5.2 Funcionamientos del STP

 

5.2.1 Pasos para una topología sin bucles

Ahora ya sabe cómo se crean los bucles y los conceptos básicos de usar el protocolo de árbol de expansión para prevenirlos. Este tema le llevará paso a paso a través de la operación de STP. Usando STA, STP crea una topología sin bucles en un proceso de cuatro pasos:
Elige el puente raíz.
Seleccione los root ports.
Elegir puertos designados.
Seleccione puertos alternativos (bloqueados).

Durante las funciones STA y STP, los conmutadores utilizan unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) para compartir información sobre sí mismos y sus conexiones. Las BPDU se utilizan para elegir el root bridge, los root ports, los puertos designados y los puertos alternativos. Cada BPDU contiene una ID de puente (BID) que identifica qué switch envió la BPDU. El BID participa en la toma de muchas de las decisiones STA, incluidos los roles de puertos y root bridge. El BID contiene un valor de prioridad, la dirección MAC del conmutador y un ID de sistema extendido. El valor de BID más bajo lo determina la combinación de estos tres campos.

El BID está compuesto por un valor de prioridad del puente, una ID de sistema extendido y la dirección MAC del switch.

Prioridad de puente

El valor de prioridad predeterminado para todos los switches Cisco es el valor decimal 32768. El rango va de 0 a 61440 y aumenta de a 4096. Es preferible una prioridad de puente más baja. La prioridad de puente 0 prevalece sobre el resto de las prioridades de puente.

Sistema extendido ID

El valor de ID del sistema extendido es un valor decimal agregado al valor de prioridad del puente en el BID para identificar la VLAN para esta BPDU.
Las primeras implementaciones de IEEE 802.1D estaban diseñadas para redes que no utilizaban VLAN. Existía un único árbol de expansión común para todos los switches. Por esta razón, en los switches más antiguos, el ID del sistema extendido no se incluía en las BPDU. A medida que las VLAN se volvieron más comunes en la segmentación de la infraestructura de red, se fue mejorando el estándar 802.1D para incluir a las VLAN, lo que requirió que se incluyera la ID de VLAN en la trama de BPDU. La información de VLAN se incluye en la trama BPDU mediante el uso de la ID de sistema extendido.

El ID del sistema extendido permite que las implementaciones posteriores de STP, como Rapid STP (RSTP) tengan diferentes root bridge para diferentes conjuntos de VLAN. Esto puede permitir que enlaces redundantes y sin reenvío en una topología STP para un conjunto de VLAN sean utilizados por un conjunto diferente de VLAN que utilice un root bridge diferente.

Dirección MAC 

Cuando dos switches están configurados con la misma prioridad y tienen la misma ID de sistema extendido, el switch que posee la dirección MAC con el menor valor, expresado en hexadecimal, tendrá el menor BID.

5.2.2 1. Elige el root bridge

El STA designa un único switch como root bridge y lo utiliza como punto de referencia para todos los cálculos de rutas. Los switches intercambian BPDU para crear la topología sin bucles comenzando con la selección del root bridge.
Un proceso de elección determina el switch que se transforma en el puente raíz. Todos los switches del dominio de difusión participan del proceso de elección. Una vez que el switch arranca, comienza a enviar tramas BPDU cada dos segundos. Estas tramas BPDU contienen el BID del switch de envío y el BID del root bridge, conocido como Root ID.
El switch que tiene el BID más bajo se convierte en el puente raíz. Al principio, todos los conmutadores se declaran a sí mismos como el puente raíz con su propio BID establecido como ID raíz. Eventualmente, los switches aprenden a través del intercambio de BPDU qué switch tiene el BID más bajo y acordarán un puente raíz.

En la figura, S1 se elige de root bridge porque tiene el BID más bajo.

