Protocolo de árbol de expansión múltiple

El protocolo y algoritmo de árbol de expansión múltiple ( MSTP ) proporciona conectividad simple y completa asignada a cualquier LAN virtual (VLAN) en una red de área local conmutada . MSTP utiliza unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) para intercambiar información entre dispositivos compatibles con el árbol de expansión, evitando bucles en cada instancia de árbol de expansión múltiple (MSTI) y en el árbol de expansión común e interno (CIST), mediante la selección de rutas activas y bloqueadas. Esto se realiza de forma similar al protocolo de árbol de expansión (STP), sin necesidad de habilitar manualmente los enlaces de respaldo y eliminando el riesgo de bucles de conmutación .

MSTP permite que las tramas asignadas a diferentes VLAN sigan rutas separadas, cada una basada en un MSTI independiente, dentro de regiones MST compuestas por redes de área local (LAN) y puentes MST. Estas regiones, junto con los demás puentes y LAN, están conectadas en un único árbol de expansión común (CST).

Originalmente se definió en IEEE 802.1s como una enmienda a 802.1Q , edición de 1998, y posteriormente se integró en el estándar IEEE 802.1Q-2005. Define claramente una extensión o evolución del Protocolo de Árbol de Expansión (STP) y el Protocolo de Árbol de Expansión Rápida (RSTP) de Radia Perlman . Presenta algunas similitudes con el Protocolo de Árbol de Expansión de Múltiples Instancias (MISTP) de Cisco Systems , pero también algunas diferencias.

Los protocolos STP y RSTP originales operan a nivel de enlace físico, evitando bucles de puente cuando existen rutas redundantes. Sin embargo, cuando una LAN se virtualiza mediante VLAN trunking, cada enlace físico representa múltiples conexiones lógicas. Bloquear un enlace físico bloquea todos sus enlaces lógicos y fuerza todo el tráfico a través de los enlaces físicos restantes dentro del árbol de expansión . Los enlaces redundantes no se pueden utilizar en absoluto. Además, sin un diseño de red cuidadoso, los enlaces aparentemente redundantes a nivel físico pueden utilizarse para conectar diferentes VLAN, y bloquear cualquiera de ellos puede desconectar una o más VLAN, provocando rutas defectuosas .

En cambio, MSTP proporciona una utilización potencialmente mejor de rutas alternativas al permitir el uso de árboles de expansión alternativos para diferentes VLAN o grupos de VLAN.

Dado que MSTP permite agrupar y asignar VLAN a diferentes instancias de árbol de expansión, existe la necesidad de determinar un grupo o conjunto de VLAN que utilicen el mismo árbol de expansión; esto es un MSTI.

Cada instancia define una única topología de reenvío para un conjunto exclusivo de VLAN; por el contrario, las redes STP o RSTP contienen solo una única instancia de árbol de expansión para toda la red, que contiene todas las VLAN. Una región puede incluir: ^{[ 1 ]}

• Instancia de árbol de expansión interna (IST) : Instancia de árbol de expansión predeterminada en cualquier región MST. Todas las VLAN en esta instancia IST forman una única topología de árbol de expansión , lo que permite una única ruta de reenvío entre dos nodos cualesquiera. También proporciona el conmutador raíz para cualquier conmutador configurado con VLAN que no esté asignado específicamente a una MSTI.
• Instancia de árbol de expansión múltiple (MSTI) : a diferencia de IST, este tipo de instancia comprende todas las VLAN estáticas que se le han asignado específicamente y debe incluir al menos una VLAN.

Si bien cada MSTI puede tener varias VLAN, cada VLAN solo puede estar asociada a un único MSTI.

Un conjunto de conmutadores interconectados que deben haber sido configurados con las mismas VLAN y MSTI, también tienen los mismos parámetros siguientes:

• Nombre de configuración MST
• Nivel de revisión
• Resumen de configuración: Asignación de qué VLAN se asignan a qué instancias de MST.

Un MSTI no puede abarcar varias regiones MST debido a su localización inherente en una única región MST. Esto se logra mediante un número de identificación para cada MSTI. Para asignar cada puente a una región, cada conmutador/puente debe comparar sus identificadores de configuración MST (selector de formato, nombre de región, nivel de revisión y resumen de configuración) , cualquiera de los cuales representa la asignación de VLAN a MSTI para cada puente.

