentes pasamos a calcular los puertos designados de cada segmento de red En cada enlace que exista entre dos switches habra un puerto designado el cual sera el puerto del switch que tenga un menor coste para llegar al puente raiz este coste administrativo sera un valor que estara relacionado al tipo de enlace que exista en el puerto Ethernet FastEthernet GigabitEthernet Cada tipo de enlace tendra un coste administrativo distinto siendo de un coste menor el puerto con una mayor velocidad Si hubiese empate entre los costes administrativos que tienen los dos switches para llegar al root bridge entonces se elegira como Designated Port el puerto del switch que tenga un menor Bridge ID BID Puertos bloqueados Editar Aquellos puertos que no sean elegidos como raiz ni como designados deben bloquearse Estos puertos evitan los lazos Mantenimiento del Spanning Tree Editar El cambio en la topologia puede ocurrir de dos formas El puerto se desactiva o se bloquea El puerto pasa de estar bloqueado o desactivado a activadoCuando se detecta un cambio el switch notifica al puente raiz dicho cambio y entonces el puente raiz envia por broadcast dicho cambio Para ello se introduce una BPDU especial denominada notificacion de cambio en la topologia TCN Cuando un switch necesita avisar acerca de un cambio en la topologia comienza a enviar TCN en su puerto raiz La TCN es una BPDU muy simple que no contiene informacion y se envia durante el intervalo de tiempo de saludo El switch que recibe la TCN se denomina puente designado y realiza el acuse de recibo mediante el envio inmediato de una BPDU normal con el bit de acuse de recibo de cambio en la topologia TCA Este intercambio continua hasta que el puente raiz responde Unidades de datos del protocolo puente Editar Las reglas anteriores describen una forma de determinar que arbol de expansion sera calculado por el algoritmo pero las reglas como estan escritas requieren el conocimiento de toda la red Los puentes tienen que determinar el puente raiz y calcular las funciones de los puertos de raiz designados o bloqueados con solo la informacion que tienen Para asegurarse de que cada puente tiene suficiente informacion los puentes utilizan tramas de datos especiales llamados Unidades de Datos de Protocolo Puente BPDU para intercambiar informacion acerca de los identificadores de puentes y costes de la ruta raiz Un puente envia una trama de BPDU usando la direccion MAC unica del propio puerto como direccion de origen y una direccion de destino la direccion multicast STP 01 80 C2 00 00 00 Hay dos tipos de BPDU en la especificacion original STP The Rapid Spanning Tree RSTP utiliza una BPDU RSTP especifica Configuracion de BPDU CBPDU utilizado para el calculo de arbol de expansion Notificacion de cambio de topologia TCN BPDU utilizado para anunciar los cambios en la topologia de redBPDU se intercambian regularmente cada 2 segundos de forma predeterminada y permiten a los switches realizar un seguimiento de cambios en la red y para iniciar y detener el reenvio de puertos segun sea necesario Cuando un dispositivo se conecta primero a un puerto de un switch no iniciara de inmediato a enviar datos En su lugar pasara por una serie de estados mientras procesa BPDU y determina la topologia de la red Cuando un host se une como un ordenador impresora o un servidor el puerto siempre va a entrar en el estado de envio aunque con un retraso de unos 30 segundos mientras que pasa a traves de la escucha y de los estados de aprendizaje ver mas abajo El tiempo pasado en los estados de escucha y aprendizaje esta determinado por un valor conocido como el retardo de envio por defecto 15 segundos y fijado por el puente de la raiz Sin embargo si en lugar otro switch esta conectado el puerto puede permanecer en modo de bloqueo si se determina que causaria un bucle en la red Notificacion de cambio de topologia TCN BPDU se utilizan para informar a otros conmutadores de puerto cambia TCN se inyectan en la red mediante un switch que no sea root y propagado a la raiz Tras la recepcion de la TCN el switch de la raiz establecera una bandera de cambio de topologia en su BPDU normal Esta flag se propaga a todos los otros switches para instruirlos a envejecer rapidamente sus entradas de la tabla de reenvio Estado de los puertos Editar Los estados en los que puede estar un puerto son los siguientes Bloqueo En este estado se pueden recibir BPDU s pero no las enviara Las tramas de datos se descartan y no se actualizan las tablas de direcciones MAC mac address table Los switch comienzan en este estado ya que si realizan envios forwarding podrian estar generando un loop o bucle Escucha A este estado se llega desde Bloqueo En este estado los switches determinan si existe alguna otra ruta hacia el puente raiz En el caso que la nueva ruta tenga un coste mayor se vuelve al estado de Bloqueo Las tramas de datos se descartan y no se actualiza la tabla de direcciones MAC mac address table Se procesan las BPDU Aprendizaje A este estado se llega desde Escucha Las tramas de datos se descartan pero ya se actualizan las tablas de direcciones MAC aqui es donde se aprenden por primera vez Se procesan las BPDU Envio A este estado se llega desde Aprendizaje en este estado el puerto puede enviar y recibir datos Las tramas de datos se envian y se actualizan las tablas de direcciones MAC mac address table Se procesan las BPDU Desactivado A este estado se llega desde cualquier otro Se produce cuando un administrador deshabilita el puerto o este falla No se procesan las BPDU Vease tambien EditarIEEE 802 1w 2004 Rapid Spanning Tree Protocol RSTP IEEE 802 1s 2005 Multiple Spanning Tree Protocol MSTP IEEE 802 1aq 2012 Shortest path bridging SPB Enlaces externos EditarComo se construye un spanning tree Datos Q852555 Multimedia Spanning tree protocol Obtenido de https es wikipedia org w index php title Spanning tree amp oldid 136750152, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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