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PROTOCOLO SPANNING TREE Y EL ESTÁNDAR IEEE 802.1D EN EL CONTROL DE LOOP EN UNA RED EMPRESARIAL SPANNING TREE PROTOCOL IN THE CONTROL OF LOOP IN A BUSINESS NETWORK

LENIN RODRIGUEZ Universidad Politécnica Territorial “José Antonio Anzoátegui” (UPTJAA), El tigre Edo. Anzoátegui, Pregrado de Ingeniería en Informática, Venezuela E-mail: [email protected]

RESUMEN

Está investigación tuvo como finalidad entender y comprender el protocolo de Spanning Tree y el estándar IEEE, basando en la descripción de todo lo asociado a dicho protocolo y norma, entendiendo que un protocolo es un conjunto de reglas que hacen que la comunicación en una red sea más eficiente, por lo tanto, Un protocolo de comunicaciones de datos es: un conjunto de normas, o un acuerdo, que determina el formato y la transmisión de datos. La capa n de un computador se comunica con la capa n de otro computador. Las normas y convenciones que se utilizan en esta comunicación se denominan colectivamente protocolo de la capa n. El modelo de referencia OSI es un marco que se puede utilizar para comprender cómo viaja la información a través de una red, este un esquema de red descriptivo cuyos estándares aseguran mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnologías de red. El modelo de referencia OSI organiza las funciones de red en siete capas numeradas: Capa 7: Capa de aplicación; Capa 6: Capa de presentación; Capa 5: Capa de sesión; Capa 4: Capa de transporte; Capa 3: Capa de red; Capa 2: Capa de enlace de datos; Capa 1: Capa física El objetivo Spanning Tree es mantener una red libre de loops. Un camino libre de loops se consigue cuando un dispositivo es capaz de reconocer un bucle en la topología y bloquear uno o más puertos redundantes.

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Los Switches intercambian información (BPDU) cada dos segundos si se detecta alguna anormalidad en algún puerto STP cambiara de estado algún puerto automáticamente utilizando algún camino redundante sin que se pierda conectividad en la red.

PALABRAS CLAVE: Spanning Tree, BPDU, IEEE 802.1d, Modelo OSI, protocolo, estándar, . ABSTRACT

The purpose of this research was to understand and understand the Spanning Tree protocol and the IEEE standard, basing on the description of everything associated with said protocol and norm, understanding that a protocol is a set of rules that make communication on a network more efficient, therefore, A data communications protocol is: a set of rules, or an agreement, that determines the format and transmission of data. The n layer of a computer communicates with layer n of another computer. The standards and conventions used in this communication are collectively referred to as layer n protocol. The OSI reference model is a framework that can be used to understand how information travels through a network, this is a descriptive network scheme whose standards ensure greater compatibility and interoperability between different types of network technologies. The reference model OSI organizes network functions into seven numbered layers: Layer 7: Application layer; Layer 6: Presentation layer; Layer 5: Session layer; Layer 4: Transport layer; Layer 3: Network layer; Layer 2: Data link layer; Layer 1: Physical layer The Spanning Tree goal is to maintain a free network of loops. A free path of loops is achieved when a device is able to recognize a loop in the topology and block one or more redundant ports. Switches exchange information (BPDU) every two seconds if an abnormality is detected in any port STP will change some port automatically using some redundant path without losing connectivity in the network. KEY WORDS: Spanning Tree, BPDU, IEEE 802.1d, OSI Model, protocol, standard,.

switches/bridges situados en el nivel 2 de la

INTRODUCCIÓN

jerarquía OSI. El objetivo es acordar entre El Protocolo Spanning-Tree (STP) es un protocolo

de

sincronización

entre

todos los bridges una topología (lógica) única y sin ciclos.

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Es importante destacar que, el modelo

loops son fatales para una red. El 802.1d es

OSI es un estándar desarrollado por la ISO,

el estándar de IEEE para bridges MAC

la cuál es una federación global que

(puentes

representa aproximadamente a 130 países. El

(técnica de reenvío de paquetes que usan los

núcleo de este estándar es el modelo de

switches), el protocolo Spanning Tree y el

referencia OSI, una normativa formada por

funcionamiento de redes 802.11, entre otros.

