Protección de bucle para protocolos de árbol de expansión

¿Cómo funciona la protección de bucles?

Una red sin bucles en topologías de árbol de expansión se admite mediante el intercambio de un tipo especial de trama llamado unidad de datos de protocolo de puente (BPDU). Las aplicaciones STP par que se ejecutan en las interfaces del conmutador usan BPDU para comunicarse. En última instancia, el intercambio de BPDU determina qué interfaces bloquean el tráfico (prevención de bucles) y qué interfaces se convierten en puertos raíz y reenvían el tráfico.

Sin embargo, una interfaz de bloqueo puede pasar al estado de reenvío por error si la interfaz deja de recibir BPDU desde su puerto designado en el segmento. Este error de transición puede producirse cuando hay un error de hardware en el conmutador o en el error de configuración de software entre el conmutador y su vecino.

Cuando se habilita la protección de bucle, la topología de árbol de expansión detecta los puertos raíz y los puertos bloqueados, y se asegura de que ambos sigan recibiendo BPDU. Si una interfaz habilitada para protección de bucles deja de recibir BPDU desde su puerto designado, reacciona como reaccionaría a un problema con la conexión física en esta interfaz. No hace la transición de la interfaz a un estado de reenvío, sino que pasa a un estado incoherente de bucle. La interfaz se recupera y, luego, vuelve al estado de bloqueo del árbol de expansión tan pronto como recibe una BPDU.

Ventajas de la protección de circuitos en protocolos STP

De forma predeterminada, una interfaz de protocolo de árbol de expansión que detiene la recepción de tramas de datos de la unidad de datos de protocolo de puente (BPDU) pasará al estado del puerto designado (reenvío), lo que creará un bucle potencial.

¿Qué acción causa un bucle?

La familia de protocolos de árbol de expansión es responsable de romper bucles en una red de puentes con vínculos redundantes. Sin embargo, las fallas de hardware pueden crear bucles de reenvío (bucles STP) y causar importantes interrupciones de la red. Los protocolos de árbol de expansión rompen bucles bloqueando puertos (interfaces). Sin embargo, los errores se producen cuando un puerto bloqueado pasa erróneamente a un estado de reenvío.

Idealmente, un puerto de puente de protocolo de árbol de expansión permanece bloqueado mientras exista una ruta alternativa superior al puente raíz para un segmento LAN conectado. Este puerto designado se determina mediante la recepción de BPDU superiores de un par en ese puerto. Cuando otros puertos ya no reciben BPDU, el protocolo de árbol de expansión considera que la topología está libre de bucles. Sin embargo, si un puerto bloqueado o alternativo se mueve a un estado de reenvío, esto crea un bucle.

¿Qué puede hacer la protección de bucle cuando las BPDU no llegan?

Para evitar que una interfaz de instancia de árbol de expansión interprete una falta de BPDU recibidas como una condición "falso positivo" para asumir la función de puerto designada, puede configurar una de las siguientes opciones de protección de bucle:

• Configure el enrutador para generar una condición de alarma si la interfaz de instancia de árbol de expansión no ha recibido BPDU durante el intervalo de tiempo de espera.

• Configure el enrutador para bloquear la interfaz de instancia de árbol de expansión si la interfaz no ha recibido BPDU durante el intervalo de tiempo de espera.

Nota:

La protección de bucle de interfaz de instancia de árbol de expansión está habilitada para todas las instancias de árbol de expansión en la interfaz, pero bloquea o alarma solo aquellas instancias que dejan de recibir BPDU.

¿Cuándo debo usar la protección de bucle?

Puede configurar la protección de bucle de protocolo de árbol de expansión para mejorar la estabilidad de las redes de capa 2. Recomendamos configurar la protección de bucle solo en interfaces no designadas, como las interfaces raíz o alternativas. De lo contrario, si configura la protección de bucle a ambos lados de un vínculo designado, ciertos eventos de configuración de STP (como establecer la prioridad del puente raíz en un valor inferior en una topología con muchos bucles) pueden hacer que ambas interfaces pasen al modo de bloqueo.

Le recomendamos que habilite la protección de bucle en todas las interfaces de conmutador que tengan la posibilidad de convertirse en puertos raíz o designados. La protección de bucles es más eficaz cuando está habilitada en toda la red conmutada. Cuando habilite la protección de bucle, debe configurar al menos una acción (registro, bloque o ambos).

Nota:

Una interfaz se puede configurar para protección de bucle o protección raíz, pero no para ambos.

¿Qué sucede si no uso protección de circuito?

De forma predeterminada (es decir, sin la protección de bucle de protocolo de árbol de expansión configurada), una interfaz que deja de recibir BPDU asumirá la función de puerto designada y posiblemente dará como resultado un bucle de protocolo de árbol de expansión.

Descripción de los bucles de puente

Para entender los bucles de puente, considere un escenario en el que cuatro conmutadores (o puentes) están conectados a cuatro subsecciones diferentes (subsección i, ii, iii y iv) en la que cada subsección es una colección de nodos de red (consulte la figura 1). Por simplicidad, la subsección i y la subsección ii se combinan para formar la Sección 1. De manera similar, la subsección iii y la subsección iv se combinan para formar la Sección 2.

