Funcionamiento de STP

Funcionamiento de STP
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Resumen

Este tema explica cómo funciona STP en una simple red conmutada. ¡¡Empieza a aprender CCNA 200-301 gratis ahora mismo!!

¡Bienvenido!: Este tema forma parte del Módulo 5 del curso de Cisco CCNA 2, para un mejor seguimiento del curso puede ir a la sección CCNA 2 para guiarte del índice.

1. Pasos para una Topología sin Bucles

Ahora ya sabes cómo se crean los bucles y los conceptos básicos de usar el protocolo de árbol de expansión para prevenirlos. Este tema te 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:

  1. Elige el root bridge/puente raíz.
  2. Selecciona los root ports/puertos raíz.
  3. Elige puertos designated ports/designados.
  4. Selecciona alternate (blocked) ports/puertos alternativos (bloqueados).

Durante las funciones STA y STP, los switches utilizan Bridge Protocol Data Units (BPDU) (Unidades de Datos de Protocolo de Puente) 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, Bridge ID) 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 switch y un ID de sistema extendido. El valor de BID más bajo lo determina la combinación de estos tres campos.

Composición del BID Bridge ID

Composición del BID Bridge ID

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 / Bridge Priority

El valor de prioridad predeterminado para todos los switches Cisco es el valor decimal 32768. El rango va de 0 a 61440 en incrementos de 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 / Extended System 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.

2. (1) Elige el puente raíz/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 root bridge/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 root bridge/puente raíz. Al principio, todos los switches 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 root bridge/puente raíz.

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

Elegir el puente raíz STP

Elegir el puente raíz

3. Impacto de BIDs 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 switch con la dirección MAC más baja se convertirá en el root bridge/puente raíz. Para asegurar que el root bridge/puente raíz elegido cumpla con los requisitos de la red, se recomienda que el administrador configure el switch de root bridge/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 switch se convierte en el root bridge/puente raíz. El switch 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.

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 switch (32768 + 1).

BIDs por defecto

BIDs por defecto

4. Determinar el Costo de la Ruta Raíz/Root


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/broadcast. 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 switch hasta el puente raíz.

Nota: El BPDU incluye el costo de la ruta raíz. Este es el costo de la ruta desde el switch de envío hasta el puente raíz.

Cuando un switch recibe la BPDU, agrega el costo del puerto de entrada del segmento para determinar el costo interno de la ruta 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.

Velocidad de enlaceCosto STP: IEEE 802.1D-1998Costo RSTP: IEEE 802.1w-2004
10 Gbps22,000
1 Gbps420,000
100 Mbps19200,000
10 Mbps1002,000,000

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 root bridge/puente raíz.

5. (2) Elegir los Puertos Raíz/Root Ports

Después de determinar el puente raíz, se utiliza el algoritmo STA para seleccionar el root port/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 raíz 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 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.

Elegir los Puertos Raíz

Elegir los Puertos Raíz

6. (3) Elegir 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 root bridge/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 única ruta desde cada switch hasta el puente raíz.

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

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.

Puertos Designados en el Puente Raíz

Puertos Designados en el Puente Raíz

Todos los puertos del puente raíz son puertos designados.

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 switch 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 con Puerto Raíz

Puerto Designado con Puerto Raíz

La interfaz Fa0/1 en S4 es un puerto designado porque la interfaz Fa0/3 de S3 es un puerto raíz/root port..

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 desempate. 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.

Puerto Designado sin Puerto Raíz

Puerto Designado sin Puerto Raíz

La interfaz Fa0/2 de S2 es el puerto designado en el segmento con S3.

7. (4) Elegir 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 switches están en estado de reenvío. Esta es la parte de prevención de bucles de STP.

Elegir Puertos Alternativos o Bloqueados

Elegir Puertos Alternativos o Bloqueados

La interfaz Fa0/2 de S3 no es un puerto raíz o un puerto designado, por lo que se convierte en un puerto alternativo o bloqueado.

8. Elige un Puerto Raíz a partir de varias Rutas de igual coste

El puerto raíz y los puertos designados se basan en el menor coste de la ruta hasta el puente raíz. ¿Pero qué pasa si el switch tiene múltiples rutas de igual costo para el puente raíz? ¿Cómo designa un switch un puerto raíz?

