Protocolo de árbol de expansión

El Protocolo de Árbol de Expansión ( STP ) es un protocolo de red que crea una topología lógica sin bucles para redes Ethernet . La función básica de STP es prevenir los bucles de puente y la propagación de señales que estos generan. El árbol de expansión también permite que el diseño de la red incluya enlaces de respaldo, lo que proporciona tolerancia a fallos en caso de que falle un enlace activo.

Como su nombre indica, STP crea un árbol de expansión que caracteriza la relación entre los nodos dentro de una red de puentes de capa 2 conectados , y desactiva los enlaces que no forman parte de dicho árbol, dejando una única ruta activa entre cualquier par de nodos de la red. STP se basa en un algoritmo inventado por Radia Perlman mientras trabajaba para Digital Equipment Corporation . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

En 2001, el IEEE introdujo el Protocolo de Árbol de Expansión Rápida ( RSTP ) como estándar 802.1w. RSTP proporciona una recuperación significativamente más rápida ante cambios o fallos en la red, introduciendo nuevos comportamientos de convergencia y funciones de puerto puente para lograrlo. RSTP fue diseñado para ser compatible con versiones anteriores del protocolo STP estándar.

STP se estandarizó originalmente como IEEE 802.1D, pero la funcionalidad de árbol de expansión (802.1D), árbol de expansión rápida (802.1w) y protocolo de árbol de expansión múltiple (802.1s) se ha incorporado desde entonces a IEEE 802.1Q-2014 . ^{[ 3 ]}

Si bien STP todavía se utiliza hoy en día, en muchas redes modernas su uso principal es como mecanismo de protección contra bucles en lugar de como mecanismo de tolerancia a fallos. Los protocolos de agregación de enlaces , como LACP , combinan múltiples enlaces para proporcionar tolerancia a fallos a nivel de enlace, al tiempo que aumentan la capacidad general del enlace. Sin embargo, la implementación de redundancia a nivel de conmutador requiere agregación de enlaces multichasis , de la cual solo existen variantes propietarias. El protocolo Shortest Path Bridging combina el reenvío sin bucles y la agregación de enlaces, pero aún no ha alcanzado la popularidad de STP o LACP ( a fecha de 2026)..

Operación del protocolo

Puentes con implementación del Protocolo Spanning Tree en una red de área local (LAN). Un puente es el puente raíz STP . Todos los puertos de puente que conectan un enlace entre dos puentes son puertos raíz (RP), puertos designados (DP) o puertos bloqueados (BP).

Tras un fallo en un enlace, el algoritmo del árbol de expansión calcula y genera un nuevo árbol de menor coste.

La necesidad del Protocolo de Árbol de Expansión (STP) surgió porque los conmutadores en las redes de área local (LAN) a menudo se interconectan mediante enlaces redundantes para mejorar la resiliencia en caso de que falle una conexión. ^{[ 4 ]}^{: 386} Sin embargo, esta configuración de conexión crea un bucle de conmutación que da lugar a radiaciones de difusión e inestabilidad de la tabla MAC . ^{[ 4 ]}^{: 388} Si se utilizan enlaces redundantes para conectar conmutadores, entonces es necesario evitar los bucles de conmutación. ^{[ 4 ]}^{: 385}

Para evitar los problemas asociados con los enlaces redundantes en una LAN conmutada, se implementa STP en los conmutadores para monitorear la topología de la red. Cada enlace entre conmutadores, y en particular los enlaces redundantes, se cataloga. El algoritmo de árbol de expansión bloquea el reenvío en los enlaces redundantes estableciendo un enlace preferido entre los conmutadores de la LAN. Este enlace preferido se utiliza para todas las tramas Ethernet a menos que falle, en cuyo caso se habilita un enlace redundante no preferido. Cuando se implementa en una red, STP designa un conmutador de capa 2 como puente raíz . Todos los conmutadores seleccionan entonces su mejor conexión hacia el puente raíz para el reenvío y bloquean los demás enlaces redundantes. Todos los conmutadores se comunican constantemente con sus vecinos en la LAN mediante unidades de datos de protocolo de puente ( BPDU ). ^{[ 4 ]}^{: 388}

Siempre que exista más de un enlace entre dos conmutadores, el puente raíz STP calcula el costo de cada ruta en función del ancho de banda. STP seleccionará la ruta con el menor costo, es decir, el mayor ancho de banda, como enlace preferido. STP habilitará este enlace preferido como la única ruta que se utilizará para las tramas Ethernet entre los dos conmutadores y deshabilitará todos los demás enlaces posibles designando los puertos del conmutador que conectan la ruta preferida como puerto raíz . ^{[ 4 ]}^{: 393}

Una vez que los switches con STP habilitado en una LAN han elegido el puente raíz, todos los puentes que no son raíz asignan uno de sus puertos como puerto raíz. Este puede ser el puerto que conecta el switch con el puente raíz o, si existen varias rutas, el puerto con la ruta preferida según lo calculado por el puente raíz. Dado que no todos los switches están conectados directamente al puente raíz, se comunican entre sí mediante BPDU de STP. Cada switch suma el costo de su propia ruta al costo recibido de los switches vecinos para determinar el costo total de una ruta determinada hacia el puente raíz. Una vez sumado el costo de todas las rutas posibles hacia el puente raíz, cada switch asigna un puerto como puerto raíz que se conecta a la ruta con el menor costo o el mayor ancho de banda que finalmente conducirá al puente raíz. ^{[ 4 ]}^{: 394}