5.2.3 Impacto de las pujas por defecto

Dado que el BID predeterminado es 32768, es posible que dos o más switches tengan la misma prioridad. En este escenario, donde las prioridades son las mismas, el conmutador con la dirección MAC más baja se convertirá en el puente raíz. Para asegurar que el puente raíz elegido cumpla con los requisitos de la red, se recomienda que el administrador configure el switch de puente raíz deseado con una prioridad menor. 
En la figura, todos los switches están configurados con la misma prioridad de 32769. Aquí la dirección MAC se convierte en el factor decisivo en cuanto a qué interruptor se convierte en el puente raíz. El conmutador con el valor de dirección MAC hexadecimal más bajo es el puente raíz preferido. En este ejemplo, S2 tiene el valor más bajo para su dirección MAC y se elige como el puente raíz para esa instancia de árbol de expansión. 

Note: En el ejemplo, la prioridad de todos los switches es 32769. El valor se basa en la prioridad de puente predeterminada 32768 y la ID del sistema extendida (asignación de VLAN 1) asociada con cada conmutador (32768 + 1).

5.2.4 Determinar el costo de la ruta raíz

Una vez que se eligió el puente raíz para la instancia de árbol de expansión, el STA comienza el proceso para determinar las mejores rutas hacia el puente raíz desde todos los destinos en el dominio de difusión. La información de la ruta, conocida como el costo interno de la ruta raíz, está determinada por la suma de todos los costos de los puertos individuales a lo largo de la ruta desde el conmutador hasta el puente raíz.

Note: La BPDU incluye el costo de la ruta raíz. Este es el costo de la ruta que va desde el switch que envía los datos hasta el puente raíz.

Cuando un switch recibe la BPDU, agrega el costo del puerto de ingreso del segmento para determinar el costo interno de la ruta hacia la raíz.
Los costos de los puertos predeterminados se definen por la velocidad a la que funcionan los mismos. La tabla muestra los costos de puerto predeterminados sugeridos por IEEE. Los switches Cisco utilizan de forma predeterminada los valores definidos por el estándar IEEE 802.1D, también conocido como costo de ruta corta, tanto para STP como para RSTP. Sin embargo, el estándar IEEE sugiere usar los valores definidos en el IEEE-802.1w, también conocido como costo de ruta larga, cuando se usan enlaces de 10 Gbps y más rápido.

Note: RSTP se discute con más detalle más adelante en este módulo.

Pese a que los puertos de switch cuentan con un costo de puerto predeterminado asociado a los mismos, tal costo puede configurarse. La capacidad de configurar costos de puerto individuales le da al administrador la flexibilidad para controlar de forma manual las rutas de árbol de expansión hacia el puente raíz.

5.2.5 2. Elegir los puertos raíz

Después de determinar el puente raíz, se utiliza el algoritmo STA para seleccionar el puerto raíz. Cada switch que no sea root seleccionará un puerto raíz. El puerto raíz es el puerto más cercano al root bridge en términos de costo general para el puente raíz. Este costo general se conoce como costo de ruta raíz interna.

El costo interno de la ruta raíz es igual a la suma de todos los costos del puerto a lo largo de la ruta al root bridge, como se muestra en la figura. Las rutas con el costo más bajo se convierten en las preferidas, y el resto de las rutas redundantes se bloquean. En el ejemplo, el costo de ruta interno desde S2 al root bridge S1 a través de la ruta 1 es de 19 (según el costo de puerto individual especificado por el IEEE), mientras que el costo interno de la ruta hacia la raíz a través de la ruta 2 es de 38. Debido a que la ruta 1 tiene un costo de ruta general más bajo para el root bridge, es la ruta preferida y F0 / 1 se convierte en el root port en S2.

5.2.6 3. Seleccionar puertos designados

La parte de prevención de bucles del árbol de expansión se hace evidente durante estos dos pasos siguientes. Después de que cada switch selecciona un puerto raíz, los switches seleccionarán los puertos designados.

