Tipos de Protocolos de Árbol de Expansión (STP)

Variedades de árbol de expansión
  • PVST+
  • PVST+ rápido
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Resumen

Se describe las diferentes variedades de árbol de expansión. Se explica el funcionamiento de Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+) y Rapid Per-VLAN Spanning Tree Plus (RSTP) en un entorno LAN conmutado.

Se describe las diferentes variedades o tipos de árbol de expansión. Además, se explica el funcionamiento de PVST+ y PVST+ rápido en un entorno LAN conmutado.

Desde el lanzamiento del estándar IEEE 802.1D original, surgió una gran variedad de protocolos de árbol de expansión.

1. Lista de protocolos de árbol de expansión

Las variedades de protocolos de árbol de expansión incluyen lo siguiente:

  1. STP: es la versión original de IEEE 802.1D (802.1D-1998 y anterior), que proporciona una topología sin bucles en una red con enlaces redundantes. El árbol de expansión común (CTS) asume una instancia de árbol de expansión para toda la red enlazada, independientemente de la cantidad de VLAN.
  2. PVST+: esta es una mejora de Cisco de STP que proporciona una instancia de árbol de expansión 802.1D para cada VLAN configurada en la red. La instancia aparte admite PortFast, UplinkFast, BackboneFast, la protección BPDU, el filtro BPDU, la protección de raíz y la protección de bucle.
  3. 802.1D-2004: esta es una versión actualizada del estándar STP que incorpora IEEE 802.1w.
    Protocolo de árbol de expansión rápido (RSTP) o IEEE 802.1w: esta es una evolución de STP que proporciona una convergencia más veloz que STP.
  4. PVST+ rápido: esta es una mejora de Cisco de RSTP que utiliza PVST+. PVST+ rápido proporciona una instancia de 802.1w distinta por VLAN. La instancia aparte admite PortFast, la protección BPDU, el filtro BPDU, la protección de raíz y la protección de bucle.
  5. Protocolo de árbol de expansión múltiple (MSTP): es un estándar IEEE inspirado en la anterior implementación de STP de varias instancias (MISTP), exclusivo de Cisco. MSTP asigna varias VLAN en la misma instancia de árbol de expansión. MST es la implementación de Cisco de MSTP, que proporciona hasta 16 instancias de RSTP y combina varias VLAN con la misma topología física y lógica en una instancia de RSTP común. Cada instancia admite PortFast, protección BPDU, filtro BPDU, protección de raíz y protección de bucle.

Es posible que un profesional de red, cuyas tareas incluyen la administración de los switches, deba decidir cuál es el tipo de protocolo de árbol de expansión que se debe implementar.

2. Características de los protocolos de árbol de expansión

A continuación, se detallan características de los diversos protocolos de árbol de expansión. Las palabras en cursiva indican si ese protocolo de árbol de expansión en particular es exclusivo de Cisco o una implementación del estándar IEEE.

Lista de protocolos de árbol de expansión

Imagen 1: Lista de protocolos de árbol de expansión

2.1. STP

Asume una instancia de árbol de expansión IEEE 802.1D para toda la red enlazada, independientemente de la cantidad de VLAN. Debido a que solo hay una instancia, los requisitos de CPU y de memoria para esta versión son menos que para el resto de los protocolos.

Sin embargo, dado que solo hay una instancia, también hay solo un puente raíz y un árbol. El tráfico para todas las VLAN fluye por la misma ruta, lo que puede provocar flujos de tráfico poco óptimos. Debido a las limitaciones de 802.1D, la convergencia de esta versión es lenta.

2.2. PVST+

Es una mejora de Cisco de STP que proporciona una instancia diferente de la implementación de Cisco de 802.1D para cada VLAN que se configura en la red. La instancia aparte admite PortFast, UplinkFast, BackboneFast, la protección BPDU, el filtro BPDU, la protección de raíz y la protección de bucle.

La creación de una instancia para cada VLAN aumenta los requisitos de CPU y de memoria, pero admite los puentes raíz por VLAN. Este diseño permite la optimización del árbol de expansión para el tráfico de cada VLAN. La convergencia de esta versión es similar a la convergencia de 802.1D. Sin embargo, la convergencia es por VLAN.