Costo de la ruta

El costo de ruta predeterminado de STP se calculó originalmente mediante la fórmula $1 Gbit/s / ancho de banda .$ Cuando se dispuso de velocidades más rápidas, los valores predeterminados se ajustaron, ya que de lo contrario las velocidades superiores a 1 Gbit/s habrían sido indistinguibles para STP. Su sucesor, RSTP, utiliza una fórmula similar con un numerador mayor: $20$ $Tbit/s$ $/$ $ancho de banda$ $.$ Estas fórmulas dan lugar a los valores de ejemplo de la tabla. ^[⁵^]^:¹⁵⁴

Estados portuarios

Todos los puertos del switch en la LAN donde STP está habilitado están categorizados. ^{[ 4 ]}^{: 388}

Bloqueo: Un puerto que, de estar activo, provocaría un bucle de conmutación. Para evitar el uso de rutas en bucle, no se envían ni se reciben datos de usuario a través de un puerto bloqueado. Los datos BPDU se siguen recibiendo en estado de bloqueo. Un puerto bloqueado puede pasar al modo de reenvío si fallan los demás enlaces en uso y el algoritmo de árbol de expansión determina que el puerto puede transitar a dicho estado.
Escuchando: El conmutador procesa las BPDU y espera información nueva que podría provocar que vuelva al estado de bloqueo. No actualiza la tabla MAC ni reenvía tramas.
Aprendiendo: Si bien el puerto aún no reenvía tramas, sí aprende las direcciones de origen de las tramas recibidas y las agrega a la tabla MAC.
Reenvío: Un puerto en funcionamiento normal recibe y reenvía tramas. El puerto monitoriza las BPDU entrantes que indicarían que debe volver al estado de bloqueo para evitar un bucle.
Desactivado: Un administrador de red ha deshabilitado manualmente el puerto del switch.

Cuando un dispositivo se conecta por primera vez a un puerto de un switch, no comienza a reenviar datos inmediatamente. En su lugar, pasa por varios estados mientras procesa las BPDU y determina la topología de la red. El puerto conectado a un host, como un ordenador, una impresora o un servidor, siempre entra en el estado de reenvío, aunque tras un retardo de unos 30 segundos mientras pasa por los estados de escucha y aprendizaje. El tiempo que se pasa en los estados de escucha y aprendizaje viene determinado por un valor conocido como retardo de reenvío (15 segundos por defecto, configurado por el puente raíz). Si se conecta otro switch, el puerto puede permanecer en modo de bloqueo si se determina que causaría un bucle en la red. Las BPDU de notificación de cambio de topología (TCN) se utilizan para informar a otros switches de los cambios de puerto. Las TCN se inyectan en la red mediante un switch que no es el raíz y se propagan hasta el switch raíz. Al recibir la TCN, el switch raíz activa el indicador de cambio de topología en sus BPDU normales. Este indicador se propaga a todos los demás switches y les indica que eliminen rápidamente las entradas de su tabla de reenvío.

Configuración

Antes de configurar STP, la topología de red debe planificarse cuidadosamente. ^{[ 6 ]}^{: 506, 511} La configuración básica requiere que STP esté habilitado en todos los switches de la LAN y que se haya elegido la misma versión de STP en cada uno. El administrador puede determinar qué switch será el puente raíz y configurar los switches adecuadamente. Si el puente raíz se cae, el protocolo asignará automáticamente un nuevo puente raíz en función del ID del puente. Si todos los switches tienen el mismo ID de puente, como el ID predeterminado, y el puente raíz se cae, se produce un empate y el protocolo asignará un switch como puente raíz en función de las direcciones MAC del switch. Una vez que a los switches se les ha asignado un ID de puente y el protocolo ha elegido el switch del puente raíz, se calcula la mejor ruta hacia el puente raíz en función del costo del puerto, el costo de la ruta y la prioridad del puerto. ^{[ 6 ]}^{: 506} En última instancia, STP calcula el costo de la ruta en función del ancho de banda de un enlace. Los administradores pueden influir en la elección de la ruta preferida del protocolo configurando el costo del puerto; Cuanto menor sea el costo del puerto, mayor será la probabilidad de que el protocolo elija el enlace conectado como puerto raíz para la ruta preferida. ^{[ 6 ]}^{: 511} La selección de cómo otros conmutadores en la topología eligen su puerto raíz, o la ruta de menor costo hacia el puente raíz, puede verse influenciada por la prioridad del puerto. La prioridad más alta significará que la ruta será, en última instancia, menos preferida. Si todos los puertos de un conmutador tienen la misma prioridad, se elige el puerto con el número más bajo para reenviar tramas. ^{[ 6 ]}^{: 513}

