.8. Árbol de Expansión, (Spanning Tree). Unidad 3 Redes LAN Multisegmento

Redes Locales y Corporativas 2010
Unidad 3 Redes LAN Multisegmento
.8. Árbol de Expansión, (Spanning Tree).
El protocolo de Árbol de Expansión o Spanning Tree, tal cual es su nombre en inglés fue el elegido
para resolver el cálculo de la topología en las redes con segmentos múltiples con Puentes. Se basa
en un algoritmo matemático que puede calcular los grafos y determinar bucles en tal estructura de
grafos.
Para el caso de las redes LAN en Capa 2 se utiliza el Protocolo de Árbol de Expansión, STP,
(Spanning Tree Protocol). El protocolo fue desarrollado originalmente por Radia Perlman en la
empresa Digital; existiendo dos versiones de tal protocolo, el original, desarrollado por Digital y
conocido como DEC STP y el homologado por la IEEE, como protocolo IEEE 802.1D.
Lamentablemente ambos protocolos no son compatibles entre si, y un gestor de red deberá optar por
alguno de los dos.
Un Grafo con Bucles se puede transformar en uno sin, al convertirlo en un ‘árbol en
Expansión’, (spanning tree)
El árbol es de naturaleza jerárquica y sin ‘enlaces’ redundantes
Nodo Raíz
Hoja 1 (Rama)
Nodo C
Hoja 2 (Rama)
Nodo B
Nodo D
Nodo I
Nodo E
Nodo F
Nodo G
Nodo H
Nodo M
Nodo O
Nodo Q
Nodo K
Nodo
P
Nodo L
Nodo N
Nodo J
Nodo R
Nodo S
Toda Topología de Red que pueda ser transformada en un Árbol de Expansión permite
eliminar sus Bucles
El Problema radica en cuales son los enlaces que deben ‘permanecer’ y cuales ‘eliminarse’; para ello
se utiliza la noción de costo y en particular el ‘Camino más Corto’
La función del protocolo es la de gestionar la presencia de bucles en la topología de red,
normalmente tales bucles se producen por la existencia de enlaces redundantes, los cuales son
necesarios para garantizar la disponibilidad de las conexiones.
Si la configuración de STP cambia, o si un segmento en la red redundante llega a ser inalcanzable, el
algoritmo reconfigura los enlaces y restablece la conectividad, activando uno de los enlaces que ha
quedado desactivado como reserva. En el caso que el protocolo falle puede ser posible que dos
conexiones queden activas simultáneamente para una misma interconexión, lo que podría dar lugar a
un bucle de tráfico infinito en la LAN, que es lo que se trata de evitar.
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Resuelve el problema de bloqueo de la red debido a los bucles
El intercambio de información entre los Puentes se realiza por el Bridge Protocol (BP)
Los mensajes se denominan BPDUs (Bridge Protocol Data Units) y periódicamente remiten
información sobre los enlaces del Puente
Los BPDUs emplean un Ethertype propio y se envían a la dirección multicast 01 -80-C2-00-00-00,
reservada en los Puentes para que se comuniquen entre si
Esto garantiza la identificación y el despacho simple en la red
El Identificador (ID) del Puente es su dirección MAC ‘canónica’
Se asume como Nodo Raíz al Puente con ID más bajo
Cada Puerto del Puente recibe un Identificador
El Puerto tiene asociado un costo, inversamente proporcional a su velocidad
Ej.: Puerto 10BASE-T costo 100, Puerto 100 BASE-T costo 10)
El Protocolo permite crear topologías redundantes, para mejorar la tolerancia a fallos
El tiempo de reacción ante fallos es lento (minutos), y resulta difícil mejorarlo en rendes
extensas, por lo cual no es recomendable para redes de alta disponibilidad
Spanning Tree es parte opcional de la especificación de puentes transparentes (802.1D)
Puede no estar presente en algunos equipos
En 2001 se incorporó la 802.1W Rapid Spanning Tree (RST), que converge en segundos
Un árbol de expansión permanece vigente hasta que ocurre un cambio en la topología, situación que
el protocolo es capaz de detectar de forma automática. El máximo tiempo de duración del árbol de
expansión es de cinco minutos. Cuando ocurre uno de estos cambios, el puente raíz actual redefine
la topología del árbol de expansión o elige un nuevo puente raíz, en caso de cambio de la menor
dirección MAC canónica presente en la red.