2.3. RSTP (o IEEE 802.1w)

Es una evolución del árbol de expansión que proporciona una convergencia más rápida que la implementación original de 802.1D. Esta versión resuelve varios problemas de convergencia, pero dado que aún proporciona una única instancia de STP, no resuelve los problemas de flujo de tráfico poco óptimo.

Para admitir una convergencia más rápida, los requisitos de uso de CPU y de memoria de esta versión son apenas más exigentes que los de CTS, pero menos que los de RSTP+.

2.4. PVST+ rápido

Es una mejora de Cisco de RSTP que utiliza PVST+. Proporciona una instancia de 802.1w distinta por VLAN. La instancia aparte admite PortFast, la protección BPDU, el filtro BPDU, la protección de raíz y la protección de bucle.

Esta versión resuelve tanto los problemas de convergencia como los de flujo de tráfico poco óptimo. Sin embargo, esta versión tiene los requisitos de CPU y de memoria más exigentes.

2.5. MSTP

Es el estándar IEEE 802.1s, inspirado en la anterior implementación de MISTP, exclusivo de Cisco. Para reducir el número de instancias de STP requeridas, MSTP asigna varias VLAN con los mismos requisitos de flujo de tráfico en la misma instancia de árbol de expansión.

2.6. MST

Es la implementación de Cisco de MSTP, que proporciona hasta 16 instancias de RSTP (802.1w) y combina muchas VLAN con la misma topología física y lógica en una instancia de RSTP común. Cada instancia admite PortFast, protección BPDU, filtro BPDU, protección de raíz y protección de bucle. Los requisitos de CPU y de memoria de esta versión son menos que los de PVST+ rápido pero más que los de RSTP.

El modo de árbol de expansión predeterminado para los switches Cisco Catalyst es PVST+, que está habilitado en todos los puertos. PVST+ tiene una convergencia mucho más lenta que PVST+ rápido después de un cambio en la topología.

3. Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+)

El estándar IEEE 802.1D original define un árbol de expansión común (CST) que asume solo una instancia de árbol de expansión para toda la red conmutada, independientemente de la cantidad de VLAN. Las redes que ejecutan CST presentan las siguientes características:

  • No es posible compartir la carga. Un uplink debe bloquear todas las VLAN.
  • Se preserva la CPU. Solo se debe calcular una instancia de árbol de expansión.


Cisco desarrolló PVST+ para que una red pueda ejecutar una instancia independiente de la implementación de Cisco de IEEE 802.1D para cada VLAN en la red. Con PVST+, un puerto de enlace troncal en un switch puede bloquear una VLAN sin bloquear otras. PVST+ se puede utilizar para implementar el balanceo de carga de capa 2. Debido a que cada VLAN ejecuta una instancia de STP distinta, los switches en un entorno PVST+ requieren un mayor procesamiento de CPU y un mayor consumo de ancho de banda de BPDU que la implementación de CST tradicional de STP.

Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+)

Imagen 1: Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+)

En un entorno PVST+, los parámetros de árbol de expansión se pueden ajustar para que la mitad de las VLAN reenvíen en cada enlace troncal de uplink. En la Imagen 1, el puerto F0/3 en el S2 es el puerto de reenvío para la VLAN 20, y el F0/2 en el S2 es el puerto de reenvío para la VLAN 10. Esto se logra mediante la configuración de un switch como puente raíz para la mitad de las VLAN en la red y de un segundo switch como puente raíz para la otra mitad de las VLAN. En la ilustración, el S3 es el puente raíz para la VLAN 20, y el S1 es el puente raíz para la VLAN 10. Si hay varios puentes raíz STP por VLAN, se aumenta la redundancia en la red.

3.1. Características de PVST+

Las redes que ejecutan PVST+ presentan las siguientes características:

  • El balanceo de carga puede funcionar de forma óptima.
  • Una instancia de árbol de expansión para cada VLAN que se mantiene puede significar un gran desperdicio de ciclos de CPU para todos los switches en la red (además del ancho de banda que se utiliza en cada instancia para enviar su propia BPDU). Esto solo representaría un problema si se configurara una gran cantidad de redes VLAN.