Puente raíz y el ID del puente

El puente raíz del árbol de expansión es el puente con el ID de puente más pequeño (más bajo). Cada puente tiene un número de prioridad configurable y una dirección MAC; el ID del puente es la concatenación de la prioridad del puente y la dirección MAC. Por ejemplo, el ID de un puente con prioridad 32.768 y MAC 0200.0000.1111 es 32768.0200.0000.1111 . La prioridad predeterminada del puente es 32.768 y solo se puede configurar en múltiplos de 4096. ^{[ a ]} Al comparar dos ID de puente, primero se comparan las partes de prioridad y las direcciones MAC se comparan solo si las prioridades son iguales. El switch con la prioridad más baja de todos los switches será la raíz; si hay un empate, entonces el switch con la prioridad más baja y la dirección MAC más baja será la raíz. Por ejemplo, si los switches A (MAC = 0200.0000.1111 ) y B (MAC = 0200.0000.2222 ) tienen ambos una prioridad de 32.768, entonces el switch A será seleccionado como puente raíz. ^{[ b ]} Si los administradores de red desean que el switch B se convierta en el puente raíz, deben establecer su prioridad en un valor inferior a 32.768. ^{[ c ]}

Camino hacia el puente de la raíz

La secuencia de eventos para determinar la mejor BPDU recibida (que es la mejor ruta hacia la raíz) es:

ID de puente raíz más bajo (BID) : determina el puente raíz.
Menor coste para el puente raíz : favorece al conmutador ascendente con el menor coste para la raíz.
ID de puente remitente más bajo : sirve como criterio de desempate si varios conmutadores ascendentes tienen el mismo costo para la raíz.
ID de puerto de remitente más bajo : sirve como criterio de desempate si un conmutador tiene múltiples enlaces (que no son EtherChannel ) a un único conmutador ascendente, donde:
- ID de puente = prioridad (4 bits) + extensión de ID de sistema asignada localmente (12 bits) + ID [dirección MAC] (48 bits); la prioridad de puente predeterminada es 32,768 y
- ID de puerto = prioridad (4 bits) + ID (número de interfaz) (12 bits); la prioridad de puerto predeterminada es 128.

Desempates

Puertos raíz: Cuando varios caminos desde un puente son caminos de menor costo, el camino elegido utiliza el puente vecino con el ID de puente más bajo. Por lo tanto, el puerto raíz es el que se conecta al puente con el ID de puente más bajo. Por ejemplo, en las figuras, si el conmutador 4 estuviera conectado al segmento de red d en lugar del segmento f, habría dos caminos de longitud 2 hacia la raíz, uno que pasa por el puente 24 y el otro por el puente 92. Dado que hay dos caminos de menor costo, el ID de puente más bajo (24) se usaría como criterio de desempate para elegir qué camino utilizar.
Caminos: Cuando más de un puente en un segmento conduce a la ruta de menor costo hacia la raíz, el puente con el ID de puente más bajo se utiliza para reenviar los mensajes a la raíz. El puerto que conecta ese puente al segmento de red es el puerto designado para el segmento. En las figuras, hay dos rutas de menor costo desde el segmento de red d hasta la raíz, una que pasa por el puente 24 y la otra por el puente 92. El ID de puente más bajo es 24, por lo que el criterio de desempate determina que el puerto designado es el puerto a través del cual el segmento de red d está conectado al puente 24. Si los ID de puente fueran iguales, el puente con la dirección MAC más baja tendría el puerto designado. En cualquier caso, el puente perdedor establece el puerto como bloqueado.
Puertos designados: Cuando el puente raíz tiene más de un puerto en un mismo segmento de red, el ID del puente está efectivamente vinculado, al igual que todos los costos de ruta raíz (todos iguales a cero). El puerto en ese segmento de red con el ID de puerto más bajo se convierte en el puerto designado. Se pone en modo de reenvío, mientras que todos los demás puertos del puente raíz en ese mismo segmento de red se convierten en puertos no designados y se ponen en modo de bloqueo. ^{[ 8 ]} No todos los fabricantes de puentes siguen esta regla; en su lugar, designan todos los puertos del puente raíz y los ponen todos en modo de reenvío.
Desempate final: En algunos casos, aún puede haber un empate, como cuando el puente raíz tiene varios puertos activos en el mismo segmento de red (ver arriba) con costos de ruta raíz e ID de puente igualmente bajos, o, en otros casos, varios puentes están conectados por varios cables y varios puertos. En cada caso, un solo puente puede tener varios candidatos para su puerto raíz. En estos casos, los candidatos para el puerto raíz ya han recibido BPDU que ofrecen costos de ruta raíz igualmente bajos (es decir, los "mejores") e ID de puente igualmente bajos (es decir, los "mejores"), y el desempate final se lo lleva el puerto que recibió el ID de prioridad de puerto más bajo (es decir, el "mejor") o ID de puerto. ^{[ 9 ]}

Unidades de datos del protocolo puente

Las reglas anteriores describen una forma de determinar qué árbol de expansión calculará el algoritmo, pero, tal como están escritas, requieren conocimiento de toda la red. Los puentes deben determinar el puente raíz y calcular las funciones de los puertos (raíz, designado o bloqueado) con la información de la que disponen. Para garantizar que cada puente tenga suficiente información, utilizan tramas de datos especiales llamadas unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) para intercambiar información sobre el Protocolo de Árbol de Expansión, los identificadores de puente y los costos de la ruta raíz.

