Parte 1 - STP (Spanning Tree Protocol)

STP (Spanning Tree
Protocol)
Adaptado para ISI por Enrique Ostúa
Noviembre 2015
ISI: Infraestructura de Sistemas de Información
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Índice
 Redundancia
en una red convergente
 Cómo STP elimina los bucles de nivel 2
 El algoritmo STP
 Rapid STP
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¿Dónde estamos?
LAN Design
Switching
Básico
VLANs
VTP
Wireless
STP
Rutado entre
VLANs
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¿Qué queremos?
 Redundancia
en el
nivel de distribución
y/o el núcleo
 Multiples switches y
enlaces troncales
 Cuando un enlace o
switch se cae, otro
toma su lugar
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Pero redundancia provoca bucles
 Los
bucles en switchs traen estos problemas
si todos los enlaces están activos:



Tormenta de broadcasts
Transmisión multiple de una trama
Tablas de conmutación inconsistentes
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Tormenta de broadcasts
2º El broadcast
lo reenvía el
primer switch,
salen 2 tramas
(rojo y rosa)
3º Cada uno
se reenvia una
y otra vez, no
hay manera de
pararlo
1º Envía
ARP
request
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Transmisión multiple de una trama
2º A en E3, B
no sé, así
que reenvío
por E1 y E2
(rojo y rosa)
1º Envía
trama a B
3º Llega la
roja ¡ok!
A
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B
4º Llega la
rosa
¡duplicado!
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Tablas de conmut. inconsistentes
2º A en E3, B
no sé, así
que reenvío
por E1 y E2
A está en E1!
A está en E2?!?
1º Envía
trama a B
A
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B
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¡Bucles por error!
 Incluso
aunque no busquemos tener bucles
para añadir redundacia, puede que se
produzca un bucle por un error de
conexionado...
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Etherchannel – no provoca bucles
En Etherchannel se agregan los enlaces para
que actuen como un único enlace y poder
combinar su ancho de banda. Esas multiples
conexiones no forman un bucle.
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Redundancia sin bucles
 Debe
haber un único camino en cada
momento
 Los caminos redundantes deben ser
desactivados, pero estar alerta para ser
activados si fuese necesarios
 Esto se debe conseguir de manera rápida y
automática
 Spanning
Tree Protocol lo hace.
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¿Qué es un árbol de expansión?
(Spanning Tree)
Un
topología en Árbol (Tree)
 Un
árbol no tiene bucles
Expansión
(Spanning) a todos los
dispositivos
 Todos
los dispositivos están
interconectados
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Esto no es un “spanning tree”

No es un árbol, porque tiene bucles.
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Esto no es un “spanning tree”

No es expandido, hay un dispositivo fuera.
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Esto sí es un “spanning tree”

Es un aŕbol (no hay bucles), incluye a todos los
dispositivos.
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Spanning tree protocol
 Lo
usan los switches para convertir una
topologia redundante en un “spanning tree”
 Desactiva enlaces bloqueando algunos puertos
 STP: IEEE 802.1d (de 1990, revisado en 1998)
 Rapid STP: IEEE 802.1w (de 2004, deja en
desuso a STP)
 Switchs normalmente corren STP por defecto –
no es necesario activarlo.
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Algoritmo “Spanning tree”
Se sigue este algoritmo para decidir qué
puertos se van a desactivar
1. Elegir un switch que sea “root bridge”
2. Elegir un “root port” en los demás switchs.
3. Elegir un “designated port” en cada
segmento LAN.
4. Desactivar todos los demás ports (los que
no son “root” ni “designated”).
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Un primer vistazo
Root bridge
Designated port
Root port
Root port
Designated port
Root port
Designated port
Designated port
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Not chosen
Close down
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1º Elegir un “root bridge”
 Cada
switch tiene un bridge ID (BID) con un
“valor de prioridad seguido de dirección MAC”.
 Los switchs intercambian BPDUs (Bridge
Protocol Data Units) para comparar sus BIDs.
 El switch con el BID más bajo es elegido el
“root bridge”.
 El administrador puede fijar la “prioridad” del BID
para forzar la elección (vale 32768 por defecto).
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Configurar prioridad