Podemos diferenciar dos tipos de árboles de expansión conformados en las diferentes redes creadas por MSTP, que son:

• Árbol de expansión común (CST): Administra la conectividad entre regiones MST, LAN STP y LAN RSTP en una red puenteada.
• Árbol de expansión interno común (CIST): Identifica las regiones de una red y administra el puente raíz CIST para cada región y para cada instancia de árbol de expansión en cada región. También es la instancia de árbol de expansión predeterminada de MSTP, de modo que cualquier VLAN que no pertenezca a un MSTI específico será miembro del CIST. Además, funciona igual de bien que el árbol de expansión que se ejecuta entre regiones y entre regiones MST y entidades de árbol de expansión único (SST).

La función del Árbol de Expansión Común (CST) en una red, y del Árbol de Expansión Común e Interno (CIST) configurado en cada dispositivo, es evitar bucles dentro de una red más amplia que puedan abarcar más de una Región MSTP y partes de la red que se ejecutan en modo STP o RSTP heredado.

La función principal de las unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) es permitir que MSTP seleccione sus puentes raíz para el CIST y cada MSTI adecuados. MSTP incluye toda su información de árbol de expansión en un único formato BPDU. Esto no solo reduce la cantidad de BPDU necesarias en una LAN 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).

El formato general de las BPDU comprende una porción genérica común, los octetos del 1 al 36, que se basan en los definidos en la norma IEEE 802.1D , 2004, ^{[ 2 ]} seguida de componentes específicos de CIST, los octetos del 37 al 102. A este bloque de datos de las BPDU se le añaden componentes específicos de cada MSTI. ^{[ 3 ]}

En caso de que exista una asignación de VID (ID de VLAN) en una región MST que difiera entre los distintos puentes que la componen, las tramas para algunos VID podrían duplicarse o incluso no entregarse a algunas LAN . Para evitar esto, los puentes MST verifican que están asignando VID a los mismos árboles de expansión que sus puentes MST vecinos en la misma región, transmitiendo y recibiendo identificadores de configuración MST junto con la información del árbol de expansión. Estos identificadores de configuración MST, aunque compactos, están diseñados de manera que dos identificadores coincidentes tengan una probabilidad muy alta de indicar la misma configuración, incluso en ausencia de cualquier práctica de administración de soporte para la asignación de identificadores. Cualquiera de estos objetos contiene lo siguiente:

• Selector de formato del identificador de configuración: Indica el uso que se le dará a los siguientes componentes.
• Nombre de configuración ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}
• Nivel de revisión y resumen de configuración: ^{[ 7 ] [ 8 ]} Firma HMAC de 16 bits - Algoritmos MD5 creados a partir de la tabla de configuración MST.

Este objeto es específico y exclusivo de MSTP; ni STP ni RSTP lo utilizan.

MSTP configura para cada VLAN una topología activa de árbol de expansión única de manera que exista al menos una ruta de datos entre cualquier par de estaciones finales, eliminando así los bucles de datos. Especifica varios objetos que permiten que el algoritmo opere correctamente. Los diferentes puentes en las distintas VLAN comienzan a anunciar su propia configuración a otros puentes utilizando el identificador de configuración MST para asignar tramas con VID (ID de VLAN) dados a cualquiera de los diferentes MSTI. Se utiliza un vector de prioridad para construir el CIST; este conecta todos los puentes y LAN en una LAN conmutada y garantiza que las rutas dentro de cada región siempre tengan preferencia sobre las rutas fuera de la región. Además, existe un vector de prioridad MSTI, que contiene la información necesaria para construir una topología activa determinista y gestionable de forma independiente para cualquier MSTI dado dentro de cada región.

Además, las comparaciones y los cálculos realizados por cada puente seleccionan un vector de prioridad CIST para cada puerto (basado en vectores de prioridad, identificadores de configuración MST y un costo de ruta incremental asociado a cada puerto receptor). Esto lleva a que un puente sea seleccionado como la raíz CIST de la LAN conmutada; luego, se desplaza una ruta de costo mínimo hacia la raíz para cada puente y LAN (evitando así bucles y asegurando la conectividad completa entre VLAN). Posteriormente, en cada región, el puente cuya ruta de costo mínimo hacia la raíz no pasa por otro puente con el mismo ID de configuración MST será identificado como la raíz regional CIST de su región. Por el contrario, cada puente cuya ruta de costo mínimo hacia la raíz pasa por un puente que utiliza el mismo identificador de configuración MST será identificado como perteneciente a la misma región MST que dicho puente.