3.2. Estados de los puertos

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. Para facilitar el aprendizaje del árbol de expansión lógico, cada puerto de switch sufre una transición a través de cinco estados posibles y tres temporizadores de BPDU.

El árbol de expansión queda determinado inmediatamente después de que el switch finaliza el proceso de arranque. 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 este motivo, STP introduce los cinco estados de puerto.

Estados de los puertos PVST+

Imagen 2: Estados de los puertos PVST+

3.2.1. Descripción de loe estados de los puertos

En la Imagen 2, se describen los siguientes estados de puerto que aseguran que no se produzcan bucles durante la creación del árbol de expansión lógico:

  • Bloqueo: el puerto es un puerto alternativo y no participa en el reenvío de tramas. El puerto recibe tramas de BPDU para determinar la ubicación y el ID de raíz del switch del puente raíz y las funciones de puertos que cada uno de éstos debe asumir en la topología final de STP activa.
  • Escucha: escucha la ruta hacia la raíz. STP determinó que el puerto puede participar en el reenvío de tramas según las tramas BPDU que recibió el switch hasta ahora. A esta altura, el puerto de switch no solo recibe tramas BPDU, sino que además transmite sus propias tramas BPDU e informa a los switches adyacentes que el puerto de switch se prepara para participar en la topología activa.
  • Aprendizaje: aprende las direcciones MAC. El puerto se prepara para participar en el reenvío de tramas y comienza a completar la tabla de direcciones MAC.
  • Reenvío: el puerto se considera parte de la topología activa. Reenvía tramas de datos, además de enviar y recibir tramas BPDU.
  • Deshabilitado: el puerto de capa 2 no participa en el árbol de expansión y no reenvía tramas. El estado deshabilitado se establece cuando el puerto de switch se encuentra administrativamente deshabilitado.

Observe que la cantidad de puertos en cada uno de los diversos estados (bloqueo, escucha, aprendizaje o reenvío) se puede mostrar con el comando show spanning-tree summary

3.2.2. Funcionamiento

Para cada VLAN en una red conmutada, PVST+ sigue cuatro pasos para proporcionar una topología de red lógica sin bucles:

  1. Elegir un puente raíz: solo un switch puede funcionar como puente raíz (para una determinada VLAN). El puente raíz es el switch con la menor ID de puente. En el puente raíz, todos los puertos son puertos designados (en particular, los que no son puertos raíz).
  2. Seleccionar el puerto raíz en cada puerto que no es raíz: STP establece un puerto raíz en cada puente que no es raíz. El puerto raíz es la ruta de menor costo desde el puente que no es raíz hasta el puente raíz, que indica la dirección de la mejor ruta hacia el puente raíz. Generalmente, los puertos raíz están en estado de reenvío.
  3. Seleccionar el puerto designado en cada segmento: STP establece un puerto designado en cada enlace. El puerto designado se selecciona en el switch que posee la ruta de menor costo hacia el puente raíz. Por lo general, los puertos designados están en estado de reenvío y reenvían el tráfico para el segmento.
  4. El resto de los puertos en la red conmutada son puertos alternativos: en general, los puertos alternativos se mantienen en estado de bloqueo para romper la topología de bucle de forma lógica. Cuando un puerto está en estado de bloqueo, no reenvía tráfico pero puede procesar los mensajes BPDU recibidos.

3.3. ID de sistema extendido

En un entorno PVST+, la ID de switch extendido asegura que el switch tenga un BID exclusivo para cada VLAN.

ID de sistema extendido PVST+

Imagen 3: ID de sistema extendido PVST+

Por ejemplo, el BID predeterminado de la VLAN 2 sería 32770 (32768 de prioridad, más 2 de ID de sistema extendido). Si no se configuró ninguna prioridad, todos los switches tienen la misma prioridad predeterminada, y la elección de la raíz para cada VLAN se basa en la dirección MAC. Este método es un medio aleatorio para seleccionar el puente raíz.