Puede fijar un valor (¡siempre multiplos de 4096!):
 SW1# spanning-tree vlan 1 priority 24576
O indirectamente:
 SW1# spanning-tree vlan 1 root primary
 (fija a 24576, o a un valor 4096 menos el valor
más bajo detectado en la red)
 SW1# spanning-tree vlan 1 root secondary
 (fija a 28672. este switch será el “root bridge”
cuando el primario falle)
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Detalle de la elección




Un switch arranca. Envía BPDU con su propio BID y
el “root bridge BID” cada 2 segundos.
Inicialmente los switchs se identifican a si mismos
como el “root bridge”.
Si un switch recibe un BPDU de un BID más bajo
entonces identifica al switch con ese BID como “root
bridge”. Y pasa esa información en las siguientes
BPDUs que envíe.
En algún momento todos los switchs se pondrán de
acuerdo en que el switch con el BID más bajo es único
y es el “root bridge”.
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2º Elegir los “root ports”

Todos los switchs, salvo el “root bridge”, tendrán un
“root port”, que será el que tenga el menor coste en
el camino hacia el “root bridge”.
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El coste de un enlace
 Depende
de la velocidad del enlace, fijada
por el IEEE, y actualizada en nuevas
revisiones de Ethernet.
Velocidad enlace
10 Gbps
1 Gbps
100 Mbps
10 Mbps
Coste revisado
2
4
19
100
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Coste previo
1
1
10
100
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Fijando el coste de un enlace
 SW1(config)#
int fa0/1
 SW1(config-if)# spanning-tree cost 25
 SW1(config-if)# end
 SW1(config)#
int fa0/1
 SW1(config-if)# no spanning-tree cost
 SW1(config-if)# end
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¿Si se tiene el mismo coste?
 Usamos
la prioridad del puerto y el número
de la interfaz.
 Por defecto:
Fa0/1 es
128.1
Fa0/2 es
128.2
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Fijando la prioridad del puerto

SW2(config-if)# spanning-tree port-priority 112
 Prioridad
desde 0 - 240, en saltos de 16.
 Más bajo es más prioritario.
 Por defecto será 128.
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Distribución de los costes
 Cada
BPDU incluye el coste del camino
hasta el “root bridge”, sumando el coste total
de todos los enlaces por los que pasa.
 Cuando un switch recibe una BPDU,
actualiza el coste, añadiendo el coste del
puerto por el que ha recibido esa BPDU.
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3º Elegir los “designated ports”

En cada segmento LAN, el puerto con el menor coste
del camino hasta el “root bridge” se marca como
“designated port”. (“Des” en la figura)
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En caso de mismo coste

Si hay más de uno con el mismo coste mínimo, se elige al
del switch con el BID más bajo. En el ejemplo es B.
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4º Desactivamos los bucles

Cualquier puerto que no sea “root port” ni
“designated port” pasa a un estado bloqueado.
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BPDU: campos
2 bytes
Protocol ID
1 byte
Version
1 byte
Message type
1 byte
Flags
8 bytes
Root ID
4 bytes
Cost of path
8 bytes
Bridge ID
2 bytes
Port ID
2 bytes
Message age
2 bytes
Max age
2 bytes
Hello time
2 bytes
Forward delay
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Admin
BID and path
information
Timers
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Estados de los puertos en STP
 Blocking
– recibe y transmite tramas BPDU.
 Listening - recibe y transmite tramas BPDU.
 Learning - recibe y transmite tramas BPDU y
aprende direcciones MAC.
 Forwarding – actividad completa, reenvía
los datos de usuario.
 Disabled – “shut-down” administrativo.
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Estados y timers
Blocking
Pérdida BPDU
antig. máx = 20 seg
Listening
retraso forw. = 15 seg
Learning
retraso forw. = 15 seg
Forwarding
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Blocking
Al levantar el enlace
por primera vez
“Hello timer” de 2
segundos para enviar
BPDUs.
Puede tardar hasta
50 segundos desde
enlace caido hasta
forwarding otra vez...
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Cisco PortFast
 Un
puerto de acceso que conecta con una estación
de trabajo o un servidor no necesita usar STP y
pasar por distintos estados de espera que ello
conlleva, porque ese puerto no se debe desactivar.
 PortFast permite que un puerto pase del estado
inicial “blocking” al final de “forwarding”
 Si después se conecta un switch en ese puerto, al
recibirse una BPDU pasará otra vez al estado
normal.