En resumen, MSTP codifica información adicional en su BPDU sobre la configuración y la región; cada uno de estos mensajes transmite la información del árbol de expansión para cada instancia. A cada instancia se le pueden asignar varias VLAN configuradas; las tramas (paquetes) asignadas a estas VLAN operan en esta instancia del árbol de expansión siempre que se encuentren dentro de la región MST. Para evitar transmitir toda su asignación de VLAN a árbol de expansión en cada BPDU, los puentes codifican un resumen MD5 de su VLAN en la tabla de instancias dentro de la BPDU MSTP. Este resumen es utilizado por otros puentes MSTP, junto con otros valores configurados administrativamente, para determinar si el puente vecino se encuentra en la misma región MST.

• Raíz: Proporciona la ruta de menor coste desde el puente hasta la raíz CIST a través de la raíz regional.
• Designado: Proporciona la ruta de menor coste desde la LAN conectada a través del puente hasta la raíz CIST .
• Alternativa o de respaldo: Proporciona conectividad si otros puentes, puertos de puente o LAN fallan o se borran.

• Raíz: Proporciona la ruta de menor coste desde el puente hasta la raíz regional de MSTI.
• Designado: Proporciona la ruta de menor coste desde las LAN conectadas a través del puente hasta la raíz regional.
• Maestro: Proporciona conectividad desde la Región a una raíz CIST que se encuentra fuera de la Región. El puerto puente que es el puerto raíz CIST para la raíz regional CIST es el puerto maestro para todos los MSTI.
• Alternativa o de respaldo: Proporciona conectividad si otros puentes, puertos de puentes o LAN fallan o se borran.

MSTP está diseñado para ser compatible e interoperable con STP y RSTP sin necesidad de prácticas de gestión operativa adicionales. Esto se debe a un conjunto de medidas basadas en RSTP (Cláusula 17 de la norma IEEE Std 802.1D, edición de 2004), cuyo objetivo es permitir que las tramas asignadas a diferentes VLAN se transmitan por rutas distintas dentro de las regiones MST.

Ambos protocolos tienen en común varios problemas, como: la selección del puente raíz CIST (utiliza el mismo algoritmo fundamental, 17.3.1 de IEEE Std 802.1D, edición de 2004, pero con componentes de vector de prioridad extendidos dentro de las regiones MST), la selección del puente raíz MSTI y el cálculo de roles de puerto para cada MSTI, los roles de puerto utilizados por el CIST son los mismos que los de STP y RSTP (con la excepción del puerto maestro), y las variables de estado asociadas a cada puerto.

Además, comparten algunos problemas, como por ejemplo: MSTP no puede proteger contra bucles temporales causados ​​por la interconexión de dos segmentos LAN mediante dispositivos distintos de los puentes que operan de forma invisible con respecto a la compatibilidad con el servicio de subcapa interna MAC de los puentes .

Por todo lo anterior, se puede concluir que MSTP es totalmente compatible con los puentes RSTP; un BPDU de MSTP puede ser interpretado por un puente RSTP como un BPDU de 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.

Esta sección está orientada principalmente a proporcionar a cualquier usuario la manera adecuada de configurar una red MSTP en dispositivos Cisco.

Asegúrese de haber configurado las VLAN y de haberlas asociado con los puertos del switch. A continuación, determine: las regiones MSTP, el nivel de revisión y las instancias; qué VLAN y puertos del switch pertenecerán a qué MSTI y, finalmente, qué dispositivos desea que actúen como puentes raíz para cada MSTI.

1. Los conmutadores deben tener los mismos elementos de identificación de configuración MST (nombre de región, nivel de revisión y asignación de VLAN a MSTI) para pertenecer a la misma región MST. Al configurar varias regiones MST para MSTP, los MSTI tienen relevancia local dentro de una región MST. Los MSTI no se extienden de una región a otra.
2. El Árbol de Expansión Común e Interno (CIST) es la instancia de árbol de expansión predeterminada para MSTP. Esto significa que todas las VLAN que no estén configuradas explícitamente en otra instancia de MSTP son miembros del CIST.
3. El software admite una única instancia del algoritmo MSTP que consta del CIST y hasta 15 MSTI .