MAC),

que

incluye

bridging

siete (7) capas que define las diferentes fases por las que deben pasar los datos para viajar

También impide que los bucles que se

de un dispositivo a otro en una red de

forman

cuando

los

puentes

o

los

comunicaciones. En dicho estándar la capa ó

interruptores están interconectados a través

el nivel 2 se refiere al la capa de enlace de

de varias rutas. El algoritmo BPDU logra

datos donde se establece como tarea

mediante el intercambio de mensajes con

primordial es la de corrección de errores.

otros switches para detectar bucles y, a

Hace que el emisor trocee la entrada de datos

continuación, elimina el bucle por el cierre

en tramas, las transmita en forma secuencial

de puente seleccionado interfaces. Este

y procese las tramas de asentimiento

algoritmo garantiza que hay una y sólo una

devueltas por el receptor. Es esta capa la que

ruta activa entre dos dispositivos de red.

debe reconocer los límites de las tramas. Si la trama es modificada por una ráfaga de

STP se ejecuta en bridges y switches en

ruido, el software de la capa de enlace de la

conformidad con 802.1D. Hay diferentes

máquina

una

tipos de STP, pero 802.1D es el más popular

retransmisión de la trama. Es también en esta

y el que se ha implementado ampliamente.

capa donde se debe evitar que un transmisor

El STP en bridges y switches se usa para

muy rápido sature con datos a un receptor

prevenir loops en la red. Utilice STP en

lento. En esta capa se ubican los bridges y

situaciones donde desee links redundantes,

switches.

pero no loops. Los links redundantes son tan

emisora

debe

hacer

importantes como los de respaldo en el caso La especificación para STP es IEEE

de un failover en una red. Una falla en un

802.1D. El propósito principal de STP es

link primario activa los links de respaldo

garantizar que usted no cree loops cuando

para que los usuarios puedan continuar

tenga trayectorias redundantes en su red. Los

utilizando la red. Sin STP en los bridges y

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los switches, dicha falla podría generar un

VLAN específica es muy importante. Puede

loop. Si dos switches conectados ejecutan

elegir el switch root, o bien puede dejar que

diferentes tipos de STP, requieren diferentes

los switches decidan, lo cual es un riesgo. Si

timings para la convergencia. El uso de

usted no controla el proceso de selección de

diferentes tipos

la root, puede haber trayectorias no muy

en los

switches

crea

problemas de timing entre los estados de

óptimas en su red.

Bloqueo y Reenvío. Por lo tanto, se recomienda utilizar los mismos tipos de STP.

Todos

los

switches

intercambian

información para su uso en la selección del switch Descripción de la Tecnología

root

y

para

la

configuración

subsiguiente de la red. Las unidades de datos de protocolo de bridge (BPDU) llevan esta

Con STP, la clave es elegir para todos los

información. Cada switch compara los

switches en la red un root bridge que se

parámetros en la BPDU que el switch envía

convierta en el centro de la red. Las demás

a un vecino con los parámetros en la BPDU

decisiones sobre la red, como qué puerto se

que el switch recibe del vecino.

debe bloquear y qué puerto se debe colocar en el modo de reenvío, se toman desde la

En el proceso de selección de la root de

perspectiva de este root bridge. Un entorno

STP, menos es mejor. Si el Switch A

conmutado, que es diferente a un entorno de

anuncia un ID de root que es un número

bridge, es más probable que trate varias

menor que el ID de root que anuncia el

VLAN. Cuando usted implementa un root

Switch B, la información del Switch A es

bridge en una red de switching, usualmente

mejor. El Switch B detiene el anuncio de su

se refiere al root bridge como el switch root.

ID de root y acepta el ID de root del Switch

Cada VLAN debe tener su propio root

A.

bridge porque cada VLAN es un dominio de broadcast separado. Todas las roots de las

Para que se haga posible el cálculo del

diferente VLAN pueden residir en un un

camino que tenga menor costo, se hace

solo switch o en varios switches.

necesario que cada uno de los conmutadores tenga conocimiento de toda la topología de

La selección del switch raíz para una

la red.

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Estándar IEEE: La disponibilidad de esas informaciones es asegurada por el cambio de cuadros

*.-Multiple Spanning Tree (MSTP) *.-Rapid Spanning Tree (RSTP)

especiales llamados BPDU (Bridge Protocol Data Units), entre los conmutadores. Los

Common Spanning Tree (CTP)

BPDU son frames enviados para cambio de información tales como el bridge ID y el costo del camino de un nudo hasta la raíz.

Lo que hace Common Spanning Tree (CST), es enviar BPDU por todas interfaces troncales usando la vlan nativa, con un único

Hay tres distintos tipos de BPDU:

stp y muchas vlan , CST simplifica la configuración y la CPU del switch , pero

Configuration BPDU (CBPDU) – hace el cálculo de la Spanning Tree.

esta es muy limitante ya que posee una sola instancia, por estas razones no puede

Topology Change Notification (TCN)

balancear

carga

y se

puede

habilitar

BPDU – Usado para notificar cambios en la

erróneamente el reenvió a una vlan no

topología de la red.

especifica por lo tanto los enlaces que no son

Topology

Change

Notification

Acknowledgment (TCA) – confirman la

ocupados serán bloqueados.

recepción del TCN.