Dirección MAC de destino : 48 bits: La dirección MAC de destino es una dirección de multidifusión STP . La dirección de grupo de puente estándar IEEE 802 es 01:80:C2:00:00:00 . ^[¹¹^] Sin embargo, existen varias direcciones MAC de destino propietarias para STP, como la dirección Per-VLAN Spanning Tree propietaria de Cisco 01:00:0C:CC:CC:CD ^[¹²^] o la dirección de Extreme Networks 03:04:08:00:07:00 , y pueden usarse en lugar de la estándar.
Dirección MAC de origen : 48 bits: Un puente envía una trama BPDU utilizando la dirección MAC única del propio puerto como dirección de origen. La dirección 5C:A4:7D:1A:52:10 es un ejemplo.
Longitud : 16 bits: Longitud combinada del encabezado LLC, la carga útil BPDU y el FCS.
Control de enlace lógico (LLC) : 24 bits: Encabezado de control de enlace lógico.
Carga útil BPDU : Variable: La propia BPDU.
Secuencia de verificación de trama (FCS) : 32 bits: Suma de verificación del fotograma.

Las BPDU se intercambian periódicamente (cada 2 segundos por defecto) y permiten a los conmutadores realizar un seguimiento de los cambios en la red y activar o desactivar el reenvío en los puertos según sea necesario. Para evitar la demora al conectar hosts a un conmutador y durante ciertos cambios de topología, se desarrolló Rapid STP , que permite que un puerto del conmutador pase rápidamente al estado de reenvío en estas situaciones.

Tipos de BPDU

Hay dos tipos de BPDU en la especificación STP original (802.1D) ^{[ 5 ]}^{: 63} (la extensión Rapid Spanning Tree (RSTP) utiliza un BPDU RSTP específico).

Las BPDU IEEE 802.1D e IEEE 802.1aq tienen el siguiente formato:

ID de protocolo : 16 bits: Valor del ID de protocolo. Este valor se establece en 0x0000 para todas las BPDU.
ID de versión : 8 bits: ID de versión. Establecer en 0x00 para las BPDU de TCN.
Tipo de BPDU : 8 bits: El tipo de BPDU está configurado en 0x80 para los BPDU TCN.

BPDU de notificación de cambio de topología (TCN), utilizada para anunciar cambios en la topología de la red, como la activación o desactivación de un puerto.

ID de protocolo : 16 bits

Valor del ID de protocolo. Este valor se establece en 0x0000 para todas las BPDU y representa 802.1D.

ID de versión : 8 bits

ID de versión. Establecido en 0x00 para BPDU de configuración y TCN; 0x02 indica un BPDU RST; 0x03 indica un BPDU MST; y 0x04 indica un BPDU STP.

Tipo de BPDU : 8 bits

El tipo de BPDU está configurado en 0x80 para los BPDU TCN.

Banderas : 8 bits

Banderas.

Cambio de topología : 1 bit

0 o 1 para cambio de topología.

Propuesta : 1 bit

0 (sin usar) o 1 para Propuesta en BPDU RST/MST/SPT.

Función del puerto : 2 bits

00 (sin usar) o 01 para la función de puerto Alternativo/Respaldo en BPDU RST/MST/SPT. 10 para la función de puerto Raíz en BPDU RST/MST/SPT. 11 para la función de puerto Designado en BPD RST/MST/SPT.

Aprendizaje : 1 bit

0 (sin usar) o 1 para Aprendizaje en RST/MST/SPT BPDU.

Reenvío : 1 bit

0 (sin usar) o 1 para reenvío en BPDU RST/MST/SPT.

Acuerdo : 1 bit

0 (sin usar) o 1 para Acuerdo en BPDU RST/MST/SPT.

TCA : 1 bit

0 o 1 para la confirmación del cambio de topología.

ID raíz : 64 bits

Identificador raíz de CIST en BPDU MST/SPT. Este campo se divide en tres partes:

Prioridad : 4 bits

Prioridad del puente raíz.

Extensión de ID del sistema : 12 bits

Extensión de ID del sistema de puente raíz.

Dirección MAC : 48 bits

Dirección MAC del puente raíz.

Costo de la ruta raíz : 32 bits

Costo de ruta externa de CIST en BPDU MST/SPT

ID del puente : 64 bits

Identificador raíz regional de CIST en BPDU MST/SPT. Este campo se divide en tres partes:

Prioridad : 4 bits

Prioridad del puente.

Extensión de ID del sistema : 12 bits

Extensión de ID del sistema de puente.

Dirección MAC : 48 bits

Dirección MAC del puente.

ID de puerto : 2 bytes

ID del puerto.

Edad del mensaje : 2 bytes

En 1/256 segundos.

Edad máxima : 2 bytes

En 1/256 segundos.

Tiempo de hola : 2 bytes

En 1/256 segundos.

Retardo de avance : 2 bytes

En 1/256 segundos.

Versión 1 Longitud : 1 byte

0x00 no hay información de protocolo versión 1 presente. Solo BPDU RST, MST, SPT.

Versión 3 Longitud : 2 bytes

Solo versión 3; solo BPDU MST, SPT.

BPDU de configuración (CBPDU), utilizada para el cálculo del árbol de expansión y enviada por los puentes raíz para proporcionar información a todos los conmutadores.