Una VLAN solo puede asignarse a un MSTI o al CIST. No se permite que una VLAN se asigne a varios árboles de expansión. Todas las VLAN se asignan al CIST de forma predeterminada. Una vez que una VLAN se asigna a un MSTI específico, se elimina del CIST. Para evitar el procesamiento STP innecesario, un puerto conectado a una LAN sin otros puentes o conmutadores conectados puede configurarse como puerto de borde.

Un ejemplo de cómo configurar una topología MSTP simple de tres conmutadores, donde un conmutador de acceso de capa dos transporta cuatro VLAN y tiene dos enlaces ascendentes a dos conmutadores de distribución, se puede encontrar aquí: Guía de configuración de MSTP. Una buena vista de configuración, a partir del ejemplo mencionado anteriormente, sería:

S3# mostrar árbol de expansión mst

##### VLANs de MST0 mapeadas: 1-19,21-39,41-4094 Dirección del puente 000e.8316.f500 prioridad 32768 (32768 sysid 0) Dirección raíz 0013.c412.0f00 prioridad 0 (0 sysid 0) Costo de ruta del puerto Fa0/13 0 Dirección raíz regional 0013.c412.0f00 prioridad 0 (0 sysid 0) costo interno 200000 rem hops 19 Tiempo de saludo operativo 2, retardo de reenvío 15, edad máxima 20, recuento de retención de transacción 6 Tiempo de saludo configurado 2, retardo de reenvío 15, edad máxima 20, saltos máximos 20 Interfaz Rol Sts Costo Prio.Nbr Tipo ---------------- ---- --- --------- -------- -------------------------------- Fa0/13 Raíz FWD 200000 128.13 P2p Fa0/16 Altn BLK 200000 128,16 P2p ##### VLANs de MST1 mapeadas: 20,40 Dirección del puente 000e.8316.f500 prioridad 32769 (32768 sysid 1) Dirección raíz 000f.345f.1680 prioridad 1 (0 sysid 1) puerto Fa0/16 costo 200000 rem saltos 19 Interfaz Rol Sts Costo Prio.Nbr Tipo ---------------- ---- --- --------- -------- -------------------------------- Fa0/13 Altn BLK 200000 128,13 P2p Fa0/16 Raíz FWD 200000 128.16 P2p 

El primer esqueleto de este protocolo se propuso en ^{[ 9 ]} . AMSTP es una instancia simplificada de un solo árbol enraizada en cada puente de borde en el núcleo para reenviar tramas.

Para configurar estos árboles, AMSTP se basa en un árbol básico, que se utilizará para obtener instancias (denominadas Instancias Alternas de Árbol de Expansión Múltiple – AMSTI), hasta que se construya una por cada switch de la red. El proceso aplicado para construir el árbol principal/básico es el mismo que en RSTP. En resumen, primero se debe elegir un puente como Puente Raíz (esto se hace mediante la emisión periódica de BPDU desde cada switch de la red, en cada Hello Time, y seleccionando el ID de puente más bajo). Luego, cada switch calculará su costo hasta el Puente Raíz y, posteriormente, se deben elegir los puertos raíz seleccionando el que reciba la mejor BPDU, es decir, el que anuncie el costo de ruta mínimo hasta el puente raíz.

Las BPDU de AMSTP utilizan las mismas direcciones de protocolo de multidifusión local que STP y tienen una estructura similar a las BPDU de MSTP, ya que ambas se componen esencialmente de una BPDU básica y varios registros AM, lo que permite una compatibilidad total con los protocolos estándar RSTP y STP. Cada registro AM contiene los datos utilizados para negociar una instancia de árbol específica (AMSTI). Cada ABridge, excepto el puente raíz elegido, crea un registro AM para sus propias instancias de árbol de expansión. Estos registros son utilizados por los puertos conectados de los conmutadores vecinos para negociar las transiciones de cada instancia de árbol mediante un mecanismo de propuesta/acuerdo.

Este protocolo, desarrollado en ^{[ 10 ]} , se centra en la eficiencia en el uso de la red y la longitud de la ruta. Esa es la razón principal por la que utiliza AMSTP, una versión simplificada y autoconfigurable de MSTP. Los Abridges se pueden describir como una jerarquía de dos niveles de conmutadores de capa dos en la que las islas de red que ejecutan protocolos de árbol de expansión rápida independientes se comunican a través de un núcleo formado por puentes raíz de isla (ABridges). Como se ha mencionado, se enfoca en la eficiencia, esto se debe a la capacidad de AMSTP para proporcionar rutas óptimas en la malla central y al uso de RSTP para agregar eficientemente el tráfico en las redes de isla. Su velocidad de convergencia es tan rápida como la de RSTP y MSTP.