El requerimiento de CST es que ocupe troncales 802.1Q

Tipos de STP

Per-VLAN Spanning Tree (PVSTP)

Existe 5 tipos de STP. Tres son

Este

protocolo

mantiene

una

propietarios Cisco y dos pertenecen al

instancia de árbol de expansión para cada

estándar IEEE, los cuáles se listan a

VLAN configurada en la red.

continuación.

Propietarios Cisco: *.-Common Spanning Tree (CTP) *.-Per-VLAN Spanning Tree (PVSTP) *.-PVSTP+

Utiliza ISL Trunking y permite el reenvío de una troncal de VLAN para algunas VLAN mientras bloquea otras VLAN.

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Dado que PVST trata a cada VLAN como una red separada, tiene la capacidad de balancear la carga del tráfico (en la capa-2) al reenviar algunas VLAN en una troncal y otras Vlans en otra troncal sin causar un bucle Spanning Tree.

(RSTP; IEEE 802.1w) puede verse como una evolución del estándar Spanning Tree Protocol (802.1D) más que una revolución.

RSTP Protocol es un protocolo de red de la capa de enlace de datos, del Modelo

PVSTP+

OSI,

que

gestiona

enlaces

redundantes. La función de esta versión es Se encuentra especificado en IEEE

interconectar CTP y PVST.

802.1w, reemplazándolo en la edición 2004

Posee convergencia más veloz que 802.1D

del 802.1d. MSTP ( Multiple Spanning Tree )

RSTP reduce significativamente el El Protocolo de múltiples árboles de

tiempo de convergencia de la topología de la

expansión (MSTP), originalmente definido

red cuando ocurre un cambio en la topología.

en IEEE 802.1s y luego fusionado en IEEE 802.1Q-2005, define una extensión para

Funcionamiento

RSTP para desarrollar aún más la utilidad de El protocolo establece identificadores

las LAN virtuales (VLAN).

y elige el que tiene la prioridad más alta, de

como el puente raíz (Root Bridge), y este

expansiónmúltiple configura un árbol de

puente raíz establecerá el camino de menor

expansión independiente para cada grupo de

coste para todas las redes.

Este

protocolo

de

árbol

VLAN y bloquea todas menos una de las posibles rutas alternativas dentro de cada

Después, entre todos los puentes que

árbol de expansión.

conectan un segmento de red, se elige un puente designado, el de menor coste, para transmitir las tramas hacia la raíz.

Rapid Spanning Tree ( RSTP ) :

Rapid

Spanning

Tree

Protocol

En este puente designado, el puerto que

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conecta con el segmento, es el puerto

pequeño.

designado y el que ofrece un camino de menor coste hacia la raíz, el puerto raíz.

Elección de los puertos raíz Una vez elegido el puente raíz hay

Todos los demás puertos y caminos son

que calcular el puerto raíz para los otros

bloqueados.

puentes que no son raíz. El procedimiento a seguir para cada puente es casi el mismo:

Elección del puente raíz

Entre todos los puertos del puente. Cuando un switch se enciende, supone que Se escoge como puerto raíz el puerto

es el switch raíz y envía las BPDUs que contienen la dirección MAC de sí mismo

que tenga el menor costo hasta el puente

tanto en el BID raíz como emisor.

raíz.

El BID o Bridge IDentifier: Bridge

En el caso de que haya dos o más

Priority + Bridge Mac Address. El Bridge

puertos con el mismo costo hacia el puente

Priority es un valor configurable que por

raíz, se utiliza la dirección MAC que tenga

defecto está asignado en 32768.

menor valor para calcular el costo.

El Bridge Mac Address es la dirección

Establecer el puerto raíz.

MAC (única) del Puente. Cada switch reemplaza los BID de raíz más alta por BID

Elección de los puertos designados

de raíz más baja en las BPDU que se envían. Todos los switches reciben las BPDU y

Una vez elegido el puente raíz y los

determinan que el switch que cuyo valor de

puertos raíz de los otros puentes, pasamos a

BID raíz es el más bajo será el puente raíz.

calcular los puertos designados de cada segmento de red.