Estándares del protocolo Spanning Tree

El primer Protocolo de Árbol de Expansión fue inventado en 1985 en la Digital Equipment Corporation por Radia Perlman . ^{[ 1 ]} En 1990, el IEEE publicó el primer estándar para el protocolo como 802.1D, ^{[ 13 ]} basado en el algoritmo diseñado por Perlman. Se publicaron versiones posteriores en 1998 ^{[ 14 ]} y 2004, ^{[ 15 ]} incorporando varias extensiones. El Protocolo de Árbol de Expansión original inspirado en Perlman, llamado DEC STP, no es un estándar y difiere de la versión IEEE en el formato de mensaje y en la configuración del temporizador. Algunos puentes implementan tanto la versión IEEE como la DEC del Protocolo de Árbol de Expansión, pero su interoperabilidad puede crear problemas para el administrador de red. ^{[ 16 ]}

No se garantiza la interoperabilidad entre las distintas implementaciones de un estándar , debido, por ejemplo, a diferencias en la configuración predeterminada del temporizador. El IEEE anima a los proveedores a que proporcionen una Declaración de Conformidad de Implementación del Protocolo , en la que se indiquen las capacidades y opciones implementadas ^{[ 15 ]} , para ayudar a los usuarios a determinar si las distintas implementaciones serán interoperables correctamente.

Protocolo de árbol de expansión rápida

En 2001, el IEEE introdujo el Protocolo de Árbol de Expansión Rápida (RSTP) como IEEE 802.1w . Posteriormente, RSTP se incorporó a IEEE 802.1D-2004, lo que hizo que el estándar STP original quedara obsoleto. ^{[ 17 ]} RSTP fue diseñado para ser retrocompatible con el estándar STP.

RSTP proporciona una convergencia del árbol de expansión significativamente más rápida tras un cambio de topología, introduciendo nuevos comportamientos de convergencia y roles de puerto de puente para lograrlo. Mientras que STP puede tardar entre 30 y 50 segundos en responder a un cambio de topología, RSTP suele responder a los cambios en 3 × tiempos de saludo (por defecto: 3 × 2 segundos) o en pocos milisegundos tras un fallo del enlace físico. El tiempo de saludo es un intervalo de tiempo importante y configurable que RSTP utiliza para diversos fines; su valor predeterminado es de 2 segundos. ^[¹⁸^]^[¹⁹^]

Operación de árbol de expansión rápida

RSTP añade nuevas funciones de puerto puente para acelerar la convergencia tras un fallo de enlace:

Puerto raíz : un puerto de reenvío que es el mejor puerto desde un puente no raíz a un puente raíz.
Designado : un puerto de reenvío para cada segmento de red.
Alternativo : una ruta alternativa al puente raíz. Esta ruta es diferente a la de usar el puerto raíz.
Copia de seguridad : una ruta de respaldo/redundante a un segmento donde ya se conecta otro puerto de puente.
Deshabilitado : aunque no forma parte estrictamente de STP, un administrador de red puede deshabilitar manualmente un puerto.

El número de estados en los que puede encontrarse un puerto de conmutación se ha reducido a tres en lugar de los cinco originales de STP:

Descartando : No se envían datos de usuario a través del puerto.
Aprendizaje : El puerto aún no reenvía tramas, pero está completando su tabla de direcciones MAC.
Transporte de mercancías : el puerto está en pleno funcionamiento.

Detalles operativos de RSTP:

La detección de fallos en el conmutador raíz se realiza en 3 tiempos de saludo, lo que equivale a 6 segundos si no se han modificado los tiempos de saludo predeterminados.
Los puertos pueden configurarse como puertos de borde si están conectados a una LAN sin otros puentes (según el proveedor, el modo admin-edge o portfast ). Estos puertos de borde pasan directamente al estado de reenvío, evitando problemas con los hosts que esperan que un enlace funcione de inmediato, por ejemplo, con DHCP . RSTP continúa monitorizando el puerto en busca de BPDU si hay un puente conectado. RSTP también puede configurarse para detectar automáticamente los puertos de borde. En cuanto el puente detecta una BPDU en un puerto de borde, este deja de ser un puerto de borde.
RSTP denomina la conexión entre dos o más conmutadores como una conexión de tipo enlace . Un puerto que opera en modo dúplex completo se considera un enlace punto a punto, mientras que un puerto semidúplex (a través de un concentrador) se considera un puerto compartido por defecto. Esta configuración automática del tipo de enlace puede modificarse mediante configuración explícita. RSTP mejora la convergencia en enlaces punto a punto al reducir el tiempo de Max-Age a tres veces el intervalo Hello, eliminando el estado de escucha de STP e intercambiando un handshake entre dos conmutadores para que el puerto pase rápidamente al estado de reenvío. RSTP no se comporta de forma diferente a STP en enlaces compartidos.
A diferencia de STP, RSTP responde a las BPDU enviadas desde el puente raíz. Un puente RSTP propone su información de árbol de expansión a sus puertos designados. Si otro puente RSTP recibe esta información y determina que es la información raíz superior, descarta todos sus demás puertos. El puente puede enviar una confirmación al primer puente para corroborar su información de árbol de expansión superior. Al recibir esta confirmación, el primer puente sabe que puede cambiar rápidamente el estado de reenvío de ese puerto, omitiendo la transición de estado de escucha/aprendizaje. Esto crea un efecto en cascada desde el puente raíz, donde cada puente designado propone a sus vecinos determinar si puede realizar una transición rápida. Este es uno de los elementos principales que permite a RSTP lograr tiempos de convergencia más rápidos que STP.
Como se explicó anteriormente en los detalles de la función del puerto, RSTP mantiene información de respaldo sobre el estado de descarte de los puertos. Esto evita tiempos de espera si los puertos de reenvío actuales fallan o si no se reciben BPDU en el puerto raíz en un intervalo determinado.
RSTP volverá al protocolo STP heredado en una interfaz si se detecta una versión heredada de una BPDU de STP en ese puerto.