Cada segmento entre dos switches tendrá un puerto designado. El puerto designado es un puerto en el segmento (con dos switches) que tiene el costo de ruta raíz interna al puente raíz. En otras palabras, el puerto designado tiene la mejor ruta para recibir el tráfico que conduce al puente raíz.

Lo que no es un puerto raíz o un puerto designado se convierte en un puerto alternativo o bloqueado. El resultado final es una ruta única desde cada conmutador al puente raíz.

Haga clic en cada botón para obtener una explicación de cómo STA elige los puertos designados.

Puertos designados en el puente raíz

Todos los puertos en el root bridge son puertos designados. Esto se debe a que el root bridge tiene el costo más bajo para sí mismo.

Puerto designado cuando hay un puerto raíz

 
Si un extremo de un segmento es un puerto raíz, el otro extremo es un puerto designado. Para demostrar esto, la figura muestra que el conmutador S4 está conectado a S3. La interfaz Fa0/1 en S4 es su puerto raíz porque tiene la mejor y única ruta al root bridge. Por lo tanto, la interfaz Fa0/3 en S3 en el otro extremo del segmento sería el puerto designado.
Note: Todos los puertos del switch con dispositivos finales (hosts) conectados son puertos designados.
 

Puerto designado cuando no hay puerto raíz

Esto deja solo segmentos entre dos switches donde ninguno de los switches es el puente raíz. En este caso, el puerto del switch con la ruta de menor costo al puente raíz es el puerto designado para el segmento. Por ejemplo, en la figura, el último segmento es el que está entre S2 y S3. Tanto S2 como S3 tienen el mismo costo de ruta para el puente raíz. El algoritmo del árbol de expansión utilizará el ID del puente como un interruptor de corbata. Aunque no se muestra en la figura, S2 tiene un BID menor. Por lo tanto, el puerto F0/2 de S2 se elegirá como el puerto designado. Los puertos designados están en estado de reenvío.

5.2.7 4. Seleccionar puertos alternativos (bloqueados)

Si un puerto no es un puerto raíz o un puerto designado, se convierte en un puerto alternativo (o de copia de seguridad). Los puertos alternativos y los puertos de respaldo están en estado de descarte o bloqueo para evitar bucles. En la figura, la STA ha configurado el puerto F0/2 en S3 en el rol alternativo. El puerto F0/2 en S3 está en estado de bloqueo y no reenviará tramas Ethernet. Todos los demás puertos entre conmutadores están en estado de reenvío. Esta es la parte de prevención de bucles de STP.

5.2.8 Seleccione un puerto raíz a partir de varias rutas de igual coste.

Los puertos designados se seleccionan en base al menor costo del trayecto al Puerto raíz para un segmento. Pero, ¿qué sucede si el switch tiene múltiples rutas de igual costo al puente raíz? ¿Cómo designa un puerto raíz un switch?

Cuando un switch tiene varias rutas de igual costo al puente raíz, el switch determinará un puerto utilizando los siguientes criterios:

Oferta de remitente más baja

Prioridad de puerto del remitente más baja

ID de puerto del remitente más bajo

Haga clic en cada criterio para obtener un ejemplo y una explicación.

 

1. Oferta de remitente más baja

 

La figura muestra una topología con cuatro conmutadores, incluido el conmutador S1 como puente raíz. Al examinar los roles de puerto, vemos que el puerto F0/1 del switch S3 y el puerto F0/3 del switch S4 se han seleccionado como puertos raíz porque tienen la ruta con el menor costo (costo de la ruta hacia la raíz) al puente raíz para sus respectivos switches. S2 tiene dos puertos, F0 / 1 y F0 / 2 con rutas de igual costo al puente raíz. En este caso los ID de puente de los switches vecinos, S3 y S4, se utilizan para definir el empate. Esto se conoce como BID del emisor. S3 tiene un BID de 32769.5555.5555.5555 y S4 tiene un BID de 32769.1111.1111.1111. Como S4 tiene un BID más bajo, el puerto F0 / 1 de S2, que es el puerto conectado a S4, será el puerto raíz.