4. Rapid Per-VLAN Spanning Tree Plus (PVST+ Rápido)

RSTP (IEEE 802.1w) es una evolución del estándar 802.1D original y se incorpora al estándar IEEE 802.1D-2004. La terminología de STP 802.1w sigue siendo fundamentalmente la misma que la de STP IEEE 802.1D original. La mayoría de los parámetros no se modificaron, de modo que los usuarios familiarizados con STP pueden configurar el nuevo protocolo con facilidad. PVST+ rápido es, simplemente, la implementación de Cisco de RSTP por VLAN. Con PVST+ rápido, se ejecuta una instancia de RSTP independiente para cada VLAN.

RSTP

Imagen 4: RSTP

En la imagen 4, se muestra una red que ejecuta RSTP. El S1 es el puente raíz con dos puertos designados en estado de reenvío. RSTP admite un nuevo tipo de puerto: el puerto F0/3 en el S2 es un puerto alternativo en estado de descarte. Observe que no existen puertos bloqueados. RSTP define los estados de puertos como de descarte, aprender o enviar. (no posee el estado de puerto de bloqueo).

RSTP aumenta la velocidad de recálculo del árbol de expansión cuando cambia la topología de la red de la Capa 2. Además, puede lograr una convergencia mucho más rápida en una red configurada en forma adecuada, a veces sólo en unos pocos cientos de milisegundos. RSTP redefine los tipos de puertos y sus estados. Si un puerto está configurado como puerto alternativo o de respaldo, puede cambiar automáticamente al estado de reenvío sin esperar a que converja la red.

4.1. Características de RSTP

A continuación se describen brevemente las características de RSTP:

  • RSTP es el protocolo preferido para evitar los bucles de Capa 2 en un entorno de red conmutada. La mayoría de las diferencias se establecieron con las mejoras del estándar 802.1D original exclusivas de Cisco. Estas mejoras, como las BPDU que transportan y envían información acerca de las funciones de los puertos sólo a los switches vecinos, no requieren configuración adicional y por lo general poseen un mejor rendimiento que las versiones anteriores propiedad de Cisco. Ahora son transparentes y se integran al funcionamiento del protocolo.
  • Las mejoras al estándar 802.1D original exclusivas de Cisco, como UplinkFast y BackboneFast, no son compatibles con RSTP.
  • RSTP (802.1w) reemplaza al estándar 802.1D original y, al mismo tiempo, mantiene la compatibilidad con versiones anteriores. Se mantiene la mayor parte de la terminología del estándar 802.1D original, y la mayoría de los parámetros no se modificaron. Además, 802.1w se puede revertir al estándar 802.1D antiguo para interoperar con switches antiguos por puerto. Por ejemplo, el algoritmo de árbol de expansión de RSTP elige un puente raíz de la misma forma que lo hace el estándar 802.1D original.
  • RSTP mantiene el mismo formato de BPDU que el estándar IEEE 802.1D original, excepto que el campo Versión está establecido en 2 para indicar el protocolo RSTP y el campo Indicadores utiliza los 8 bits.
  • RSTP puede confirmar de manera activa que un puerto puede sufrir una transición segura al estado de enviar sin depender de ninguna configuración de temporizadores.

4.2. BPDU en RSTP

RSTP utiliza BPDU tipo 2, versión 2. El protocolo STP 802.1D original utiliza BPDU tipo 0, versión 0. Sin embargo, los switches que ejecutan RSTP se pueden comunicar directamente con los switches que ejecutan el protocolo STP 802.1D original. RSTP envía BPDU y completa el byte del indicador de una forma ligeramente diferente a la del estándar 802.1D original:

  • La información de protocolo se puede vencer de inmediato en un puerto si no se reciben los paquetes de saludo durante tres tiempos de saludo consecutivos (seis segundos de manera predeterminada) o si caduca el temporizador de antigüedad máxima.
  • Debido a que las BPDU se utilizan como un mecanismo de actividad, tres BPDU perdidas en forma consecutiva indican la pérdida de la conectividad entre un puente y su raíz vecina o puente designado. La rápida expiración de la información permite que las fallas se detecten muy rápidamente.