Estándares para VLAN

STP y RSTP no segregan los puertos del switch por VLAN. ^{[ 20 ]} Sin embargo, en entornos Ethernet conmutados donde existen múltiples VLAN , a menudo es deseable crear múltiples árboles de expansión para que el tráfico en diferentes VLAN utilice diferentes enlaces.

Estándares propios

Antes de que el IEEE publicara un estándar del Protocolo Spanning Tree para VLAN, varios proveedores que vendían conmutadores compatibles con VLAN desarrollaron sus propias versiones del Protocolo Spanning Tree que eran compatibles con VLAN. Cisco desarrolló, implementó y publicó elEl protocolo propietario Per-VLAN Spanning Tree ( PVST ) utiliza su propio Inter-Switch Link (ISL) propietario para la encapsulación de VLAN , y PVST+ utiliza la encapsulación de VLAN 802.1Q . Ambos estándares implementan un árbol de expansión independiente para cada VLAN. Los switches de Cisco ahora implementan comúnmente PVST+ y solo pueden implementar árboles de expansión para VLAN si los demás switches en la LAN implementan el mismo protocolo STP de VLAN. HP proporciona compatibilidad con PVST y PVST+ en algunos de sus switches de red. ^[²⁰^] Algunos dispositivos de Force10 Networks , Alcatel-Lucent , Extreme Networks , Avaya , Brocade Communications Systems y BLADE Network Technologies admiten PVST+. ^[²¹^]^[²²^]^[²³^] Extreme Networks lo hace con dos limitaciones: falta de soporte en puertos donde la VLAN no está etiquetada/nativa, y también en la VLAN con ID 1. PVST+ puede tunelizar a través de una región MSTP. ^[²⁴^]

El fabricante de conmutadores Juniper Networks, a su vez, desarrolló e implementó su protocolo VSTP (VLAN Spanning Tree Protocol) para brindar compatibilidad con el protocolo PVST de Cisco, de modo que los conmutadores de ambos fabricantes puedan incluirse en una misma LAN. ^{[ 20 ]} El protocolo VSTP solo es compatible con las series EX y MX de Juniper Networks. Existen dos restricciones para la compatibilidad de VSTP:

VSTP solo admite 253 topologías de árbol de expansión diferentes. Si hay más de 253 VLAN, se recomienda configurar RSTP además de VSTP, y las VLAN que superen las 253 serán gestionadas por RSTP.
MVRP no admite VSTP. Si se utiliza este protocolo, la pertenencia a VLAN para las interfaces troncales debe configurarse estáticamente. ^{[ 25 ]}

Por defecto, VSTP utiliza el protocolo RSTP como su protocolo de árbol de expansión principal, pero se puede forzar el uso de STP si la red incluye puentes antiguos. ^{[ 26 ]} En la documentación oficial se publicó más información sobre la configuración de VSTP en conmutadores de Juniper Networks. ^{[ 27 ]}

Cisco también publicó una versión propietaria del protocolo Rapid Spanning Tree. Crea un árbol de expansión para cada VLAN, al igual que PVST. Cisco se refiere a esto comoÁrbol de expansión rápido por VLAN ( RPVST ).

Protocolo de árbol de expansión múltiple

El Protocolo de Árbol de Expansión Múltiple (MSTP), definido originalmente en IEEE 802.1s -2002 y posteriormente incorporado a IEEE 802.1Q -2005, define una extensión de RSTP para desarrollar aún más la utilidad de las VLAN.

En el estándar, un árbol de expansión que asigna una o más VLAN se denomina árbol de expansión múltiple (MST). Bajo MSTP, un árbol de expansión puede definirse para VLAN individuales o para grupos de VLAN. Además, el administrador puede definir rutas alternativas dentro de un árbol de expansión. Los conmutadores se asignan primero a una región MST, luego las VLAN se asignan a este MST. Un árbol de expansión común (CST) es un MST al que se asignan varias VLAN; este grupo de VLAN se denomina instancia de MST (MSTI). Los CST son compatibles con versiones anteriores de los estándares STP y RSTP. Un MST que tiene asignada solo una VLAN es un árbol de expansión interno (IST). ^{[ 20 ]}

A diferencia de algunas implementaciones propietarias de árbol de expansión por VLAN, ^{[ 28 ]} MSTP incluye toda su información de árbol de expansión en un único formato BPDU. Esto no solo reduce la cantidad de BPDU necesarias para comunicar la información del árbol de expansión para cada VLAN, sino que también garantiza la compatibilidad con versiones anteriores de RSTP y, en efecto, también con STP clásico. MSTP hace esto codificando una región adicional de información después del BPDU RSTP estándar, así como una cantidad de mensajes MSTI (de 0 a 64 instancias, aunque en la práctica muchos puentes admiten menos). Cada uno de estos mensajes de configuración MSTI transmite la información del árbol de expansión para cada instancia. A cada instancia se le puede asignar una cantidad de VLAN configuradas y las tramas asignadas a estas VLAN operan en esta instancia de árbol de expansión siempre que estén dentro de la región MST. Para evitar transmitir su mapeo completo de VLAN a árbol de expansión en cada BPDU, los puentes codifican un resumen MD5 de su VLAN a la tabla de instancias en el BPDU MSTP. Este resumen es utilizado posteriormente por otros puentes MSTP, junto con otros valores configurados administrativamente, para determinar si el puente vecino se encuentra en la misma región MST que él mismo.