Con el objetivo de mejorar las propiedades del protocolo Abridges, se propone una infraestructura de capa de enlace jerárquica de dos niveles en la que la segmentación se realiza en la capa de enlace. El núcleo estará compuesto principalmente por Abridges (puentes que utilizan una implementación de AMSTP) y supervisará la conexión de las redes de acceso hoja, denominadas capa de acceso . Además, cada una de estas redes de acceso, también llamadas islas, es una subred de capa dos que utiliza STP y está conectada a uno o más Abridges.

Dentro de cada isla o red de acceso, se selecciona automáticamente un puente para que actúe como puente raíz. Este puente funcionará como puerta de enlace, permitiendo el reenvío de tramas desde el núcleo a una isla y viceversa. Un único Abridge realizará estas funciones de puerta de enlace, aunque se podrían conectar varios. La comunicación entre puentes 802.1D y entre puentes 802.1D estándar y ABridges no requiere conexiones punto a punto.

El ABridge que recibe una trama ARP de un host de la isla obtiene la isla en la que se encuentra el destino consultando a un servidor ARP donde el host fue registrado previamente por su ABridge de isla. Este servidor almacena la asignación de IP a MAC y el ID del ABridge de isla. Los servidores ARP distribuyen su carga en función del hash de las direcciones IP atendidas. El núcleo se autoconfigura y su funcionamiento es transparente para todos los hosts y conmutadores estándar en las islas.

ABridges se compone de tres módulos funcionales básicos:

• Puente estándar: Realiza funciones de puenteo estándar con los nodos de su isla. La funcionalidad de acceso reside en los puertos de acceso de este módulo, que tiene un comportamiento equivalente al de un puente estándar que actúa como puente raíz.
• Enrutamiento AMSTP: Enruta tramas entre los Abridges y la puerta de enlace. Tiene puertos centrales, cualquiera de los cuales interconecta los ABridges, que aprenden los ID de puente raíz de las BPDU AMSTP recibidas y almacenan esta información en una base de datos, conocida como Base de datos de reenvío .
• Puerta de enlace: Interconecta los módulos mencionados anteriormente.

Los Abridges configurarán cada uno de sus puertos para que formen parte del núcleo o de una isla. Esta autoconfiguración de puertos se realiza con condiciones muy sencillas: si un puerto no está conectado a otro Abridge mediante un enlace punto a punto, se convertirá en un puerto de acceso; por otro lado, los puertos conectados directamente a otro Abridge se configuran como puertos del núcleo. Este mecanismo de autoconfiguración es muy similar al utilizado en RSTP.

Como cualquier protocolo de capa dos, ABridges utiliza difusiones ARP para obtener la dirección de capa de enlace asociada a una dirección IP en la misma LAN o VLAN. Por ello, evitar la saturación de la red es de suma importancia; para limitar este tráfico de difusión, se recomienda utilizar servidores ARP de carga distribuida, aunque su uso no es obligatorio.

• Árbol de expansión mínima distribuida
• EtherChannel
• Conmutación de protección automática Ethernet
• Enlaces flexibles
• Protocolo de redundancia de medios
• árbol de expansión mínima
• TRILL (Interconexión transparente de muchos enlaces)
• Detección de enlace unidireccional
• Enlace virtual troncalizado

• Página principal de IEEE para 802.1 (Estándares relacionados de la familia 802.1)
• Tutorial de MSTP (Breve tutorial para la comprensión de MSTP)
• Puente RBridge
• Implementaciones de Cisco
  • [1] (Implementación de Cisco y breve tutorial sobre MSTP)
  • Página principal de Cisco para la familia de protocolos Spanning-Tree (se tratan los protocolos CST, MISTP, PVST, PVST+, RSTP y STP).
  • Explicación educativa de STP www.cisco.com
• Perlman, Radia. "Algorhyme" . Universidad de California en Berkeley . Archivado del original el 19 de julio de 2011. Consultado el 1 de septiembre 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 2271-1998, - Una arquitectura para describir marcos de gestión SNMP
  • RFC 2571-1999, - Una arquitectura para describir marcos de gestión SNMP
  • 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
  • Puente estándar