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

  1. BID de remitente/emisor más baja
  2. Prioridad de puerto del remitente más baja
  3. ID de puerto del remitente más bajo

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

La figura muestra una topología con cuatro switches, incluido el switch 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 desempate. 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.

BID de Emisor más Baja

BID de Emisor más Baja

Para demostrar estos dos criterios siguientes, la topología se cambia a uno donde dos switches están conectados con dos rutas 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 switch, el BID (S1) del remitente es igual. Así que 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 empate. 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.

Prioridad de Puerto del Remitente más baja

Prioridad de Puerto del Remitente más baja

El último desempate es el ID de puerto del remitente más bajo. El Switch S4 ha recibido BPDU desde el puerto F0/1 y el puerto F0/2 en S1. Recuerda 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 switch 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.

ID de Puerto del Remitente más bajo

ID de Puerto del Remitente más bajo

9. Temporizadores STP y Estados de puerto

La convergencia STP requiere tres temporizadores, como sigue:

  • Hello Timer -El tiempo de saludo es el intervalo entre BPDUs. El valor predeterminado es 2 segundos, pero se puede modificar entre 1 y 10 segundos.
  • Forward Delay Timer -El retardo hacia adelante es el tiempo que se pasa en el estado de escucha/listening y aprendizaje/learning. El valor predeterminado es 15 segundos, pero se puede modificar a entre 4 y 30 segundos.
  • Max Age Timer 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.

Note: 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.

Estados de puerto STP

Estados de puerto STP

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

Estado del puertoDescripción
Bloqueo/BlockingEl puerto es un puerto alternativo y no participa en el reenvío de la trama. El puerto recibe tramas BPDU para determinar la ubicación y el ID de la raíz del puente raíz. Las tramas BPDU también determinan los roles de puerto que cada puerto del switch debe asumir en la topología STP activa final. Con un Max Age Timer de 20 segundos, un puerto de switch que no haya recibido un BPDU esperado de un switch vecino entrará en el estado de bloqueo.
Escucha/ListeningDespués del estado de bloqueo, un puerto se moverá al estado de escucha. El puerto recibe BPDUs para determinar el camino a la raíz. El puerto del switch también transmite sus propias tramas BPDU e informa a los switches adyacentes que el puerto del switch se está preparando para participar en la topología activa.
Aprendizaje/LearningEl puerto de un switch pasa al estado de aprendizaje después del estado de escucha. Durante el estado de aprendizaje, el puerto del switch recibe y procesa BPDUs y se prepara para participar en el reenvío de tramas. También comienza a poblar la tabla de direcciones MAC. Sin embargo, en el estado de aprendizaje, las tramas del usuario no se reenvían al destino.
Reenvío/ForwardingEn el estado de reenvío, un puerto de switch se considera parte de la topología activa. El puerto del switch reenvía el tráfico de los usuarios y envía y recibe tramas BPDU.
Deshabilitado/DisabledUn puerto de switch en el estado deshabilitado no participa en la expansión árbol y no reenvía tramas. El estado de desactivación se establece cuando el puerto del switch está desactivado administrativamente.

10. Detalles Operativos de cada Estado de Puerto

En el cuadro se resumen los detalles operacionales de cada estado portuario.

Estado del puertoBPDUTabla direcciones MACReenvío de tramas datos
BloqueoRecibir soloNo hay actualizaciónNo
EscuchaRecibir y enviarNo hay actualizaciónNo
AprendizajeRecibir y enviarActualización de la tablaNo
ReenvíoRecibir y enviarActualización de la tabla
DeshabilitadoNo se ha enviado ni recibidoNo hay actualizaciónNo

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.

En las versiones Per-VLAN Spanning Tree (PVST) de STP, hay un puente de raíz elegido para cada instancia de árbol de expansión. Esto hace posible tener diferentes puentes de raíz para diferentes conjuntos de VLANs. STP opera una instancia separada de STP para cada VLAN individual. Si todos los puertos de todos los switches son miembros de la VLAN 1, entonces sólo hay una instancia de árbol de expansión.

Glosario: Si tienes dudas con algún término especial, puedes consultar este diccionario de redes informáticas.

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