MSTP es totalmente compatible con los puentes RSTP, ya que un BPDU MSTP puede ser interpretado por un puente RSTP como un BPDU RSTP. Esto no solo permite la compatibilidad con puentes RSTP sin cambios de configuración, sino que también hace que cualquier puente RSTP fuera de una región MSTP vea la región como un único puente RSTP, independientemente del número de puentes MSTP dentro de la propia región. Para facilitar aún más esta visión de una región MSTP como un único puente RSTP, el protocolo MSTP utiliza una variable conocida como saltos restantes como contador de tiempo de vida en lugar del temporizador de antigüedad del mensaje utilizado por RSTP. El tiempo de antigüedad del mensaje se incrementa solo una vez cuando la información del árbol de expansión entra en una región MST, por lo que los puentes RSTP verán una región como un solo salto en el árbol de expansión. Los puertos en el borde de una región MSTP conectados a un puente RSTP o STP o a un punto final se conocen como puertos de borde. Al igual que en RSTP, estos puertos se pueden configurar como puertos de borde para facilitar cambios rápidos en el estado de reenvío cuando se conectan a puntos finales.

Puente de ruta más corta

IEEE 802.1aq, también conocido como Shortest Path Bridging (SPB), permite que los enlaces redundantes entre conmutadores estén activos a través de múltiples rutas de igual coste, y proporciona topologías de capa 2 mucho más grandes, una convergencia más rápida y mejora el uso de las topologías de malla a través de un mayor ancho de banda entre todos los dispositivos al permitir que el tráfico comparta la carga a través de todas las rutas en una red de malla. ^{[ 29 ]}^{[ 30 ]} SPB consolida múltiples funcionalidades existentes, incluyendo Spanning Tree Protocol (STP), Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP), Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), agregación de enlaces y Multiple MAC Registration Protocol (MMRP) en un único protocolo de estado de enlace. ^{[ 31 ]}

Extensión de ID del sistema

El ID de puente (BID) es un campo dentro de un paquete BPDU. Tiene una longitud de ocho bytes. Los dos primeros bytes son la prioridad del puente, un entero sin signo de 0 a 65 535. Los últimos seis bytes son una dirección MAC proporcionada por el puente. Antes de IEEE 802.1D-2004, los dos primeros bytes daban una prioridad de puente de 16 bits. Desde IEEE 802.1D-2004, los primeros cuatro bits son una prioridad configurable, y los últimos doce bits llevan la extensión del ID del sistema de puente. En el caso de MST, la extensión del ID del sistema de puente lleva el número de instancia MSTP. Algunos proveedores configuran la extensión del ID del sistema de puente para que lleve un ID de VLAN, lo que permite un árbol de expansión diferente por VLAN, como PVST de Cisco .

Desventajas y práctica actual

El protocolo Spanning Tree es antiguo y requiere un tiempo de convergencia mayor. Su uso o implementación incorrectos pueden provocar interrupciones en la red. El bloqueo de enlaces es una solución rudimentaria para lograr alta disponibilidad y prevenir bucles. Las redes modernas pueden aprovechar todos los enlaces conectados mediante protocolos que inhiben, controlan o suprimen el comportamiento natural de los bucles de topología lógica o física.

Entre los protocolos más nuevos y robustos se incluyen el protocolo TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links), también creado por Perlman, ^{[ 32 ]} y Shortest Path Bridging del IEEE.

Una alternativa popular es configurar las conexiones entre los equipos de red como enlaces IP de capa 3 y confiar en el enrutamiento IP para garantizar la resiliencia y evitar bucles.

Las técnicas de virtualización de conmutadores, como Cisco Virtual Switching System , Virtual PortChannel y HP Intelligent Resilient Framework, combinan varios conmutadores en una única entidad lógica. Este grupo de agregación de enlaces multichasis funciona como un enlace troncal de puertos normal , pero distribuido a través de varios conmutadores. Por el contrario, las tecnologías de particionamiento compartimentan un único chasis físico en múltiples entidades lógicas.

En el borde de la red, se configura la detección de bucles para evitar bucles accidentales por parte de los usuarios.

Véase también

Notas

↑ El protocolo Spanning Tree incorporó el estándar 802.1t y, según este estándar, utiliza los 4 bits más significativos del campo de prioridad de dos octetos del estándar 802.1d como prioridad y los 12 bits menos significativos de ese campo como ID de sistema extendido.
↑ El estándar 802.1d original contemplaba la posibilidad de que el puente raíz tuviera más de un puerto en el mismo segmento de red . En ese caso, el puerto con el ID más bajo se convertiría en el puerto designado para ese segmento y se pondría en modo de reenvío, mientras que los demás puertos del mismo segmento se convertirían en puertos no designados y se pondrían en modo de bloqueo. No todos los fabricantes de puentes siguen esta regla; algunos designan todos los puertos y los ponen todos en modo de reenvío.
↑ Como alternativa, el administrador de red puede configurar el switch como raíz primaria o secundaria del árbol de expansión. Al configurar la raíz primaria y la raíz secundaria, el switch cambiará automáticamente la prioridad correspondiente, 24.576 y 28.672, respectivamente, con la configuración predeterminada.^{[ 7 ]}