El Puente se ‘anuncia’ enviando por sus interfaces mensajes BPDU multicast
Los Mensajes BPDU contienen:
La ID del Puente
La ID del Puente que considera Raíz
El costo, (cantidad de saltos) para llegar al Puente Raíz
Cuando un Puente recibe el mensaje anterior verifica:
Si la ID del Raíz más pequeña que la que el Puente posee
Si la ID de la Raíz es la misma, pero el costo menor
Si la ID del remitente es menor
Con tal información el Puente puede determinar cual es el Puente Raíz (o actualizarlo)
Al reenviar los mensajes de otros, les suma el costo de la interfaz por la que los emite
Cada puente calcula por que Puerto llega al Raíz al mínimo costo (distancia Mínima) y lo
denomina Puerto Raíz.
En caso de empate se elige el puerto con ID más bajo
Cada Segmento posee un Puente Designado, por el cual accede al Puente Raíz al
mínimo costo
El Puerto Designado de un Puente, es aquel por el cual el Segmento accede al Puente Raíz
al mínimo costo
Los puertos que no son ni raíz ni designados se bloquean ya que pueden establecer
Conexiones Redundantes que provocarán bucles
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Dada una red y una topología el puente raíz es siempre el mismo, independientemente del orden
como se enciendan los equipos
El criterio del ID más bajo puede resultar en la elección como raíz de un puente periférico o poco
importante. Normalmente esto no es problema porque el criterio de costos más bajos suele elegir
rutas adecuadas, pero el puente raíz puede ser inestable (por ejemplo si se apaga a menudo); y esto
obligará a recalcular todo el árbol frecuentemente; lo cual consume procesamiento en los Puentes y
provoca inestabilidades.
La elección del puente raíz se puede alterar con el parámetro prioridad. Si a un puente le damos
menor prioridad ese será raíz sea cual sea su ID. La prioridad puede valer de 0 a 65535. Por defecto
es 32768. Dentro de un puente los puertos también se eligen por identificador, el más bajo primero,
es decir se bloquea el más alto (suponiendo el mismo costo). También hay una prioridad por puerto
que permite modificar el orden por defecto (rango 0-255 por defecto 128).
3.9 Mapeo de un Árbol de Expansión.
En el gráfico se ilustran las topologías inicial y final de una red con Puentes y operando por medio del
protocolo de Árbol de Expansión
Bridge 2
Bridge 1
Segmento 1
Segmento 2
Bridge 4
Bridge 3
Segmento 3
Bridge 5
Segmento 4
Topología de la Red
Redundante
Bridge 6
Bridge 7
Segmento 5
Bridge 8
Segmento 6
Bridge 9
Segmento 8
Bridge 10
Segmento 9
Bridge 11
Segmento 2
Bridge 4
Bridge 12
Segmento 11
Segmento 10
Bridge 2
Bridge 1
Segmento 1
Segmento 7
Bridge 3
Segmento 3
Bridge 5
Segmento 4
Topología de la Red
Jerárquica por
Árbol de Expansión
Bridge 6
Bridge 7
Segmento 5
Bridge 8
Segmento 8
Segmento 6
Bridge 9
Bridge 10
Segmento 9
Se han eliminado tres enlaces
Segmento 7
Bridge 11
Bridge 12
Segmento 10
Segmento 11
Se puede observar la existencia de enlaces redundantes, que para el caso ilustrado son los
indicados por medio de un trazo negro grueso. Tales enlaces son detectados por el protocolo STP, el
cual calcula una topología lógica sin bucles, la cual es la que se ilustra en el gráfico inferior como
topología lógica resultante para la operación de la red por medio de los Puentes.
En el ejemplo siguiente se muestra cómo funciona el protocolo Spanning Tree. Por simplicidad
suponemos aquí que el identificador de cada puente es un número de dos dígitos decimales, aunque
en la realidad ese identificador sería la dirección canónica de seis bytes.
En primer lugar asociamos el costo que corresponde a cada interfaz, de forma inversamente
proporcional a su velocidad. A continuación se elige como puente raíz el de identificador más bajo,
en este caso el 42.