SW1(config-if)# spanning-tree portfast
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Verificando spanning tree
Switch-1# show spantree 1
VLAN 1
spanning-tree enabled
spanning-tree type
Designated Root
Designated Root Priority
(1 es el Vlan-ID)
ieee
00-10-0d-b1-78-00
8192
Root bridge
Designated Root Cost
Designated Root Port
Root Max Age
20 sec
0
1/0
Hello Time 2
Bridge ID MAC ADDR
Bridge ID Priority
Bridge Max Age 20 sec
00-10-0d-b1-78-00
8192
Hello Time 2 sec
Forward Delay 15 sec
sec
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Forward Delay 15 sec
Este switch
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TCN: Notificando cambios topología




Una vez que la red converge, el “root bridge” envía
BDPUs pero el resto de switchs no lo hacen
normalmente.
Si hay un cambio en la topología un switch envía
una BPDU especial llamada TCN (Topology Change
Notification) con destino al “root bridge”.
Cada switch que recibe un TCN manda un ACK de
vuelta y reenvia el TCN hacia el “root bridge”, hasta
que finalmente este lo recibe.
El “root bridge” entonces envia BPDUs con el bit TC
(Topology Change) activo.
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Mejoras de STP
Propietarias de Cisco
 Per-VLAN STP (PVST).
 Per-VLAN STP plus
(PVST+) - soporta
IEEE 802.1Q (enlaces
troncales)
 Rapid per-VLAN STP+
(RapidPVST+)
Standard IEEE:
 Rapid spanning tree
protocol (RapidSTP)  Multiple STP (MSTP) -
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PVST+
 STP
separada para cada VLAN. Es el que
usan por defecto muchos switch Catalyst.
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RapidSTP (RSTP)
 Mejora
a STP, pero es compatible con él.
 La convergencia es mucho más rápida.
 Misma BPDU, el campo versión es un “2”.
 Envía BPDUs cada 2 segundos.
 Cambiar los roles de los puertos y sus estados.
 No se usan los timers del mismo modo.
 Un enlace se considera caido cuando se
pierden 3 BPDUs (6 segundos)
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“edge port” en RapidSTP
 Un
puerto que nunca se conectará a otro
switch.
 Pasa al estado de 'forwarding'
inmediatamente.
 La misma idea de Cisco PortFast. De hecho
es la misma sintaxis:

SW1(config-if)# spanning-tree portfast
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Estado de un puerto
Operación...
STP
RapidSTP
ACTIVADO
Blocking
Discarding
ACTIVADO
Listening
Discarding
ACTIVADO
Learning
Learning
ACTIVADO
Forwarding
Forwarding
DESACTIVADO
Disabled
Discarding
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Puertos en RapidSTP
 “root”
y “designated” como en STP.
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“alternate port”
se activa si el
puerto “Des”
falla.
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Puertos en RapidSTP
“backup port”
se activa si falla el
“root port”.
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RapidSTP: roles de los puertos
Forwarding
 Root port
 Designated port
Discarding
 Backup port
 Alternate port

 Edge
Ambos desactivados,
pero listos para activarse
rápidamente...
port
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Consejos de diseño
 “Root
bridge” debería ser un switch de
buenas prestaciones en el centro de la red.
 Minimiza el número de puertos que deben
ser desactivados por STP.
 Usar “VTP pruning”
 Usar switches de nivel 3 en el core.
 Mantener STP corriendo aunque ningun
puerto tenga que ser desactivado.
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