Propósito de STP
Resumen
Este tema explica los problemas comunes en una red redundante de conmutación L2. ¡¡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.
Tabla de Contenido
1. Redundancia en Redes Conmutadas de Capa 2
En este tema se tratan las causas de los bucles en una red de capa 2 y se explica brevemente cómo funciona el protocolo de árbol de expansión (spanning tree protocol). La redundancia es una parte importante del diseño jerárquico para eliminar puntos únicos de falla y prevenir la interrupción de los servicios de red para los usuarios. Las redes redundantes requieren la adición de rutas físicas, pero la redundancia lógica también debe formar parte del diseño. Tener rutas físicas alternativas para que los datos atraviesen la red permite que los usuarios accedan a los recursos de red, a pesar de las interrupciones de la ruta. Sin embargo, las rutas redundantes en una red Ethernet conmutada pueden causar bucles físicos y lógicos en la capa 2.
Las LAN Ethernet requieren una topología sin bucles con una única ruta entre dos dispositivos. Un bucle en una LAN Ethernet puede provocar una propagación continua de tramas Ethernet hasta que se interrumpa un enlace y se rompa el bucle.
2. Protocolo de Árbol de Expansión
Spanning Tree Protocol (STP) o Protocolo de árbol de expansión es un protocolo de red de prevención de bucles que permite redundancia mientras crea una topología de capa 2 sin bucles. IEEE 802.1D es el estándar original IEEE MAC Bridging para STP.
Haz clic en Reproducir en la figura para ver una animación de STP en acción.
Operación normal de STP
3. Recalcular STP
Haga clic en Reproducir en la siguiente figura para ver una animación del recálculo de STP cuando ocurre una falla.
STP compensa una falla de red
4. Problemas con Enlaces de Switch Redundantes
La redundancia de ruta proporciona múltiples servicios de red al eliminar la posibilidad de un solo punto de falla. Cuando existen múltiples rutas entre dos dispositivos en una red Ethernet, y no hay implementación de árbol de expansión en los switches, se produce un bucle de capa 2. Un bucle de capa 2 puede provocar inestabilidad en la tabla de direcciones MAC, saturación de enlaces y alta utilización de CPU en switches y dispositivos finales, lo que hace que la red se vuelva inutilizable.
A diferencia de los protocolos de Capa 3, IPv4 e IPv6, Ethernet de Capa 2 no incluye un mecanismo para reconocer y eliminar las tramas de bucle sin fin. Tanto IPv4 como IPv6 incluyen un mecanismo que limita el número de veces que un dispositivo de red de Capa 3 puede retransmitir un paquete. Un router disminuirá el TTL (Time to Live) en cada paquete IPv4, y el campo Hop Limit en cada paquete IPv6. Cuando estos campos se reducen a 0, un router dejará caer el paquete. Los switches Ethernet y Ethernet no tienen un mecanismo comparable para limitar el número de veces que un switch retransmite una trama de capa 2. STP fue desarrollado específicamente como un mecanismo de prevención de bucle para Ethernet de Capa 2.
5. Bucles de Capa 2
Sin STP habilitado, se pueden formar bucles de capa 2, lo que hace que las tramas de difusión, multidifusión y unidifusión desconocidos se reproduzcan sin fin. Esto puede derribar una red en un período de tiempo muy corto, a veces en pocos segundos. Por ejemplo, las tramas de difusión, como una solicitud ARP, se reenvían a todos los puertos del switch, excepto el puerto de entrada original. Esto asegura que todos los dispositivos en un dominio de difusión reciban la trama. Si hay más de una ruta para reenviar la trama, se puede formar un bucle infinito. Cuando se produce un bucle, la tabla de direcciones MAC en un switch cambiará constantemente con las actualizaciones de las tramas de difusión, lo que resulta en la inestabilidad de la base de datos MAC. Esto puede causar una alta utilización de la CPU, lo que hace que el switch no pueda reenviar tramas.
Las tramas de difusión no son el único tipo de tramas que son afectadas por los bucles. Si se envían tramas de unidifusión desconocidas a una red con bucles, se puede producir la llegada de tramas duplicadas al dispositivo de destino. Una trama de unidifusión desconocida se produce cuando el switch no tiene la dirección MAC de destino en la tabla de direcciones MAC y debe reenviar la trama a todos los puertos, excepto el puerto de ingreso.
Haz clic en Reproducir en la figura para ver la animación. Cuando la animación se detiene, lea el texto que describe la acción. La animación continuará después de una pausa breve.
6. Tormenta de Difusión
Una tormenta de difusión/broadcast es un número anormalmente alto de broadcasts que abruman la red durante un período específico de tiempo. Las tormentas de difusión pueden deshabilitar una red en cuestión de segundos al abrumar los switches y los dispositivos finales. Las tormentas de difusión pueden deberse a un problema de hardware como una NIC defectuosa o a un bucle de capa 2 en la red.