Referencias

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↑ 802.1d-1998 sección 8.3.2 b) Un puente que recibe una BPDU de configuración en lo que decide que es su puerto raíz que transmite mejor información (es decir, identificador raíz de mayor prioridad, costo de ruta raíz más bajo, puente y puerto de transmisión de mayor prioridad), pasa esa información a todas las LAN para las que se cree el puente designado.
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Enlaces externos

Página principal de Cisco para la familia de protocolos Spanning-Tree (se tratan los protocolos CST, MISTP, PVST, PVST+, RSTP y STP).
El artículo sobre STP en la wiki de Wireshark incluye un archivo PCAP de ejemplo con el tráfico STP capturado.
Perlman, Radia . "Algorhyme" . Universidad de California en Berkeley . Archivado del original el 19 de julio de 2011.
Normas IEEE
- La norma ANSI/IEEE 802.1D-2004 , sección 17, trata sobre RSTP (el protocolo STP estándar ya no forma parte de esta norma. Esto se indica en la sección 8).
- La norma ANSI/IEEE 802.1Q-2005 , sección 13, trata sobre MSTP.
RFC
- RFC 4363 –2006, norma propuesta, Definiciones de objetos gestionados para puentes con clases de tráfico, filtrado de multidifusión y extensiones de LAN virtual.
- RFC 4188 –2005, propuesta de estándar, Definiciones de objetos gestionados para puentes
- RFC 2674 –1999, norma propuesta, Definiciones de objetos gestionados para puentes con clases de tráfico, filtrado de multidifusión y extensiones de LAN virtual.
- RFC 1525 –1993 – SBRIDGEMIB, estándar propuesto, Definiciones de objetos gestionados para puentes de enrutamiento de origen
- RFC 1493 –1993 – BRIDGEMIB, borrador de estándar, Definiciones de objetos gestionados para puentes
Fallos en los enlaces directos e indirectos del algoritmo Spanning Tree : Estudio CCIE
Descripción general del protocolo Spanning Tree

[7] El protocolo Spanning Tree incorporó el estándar 802.1t y, según este estándar, utiliza los 4 bits más significativos del campo de prioridad de dos octetos del estándar 802.1d como prioridad y los 12 bits menos significativos de ese campo como ID de sistema extendido.

[8] El estándar 802.1d original contemplaba la posibilidad de que el puente raíz tuviera más de un puerto en el mismo segmento de red . En ese caso, el puerto con el ID más bajo se convertiría en el puerto designado para ese segmento y se pondría en modo de reenvío, mientras que los demás puertos del mismo segmento se convertirían en puertos no designados y se pondrían en modo de bloqueo. No todos los fabricantes de puentes siguen esta regla; algunos designan todos los puertos y los ponen todos en modo de reenvío.

[10] Como alternativa, el administrador de red puede configurar el switch como raíz primaria o secundaria del árbol de expansión. Al configurar la raíz primaria y la raíz secundaria, el switch cambiará automáticamente la prioridad correspondiente, 24.576 y 28.672, respectivamente, con la configuración predeterminada.^{[ 7 ]}

[perlman_paper-1] 1 2 Perlman, Radia (1985). "Un algoritmo para el cálculo distribuido de un árbol de expansión en una LAN extendida" . ACM SIGCOMM Computer Communication Review . 15 (4): 44– 53. doi : 10.1145/318951.319004 . S2CID 61172150 .

[2] Perlman, Radia (2000). Interconexiones, Segunda edición . EE. UU.: Addison-Wesley. ISBN 0-201-63448-1.

[802.1Q-3] 1 2 Puentes y redes de puentes

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[11] Sección 8.3.1 de 802.1d-1998: El puerto designado para cada LAN es el puerto de puente para el cual el valor del costo de la ruta raíz es el más bajo: si dos o más puertos tienen el mismo valor de costo de ruta raíz, entonces primero se utilizan el identificador de puente de sus puentes y sus identificadores de puerto como desempates.

[12] 802.1d-1998 sección 8.3.2 b) Un puente que recibe una BPDU de configuración en lo que decide que es su puerto raíz que transmite mejor información (es decir, identificador raíz de mayor prioridad, costo de ruta raíz más bajo, puente y puerto de transmisión de mayor prioridad), pasa esa información a todas las LAN para las que se cree el puente designado.

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[21] Waldemar Wojdak (marzo de 2003). "Protocolo de árbol de expansión rápida: una nueva solución a partir de una tecnología antigua" . CompactPCI Systems . Archivado del original el 27 de enero de 2006. Consultado el 4 de agosto de 2008 .

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Operación del protocolo

Costo de la ruta

Estados portuarios

Configuración

Puente raíz y el ID del puente

Camino hacia el puente de la raíz

Desempates

Unidades de datos del protocolo puente

Tipos de BPDU

Estándares del protocolo Spanning Tree

Protocolo de árbol de expansión rápida

Operación de árbol de expansión rápida

Estándares para VLAN

Estándares propios

Protocolo de árbol de expansión múltiple

Puente de ruta más corta

Extensión de ID del sistema

Desventajas y práctica actual

Véase también

Notas

Referencias

Enlaces externos

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