 

2. Prioridad de puerto del remitente más baja

 

Para demostrar estos dos criterios siguientes, la topología se cambia a uno donde dos switches están conectados con dos paths de igual costo entre ellos. S1 es el puente raíz, por lo que ambos puertos son puertos designados.

S4 tiene dos puertos con rutas de igual costo al puente raíz. Dado que ambos puertos están conectados al mismo conmutador, el BID (S1) del remitente es igual. Entonces el primer paso es un empate.

A continuación en la lista está la prioridad del puerto del remitente (S1). La prioridad de puerto predeterminada es 128, por lo que ambos puertos de S1 tienen la misma prioridad de puerto. Esto también es una corbata. Sin embargo, si cualquiera de los puertos de S1 se configuraba con una prioridad de puerto más baja, S4 pondría su puerto adyacente en estado de reenvío. El otro puerto en S4 sería un estado de bloqueo.

 

3.ID de puerto del remitente más bajo

El último desempate es el ID de puerto del remitente más bajo. El conmutador S4 ha recibido BPDU desde el puerto F0/1 y el puerto F0/2 en S1. Recuerde que la decisión se basa en el ID del puerto del remitente, no en el ID del puerto del receptor. Dado que el Id. de puerto de F0/1 en S1 es menor que el puerto F0/2, el puerto F0/6 en el conmutador S4 será el puerto raíz. Este es el puerto de S4 que está conectado al puerto F0/1 de S1.

El puerto F0/5 en S4 se convertirá en un puerto alternativo y se colocará en el estado de bloqueo, que es la parte de prevención de bucles de STP.

5.2.9 Temporizadores STP y Estados de puerto

La convergencia STP requiere tres temporizadores, como sigue:

• Temporizador de saludo - El tiempo de saludo es el intervalo entre BPDU. El valor predeterminado es 2 segundos, pero se puede modificar entre 1 y 10 segundos.
• Temporizador de retardo de reenvío - El retraso directo es el tiempo que se pasa en el estado de escucha y aprendizaje. El valor predeterminado es 15 segundos, pero se puede modificar a entre 4 y 30 segundos.
• Temporizador de antigüedad máxima - La antigüedad máxima es la duración máxima de tiempo que un switch espera antes de intentar cambiar la topología STP. El valor predeterminado es 20 segundos, pero se puede modificar entre 6 y 40 segundos.

Nota: Los tiempos predeterminados se pueden cambiar en el puente raíz, que dicta el valor de estos temporizadores para el dominio STP.

STP facilita la ruta lógica sin bucles en todo el dominio de difusión. El árbol de expansión se determina a través de la información obtenida en el intercambio de tramas de BPDU entre los switches interconectados. Si un puerto de switch pasa directamente del estado de bloqueo al de reenvío sin información acerca de la topología completa durante la transición, el puerto puede crear un bucle de datos temporal. Por esta razón, STP tiene cinco estados de puertos, cuatro de los cuales son estados de puertos operativos, como se muestra en la figura. El estado deshabilitado se considera no operativo.

Los detalles de cada estado de puerto se muestran en la tabla.

5.2.10 Detalles Operativos de cada Estado Portuario

En la tabla se resumen los detalles operativos de cada estado de puerto.

5.2.11 Per-VLAN Spanning Tree

Hasta ahora, hemos hablado de STP en un entorno donde sólo hay una VLAN. Sin embargo, STP se puede configurar para que funcione en un entorno con varias VLAN.

In Per-VLAN Spanning Tree (PVST) versions of STP, there is a root bridge elected for each spanning tree instance. Esto hace posible tener diferentes puentes raíz para diferentes conjuntos de VLAN. STP opera una instancia independiente de STP para cada VLAN individual. Si todos los puertos de todos los switches pertenecen a la VLAN 1, solo se da una instancia de árbol de expansión.