Nota: al igual que STP, los switches RSTP envían una BPDU con su información actual cada tiempo de saludo (dos segundos, de manera predeterminada), incluso si el puente RSTP no recibe ninguna BPDU del puente raíz.

BPDU en RSTP

Imagen 5: BPDU en RSTP

Como se muestra en la ilustración, RSTP utiliza el byte del indicador de la BPDU versión 2:

  • Los bits 0 y 7 se utilizan para el cambio de topologías y el acuse de recibo, al igual que en el estándar 802.1D original.
  • Del 1 y 6 se utilizan para el proceso de Acuerdo de propuesta (para la convergencia rápida).
  • Los bits del 2 al 5 codifican la función y el estado del puerto.
  • Los bits 4 y 5 se utilizan para codificar la función del puerto mediante un código de 2 bits.

4.3. Puertos de extremo

Un puerto de extremo en RSTP es un puerto de switch que nunca se conecta con otro dispositivo de switch. Sufre la transición al estado de enviar de manera inmediata cuando se encuentra habilitado.

El concepto de puerto de perímetro RSTP corresponde a la característica PortFast de PVST+; un puerto de perímetro se conecta directamente a una estación terminal y supone que no hay ningún dispositivo switch conectado a ella. Los puertos de perímetro RSTP deben pasar de inmediato al estado de reenvío, por lo que se omiten los prolongados estados de puerto de escucha y aprendizaje del estándar 802.1D original.

La implementación de Cisco de RSTP, PVST+ rápido, conserva la palabra clave PortFast mediante el comando spanning-tree portfast para la configuración de puertos de perímetro. Esto hace que la transición de STP a RSTP se dé sin inconvenientes.

En la Imagen 6, se muestran ejemplos de puertos que se pueden configurar como puertos de extremo. En la Imagen 7, se muestran ejemplos de puertos de perímetro.

Nota: no se recomienda configurar un puerto de perímetro para conectarlo a otro switch. Esto puede tener consecuencias negativas para RSTP, ya que puede ocurrir un bucle temporal, lo que posiblemente retrase la convergencia de RSTP.

4.4. Tipos de enlace

Mediante el uso del modo dúplex en el puerto, el tipo de enlace proporciona una categorización para cada puerto que participa en RSTP. Según lo que se conecta a cada puerto, se pueden identificar dos tipos diferentes de enlace:

  • Punto a punto: un puerto que funciona en modo full-duplex generalmente conecta un switch a otro y es candidato para la transición rápida al estado de reenvío.
  • Compartido: un puerto que funciona en modo half-duplex conecta un switch a un hub que conecta varios dispositivos.
Tipos de enlace RSTP

Imagen 8: Tipos de enlace RSTP

El tipo de enlace puede determinar si el puerto puede pasar de inmediato al estado de reenvío, suponiendo que se cumplan ciertas condiciones. Estas condiciones son distintas para los puertos de extremo y para los puertos que no son de extremo. Los puertos que no son de extremo se categorizan en dos tipos de enlaces, punto a punto y compartido. El tipo de enlace se determina automáticamente, pero se puede anular con una configuración de puerto explícita mediante el comando spanning-tree link-type parameter.

Las conexiones de puerto de perímetro y punto a punto son candidatas para la transición rápida al estado de reenvío. Sin embargo, antes de que se considere el parámetro de tipo de enlace, RSTP debe determinar la función de puerto.

4.4.1. Características

Las características de las funciones de puerto en relación con los tipos de enlace incluyen lo siguiente:

  • Los puertos raíz no utilizan el parámetro de tipo de enlace. Los puertos raíz son capaces de realizar una transición rápida al estado de enviar siempre que el puerto se encuentre sincronizado.
  • En la mayoría de los casos, los puertos alternativos y de respaldo no utilizan el parámetro de tipo de enlace.
  • Los puertos designados son los que más utilizan el parámetro de tipo de enlace. La transición rápida al estado de reenvío para el puerto designado ocurre solo si el parámetro de tipo de enlace se establece en point-to-point.
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