5.1 Proposito del STP

5.1.1 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. 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 un enlace se interrumpe y interrumpa el bucle.

5.1.2 Protocolo de árbol de extensión

El protocolo de árbol de expansión (STP) 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.

Haga clic en Reproducir en la figura para ver una animación de STP en acción.

5.1.3 Recalcular STP

5.1.4 Problemas con los vínculos 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 conmutadores, 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 conmutadores y dispositivos finales, lo que hace que la red se vuelva inutilizable.

A diferencia de los protocolos de Capa 3, IPv4 e IPv6, Layer 2 Ethernet no incluye un mecanismo para reconocer y eliminar tramas de bucle sin fin. Tanto IPv4 como IPv6 incluyen un mecanismo que limita la cantidad de veces que un dispositivo de red de Capa 3 puede retransmitir un paquete. Un router disminuirá el TTL (Tiempo de vida) en cada paquete IPv4 y el campo Límite de saltos 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 switches retransmite una trama de Capa 2. STP fue desarrollado específicamente como un mecanismo de prevención de bucles para Ethernet de Capa 2.

5.1.5 Bucles de la 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 conmutador, 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 conmutador 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.

Haga 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.

5.1.6 Tormenta de difusión (Broadcast Storm)

Una tormenta de difusión es un número anormalmente alto de emisiones 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 conmutadores 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 emisiones 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 difusión por el conmutador. Por lo tanto, aunque los paquetes IPv6 nunca se reenvían como una difusión de Capa 2, ICMPv6 Neighbor Discovery utiliza multidifusión de Capa 2.

Haga clic en Reproducir en la figura para ver una animación que muestra los efectos cada vez más adversos de un bucle a medida que los fotogramas 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 conmutador no sabe desde qué puerto reenviar las tramas de unidifusión. En la animación anterior, los conmutadores 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, 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.

5.1.7 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 "Un algoritmo para la computación distribuida de un árbol de expansión en una LAN extendida". Su algoritmo de árbol de expansión (STA) crea una topología sin bucles al seleccionar un único puente raíz donde todos los demás conmutadores determinan una única ruta de menor costo.

Sin el protocolo de prevención de bucles, se producirían bucles que harían inoperable una red de conmutadores redundantes.