El

administrador

de

red

puede

establecer la prioridad de switch en un valor

En cada enlace que exista entre dos

más pequeño que el del valor por defecto

switches habrá un puerto designado, el cual

(32768), el nuevo valor debe ser múltiplo de

será el puerto del switch que tenga un menor

4096, lo que hace que el BID sea más

coste para llegar al puente raíz, este coste

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administrativo es relativo a la velocidad del enlace, y en general se presenta algo muy

El cambio en la topología puede ocurrir de

similar a la tabla abajo:

dos formas:

Velocidad

Costo

El puerto se desactiva o se bloquea

4 Mbps

250

El puerto pasa de estar bloqueado o

10 Mbps

100

16 Mbps

62

100 Mbps

19

1 Gbps 4

desactivado a activado

Cuando se detecta un cambio se realizan los pasos a seguir:

2 Gbps 3 10 Gbps

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El switch notifica al puente raíz dicho cambio.

Cada tipo de enlace tendrá un coste administrativo distinto, siendo de un coste menor el puerto con una mayor velocidad.

Si hubiese empate entre los costes

El puente raíz envía por broadcast dicho cambio.

Para ello, se introduce una BPDU especial

administrativos que tienen los dos switches

denominada notificación de cambio en la

para llegar al root bridge, entonces se elegirá

topología (TCN).

como Designated Port, el puerto del switch

Cuando un switch necesita avisar

que tenga un menor Bridge ID (BID).

acerca de un cambio en la topología,

Puertos bloqueados

comienza a enviar TCN en su puerto raíz. El switch que recibe la TCN se

Todos los puertos que no son puertos

denomina puente designado y realiza el

raíz o puertos designados son marcados

acuse de recibo mediante el envío inmediato

como puertos bloqueados y se quedan como

de una BPDU normal con el bit de acuse de

alternativa en caso de que otro camino

recibo de cambio en la topología (TCA).

presente una falla. Cambios en la topología (Mantenimiento del Spanning Tree)

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La TCN es una BPDU muy simple

pero ya se actualizan las tablas de

que no contiene información y se envía

direcciones MAC (aquí es donde se

durante el intervalo de tiempo de saludo.

aprenden por primera vez). Se procesan las BPDU.

Este intercambio continúa hasta que el puente raíz responde.

Envío: A este estado se llega desde Aprendizaje, en este estado el puerto puede

Estado de los puertos

enviar y recibir datos. Las tramas de datos se envían y se actualizan las tablas de

Los estados en los que puede estar un puerto

direcciones MAC (mac-address-table). Se

son los siguientes:

procesan las BPDU.

Bloqueo: En este estado se pueden recibir

Desactivado: A este estado se llega desde

BPDU pero no las enviará. Las tramas de

cualquier otro. Se produce cuando un

datos se descartan y no se actualizan las

administrador deshabilita el puerto o este

tablas de direcciones MAC (mac-address-

falla. No se procesan las BPDU.

table). Los switch comienzan en este estado ya que si realizan envíos (fordwarding)

MATERIALES Y MÉTODOS

podrían estar generando un loop o bucle. Esta investigación es documental, debido a Escucha: A este estado se llega desde

que se consultaron fuentes bibliográficas y

Bloqueo. En este estado, los switches

electrónicas, publicados bajo un proceso

determinan si existe alguna otra ruta hacia el

que ofrece seguridad respecto de su

puente raíz. En el caso que la nueva ruta

veracidad, lo que aseguran que sean fuentes

tenga un coste mayor, se vuelve al estado de

fiables y verificables

Bloqueo. Las tramas de datos se descartan y no se actualiza la tabla de direcciones MAC

Está investigación es descriptiva, ya que se

(mac-address-table). Se procesan las BPDU.

describen los procesos asociados, normas y estándares usados para indicar como es el

Aprendizaje: A este estado se llega desde Escucha. Las tramas de datos se descartan

funcionamientos del protocolo STP y su

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funcionamiento junto al los estándares de la

b) Area de Ingeniería Telemática

IEEE.

Spanning Tree Protocol Recuperado*de https://www.tlm.unavarra.es/~daniel/docenci

CONCLUSIÓN

a/rba/rba11_12/slides/07-STP.pdf El prótocolo STP es uno de los protocolos más eficientes y sencillos que podemos

c)https://www.cisco.com/c/es_mx/support/d

implementar en las redes de computadoras.

ocs/lan-switching/spanning-treeprotocol/24062-146.pdf

Las ventajas que el STP nos ofrece es que nos resuelve los problemas de manera

d)http://www.seaccna.com/spanning-tree-

automática sin necesidad de que el usuario

stp/

meta mano a configuraciones o cosas por el estilo además que es de alta fiabilidad a la hora de solucionar problemas.

Este protocolo analiza la topología y corta los posibles bucles que se puedan presentar creando algo parecido a un árbol (de ahí el nombre)

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

a)

Introducción

y

Configuración

del

Spanning Tree Protocol (STP) en los Switches*Catalyst Recuperado*de https://www.cisco.com/c/es_mx/support/doc s/lan-switching/spanning-tree-protocol/52345.pdf

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