Las broadcasts de capa 2 en una red, como las solicitudes ARP, son muy comunes. Es probable que un bucle de capa 2 tenga consecuencias inmediatas y de desactivación en la red. Las multidifusión de capa 2 normalmente se reenvían de la misma manera que una broadcast por el switch. Por lo tanto, aunque los paquetes IPv6 nunca se reenvían como una difusión de Capa 2, ICMPv6 Neighbor Discovery utiliza multidifusión de Capa 2.
Haz clic en Reproducir en la figura para ver una animación que muestra los efectos cada vez más adversos de un bucle a medida que las tramas de difusión y de unidifusión desconocidos continúan propagándose indefinidamente en una tormenta de difusión.
Un host atrapado en un bucle de capa 2 no está accesible para otros hosts en la red. Además, debido a los constantes cambios en su tabla de direcciones MAC, el switch no sabe desde qué puerto reenviar las tramas de unidifusión. En la animación anterior, los switches tendrán los puertos incorrectos listados para PC1. Cualquier trama de unidifusión con destino a la PC1 se repite en bucle por la red, como lo hacen las tramas de difusión. Cuando se repiten en bucle cada vez más tramas en la red, se termina creando una tormenta de difusión.
Para evitar que ocurran estos problemas en una red redundante, se debe habilitar algún tipo de árbol de expansión en los switches. De manera predeterminada, el árbol de expansión está habilitado en los switches Cisco para prevenir que ocurran bucles en la capa 2.
7. El Algoritmo de Árbol de expansión
STP se basa en un algoritmo inventado por Radia Perlman mientras trabajaba para Digital Equipment Corporation, y publicado en el artículo de 1985 “An Algorithm for Distributed Computation of a Spanning Tree in an Extended LAN“. Su algoritmo de árbol de expansión (STA) crea una topología sin bucles al seleccionar un único puente raíz (root bridge) donde todos los demás switches determinan una única ruta de menor costo.
Sin el protocolo de prevención de bucles, se producirían bucles que harían inoperable una red de switch redundantes.
- Topología del Escenario STA
- Seleccionar el Root Bridge
- Bloquear Rutas Redundantes
- Topología sin Bucle
- Falla del Enlace causa Recálculo
Este escenario STA utiliza una LAN Ethernet con conexiones redundantes entre varios switches.
El algoritmo de árbol de expansión comienza seleccionando un único puente raíz/root bridge. La figura muestra que el switch S1 se ha seleccionado como puente raíz/root bridge. En esta topología, todos los enlaces tienen el mismo costo (mismo ancho de banda). Cada switch determinará una única ruta de menor costo desde sí mismo hasta el puente raíz/root bridge.
Note: STA y STP se refieren a switches como puentes/bridges. Esto se debe a que en los primeros días de Ethernet, los switches se denominaban bridges.
STP asegura que solo haya una ruta lógica entre todos los destinos en la red al bloquear intencionalmente las rutas redundantes que podrían causar un bucle, como se muestra en la figura. Cuando se bloquea un puerto, se impide que los datos del usuario entren o salgan de ese puerto. El bloqueo de las rutas redundantes es fundamental para evitar bucles en la red.
Los switches S4, S5 y S8 han bloqueado rutas redundantes al puente raíz.
Un puerto bloqueado tiene el efecto de convertir ese enlace en un enlace sin-reenvío entre los dos switches, como se muestra en la figura. Observa que esto crea una topología en la que cada switch tiene una única ruta al puente raíz/root bridge, similar a las ramas de un árbol que se conectan a la raíz del árbol.
Cada switch tiene ahora sólo una ruta de reenvío al puente raíz.
Las rutas físicas aún existen para proporcionar la redundancia, pero las mismas se deshabilitan para evitar que se generen bucles. Si alguna vez la ruta es necesaria para compensar la falla de un cable de red o de un switch, STP vuelve a calcular las rutas y desbloquea los puertos necesarios para permitir que la ruta redundante se active. Los recálculos STP también pueden ocurrir cada vez que se agrega un nuevo switch o un nuevo enlace entre switches a la red.
La figura muestra un error de enlace entre los switches S2 y S4 que hace que STP se vuelva a calcular. Observa que el enlace anteriormente redundante entre S4 y S5 se está reenviando para compensar este error. Todavía hay solo una ruta entre cada switch y el puente raíz/root bridge.
STP evita que ocurran bucles mediante la configuración de una ruta sin bucles a través de la red, con puertos “en estado de bloqueo” ubicados estratégicamente. Los switches que ejecutan STP pueden compensar las fallas mediante el desbloqueo dinámico de los puertos bloqueados anteriormente y el permiso para que el tráfico se transmita por las rutas alternativas.
8. Packet Tracer – Investigar la Prevención de Bucles STP
En esta actividad de Packet Tracer, completarás los siguientes objetivos:
- Crear y configurar una red simple de tres switches con STP.
- Ver operación STP
- Desactivar STP y volver a visualizar la operación.
Glosario: Si tienes dudas con algún término especial, puedes consultar este diccionario de redes informáticas.
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