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Segmento 2 (100 Mb/s)
Coste 10
P1
ID 44
ID 45
Puente raíz
Coste 10 P2
P2
ID 42
Puente con dos caminos al
raíz. Bloquea P2 (mayor
coste)
Coste 10
P1
Coste 100
Segmento 5 (10 Mb/s)
Coste 10 P1
Este ya no bloquea nada
pues ya no hay bucles
Coste 100
P2
P2 Coste 100
Interfaz bloqueada
por Spanning Tree
ID 83
Camino de costo 110
P1 Coste 10
Segmento 1 (100 Mb/s)
P2
P1
Coste 100
Coste 10
P3
ID 97
Segmento 3 (10 Mb/s)
Coste 100
Segmento 4 (10 Mb/s)
Después vamos a buscar el puerto raíz de cada puente; para este análisis es fundamental tratar los
puentes por orden descendente de acuerdo con su identificador. Empezamos por tanto por el puente
97, cuyo puerto raíz es el 2 ya que es el único que le conecta con el nodo raíz. El costo de este
camino es de 10. Los puertos 1 y 3 quedan como puertos designados para las LANs 3 y 4,
respectivamente.
El puente 83 tiene dos posibles caminos hacia el nodo raíz, por el puerto 1 (costo 10) o por el puerto
2 (costo 110). Elegimos por tanto como puerto raíz el 1 y bloqueamos el puerto 2.
El puente 45 tiene también dos caminos posibles al nodo raíz, de costo 10 por el puerto 1 y de costo
110 por el 2. Elegimos como puerto raíz el 1 y bloqueamos el 2.
El puente 44 elige como puerto raíz el 1 ya que es el único que le comunica con el puente raíz. El
puerto 2 de este puente queda como puerto designado para la LAN 5.
Por último las LANs 1 y 2 tienen como puertos designados los puertos 1 y 2 del puente raíz,
respectivamente.
3.10 Utilización del Árbol de Expansión en una LAN.
Bridge ID 42
Costo a raíz 0
Port ID 1
Costo 10
Port ID 2
Costo 10
Puerto
designado
Puerto
designado
LAN 1
Puerto raíz
LAN 2
Puerto raíz
Puerto raíz
Puerto raíz
Port ID 2
Costo 10
Port ID 1
Costo 10
Port ID 1
Costo 10
Port ID 1
Costo 10
Bridge ID 97
Costo a raíz 10
Bridge ID 83
Costo a raíz 10
Bridge ID 45
Costo a raíz 10
Bridge ID 44
Costo a raíz 10
Port ID 2
Costo 100
Port ID 2
Costo 100
Port ID 2
Costo100
Port ID 1
Costo 100
Puerto
designado
LAN 3
Port ID 3
Costo 100
Puerto
designado
LAN 4
Puertos bloqueados
por Spanning Tree
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Puerto
designado
LAN 5
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En este ejemplo se ilustra el re-cálculo de la topología de la red por cambio de los nodos de Puentes,
para él caso de que se produjera un cambio si el puente 44 dejara de funcionar, entonces el puerto 2
del puente 45 se desbloquearía quedando como puerto designado para la LAN 5.
Los puertos de los Puentes pueden inicializarse de forma diferente, tal como se indica a
continuación.
Los Puertos de un Puente inician en estado ‘blocking’ al conectase
En tal estado no reencaminan tramas; solo captan y procesan las BPDUs que llegan
Si el Puente no detecta Bucle para tal Puerto, lo pasa al estado ‘listening’
Comienza a emitir las BPDUs según lo calculado en el Puente
Si no se detectan bucles, (por actualizaciones de otros puentes), pasa al estado ‘learning’
El Puente aprende las direcciones MAC de origen de las tramas que le llegan, pero sin reenvíalas
Si no se detectan bucles, (por actualizaciones de otros puentes), pasa al estado ‘forwarding’
El Puente inicia la retransmisión de las tramas que le llegan según el Árbol de Expansión detectado
Este procedimiento evita el bloqueo de la red al habilitar un nuevo Puente o Puerto
El Procedimiento se realiza cada vez que se conecta una interfaz, lo cual implica que al conectar una
Interfaz el puente tardará entre 10 y 20 segundos antes de empezar a remitir tramas
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