Cuando los conmutadores están encendidos, las tablas de puente están vacías. Si el usuario A en la subsección i intenta enviar un solo paquete paquete 1 al usuario D en la subsección iv, todos los conmutadores, que están en modo de escucha, reciben el paquete. Los conmutadores hacen una entrada en sus respectivas tablas de puente, como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 1: Los conmutadores hacen entradas en las respectivas tablas de puente

Puente 1 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 2 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 3 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 4 | de ID Dirección orientada al puerto
Paquete 1 | Sección 1	Paquete 1 | Sección 1	Paquete 1 | Sección 1	Paquete 1 | Sección 1

En este punto, los conmutadores no saben dónde está la subsección iv y el paquete se reenvía a todos los puertos, excepto el puerto de origen (lo que da como resultado una inundación del paquete). En este ejemplo, después de que la subsección 1 envía el paquete, los conmutadores reciben el paquete en los puertos que se enfrentan a la Sección 1. Como resultado, comienzan a reenviar el paquete a través de los puertos que se enfrentan a la Sección 2. El conmutador que tiene la primera oportunidad de enviar el paquete depende de la configuración de la red. En este ejemplo, suponga que el conmutador 1 transmite el paquete primero. Dado que recibió el paquete de la Sección 1, inunda el paquete hacia la Sección 2. De manera similar, los conmutadores 2, 3 y 4, que también se encuentran en modo de escucha, reciben el mismo paquete del conmutador 1 (enviado originalmente desde la Sección 1) en los puertos que dan a la Sección 2. Actualizan fácilmente sus tablas de puente con información incorrecta, como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 2: Puente de tablas actualizadas con información incorrecta

Puente 1 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 2 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 3 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 4 | de ID Dirección orientada al puerto
Paquete 1 | Sección 1	Paquete 1 | Sección 2	Paquete 1 | Sección 2	Paquete 1 | Sección 2

Por lo tanto, se crea un bucle como el mismo paquete se recibe tanto de la Sección 1 como de la Sección 2. Como se muestra en la figura 1, el conmutador 1 tiene información de que el paquete procedía de la subsección i en la sección 1, mientras que todos los demás conmutadores tienen información incorrecta de que el mismo paquete procedía de la Sección 2.

Todo el proceso se repite cuando el conmutador 2 tiene la oportunidad de transmitir el paquete original. El conmutador 2 recibe el paquete original de la Sección 1 y transmite el mismo paquete a la Sección 2. Finalmente, el conmutador 1, que aún no tiene idea de dónde está la subsección iv, actualiza su tabla de puente, como se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 3: El conmutador 1 actualiza su tabla de puentes

Puente 1 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 2 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 3 | de ID Dirección orientada al puerto	Puente 4 | de ID Dirección orientada al puerto
Paquete 1 | Sección 2	Paquete 1 | Sección 2	Paquete 1 | Sección 2	Paquete 1 | Sección 2

En redes complejas, este proceso puede dar lugar rápidamente a grandes ciclos de transmisión de paquetes, ya que el mismo paquete se envía repetidamente.

Cómo el STP ayuda a eliminar los bucles

El protocolo de árbol de expansión ayuda a eliminar los bucles en una red mediante la desactivación de rutas adicionales que pueden crear un bucle. Las rutas bloqueadas se habilitan automáticamente si la ruta principal se desactiva.

Para comprender los pasos seguidos por STP en la eliminación de bucles de puente, considere el siguiente ejemplo en el que tres conmutadores están conectados para formar una red simple (consulte la figura 2). Para mantener la redundancia, existe más de una ruta entre cada dispositivo. Los conmutadores se comunican entre sí mediante unidades de datos de protocolo de puente (BPDU) enviadas cada 2 segundos.

Nota:

Las BPDU son tramas que constan de ID de puente, el puerto de puente donde se origina, la prioridad del puerto del puente, el costo de la ruta y así sucesivamente. Las BPDU se envían como dirección MAC de multidifusión 01:80:c2:00:00:00. Las BPDU pueden ser de tres tipos: BPDU de configuración, BPDU de notificación de cambio de topología (TCN) y BPDU de confirmación de cambio de topología (TCA).

Para eliminar los bucles de red, STP realiza los siguientes pasos en esta red de ejemplo:

1. Elige un puente raíz (o conmutador). Para elegir un conmutador raíz, STP utiliza el ID de puente. El ID de puente tiene 8 bytes de longitud y consta de dos partes. La primera parte es 2 bytes de información conocida como prioridad de puente. La prioridad predeterminada del puente es 32 768. En este ejemplo, se utiliza el valor predeterminado para todos los conmutadores. Los 6 bytes restantes constan de la dirección MAC del conmutador. En este ejemplo, el Conmutador 1 se elige como el conmutador raíz porque tiene la dirección MAC más baja.

2. Elige los puertos raíz. Por lo general, los puertos raíz utilizan las rutas de menor costo de un conmutador a otro. En este ejemplo, suponga que todas las rutas tienen costos similares. Por lo tanto, el puerto raíz para el conmutador 2 es el puerto que recibe paquetes a través de la ruta directa del conmutador 1 (costo 4), porque la otra ruta pasa por el conmutador 3 (costo 4 + 4) como se muestra en la figura 3. Del mismo modo, para el conmutador 3, el puerto raíz es el que utiliza la ruta directa del conmutador 1.

   Figura 3: Elección de puertos raíz

3. Selecciona los puertos designados. Los puertos designados son los únicos puertos que pueden recibir y reenviar tramas en conmutadores distintos del conmutador raíz. Por lo general, son los puertos que utilizan las rutas de menor costo. En la figura 4, se marcan los puertos designados.

   Figura 4: Selección de puertos designados y bloqueo de rutas redundantes

Dado que hay más de una ruta involucrada en la red y se identifican los puertos raíz y los puertos designados, el STP puede bloquear temporalmente la ruta entre el conmutador 2 y el conmutador 3, lo que elimina cualquier bucle de capa 2.

Tipos de protocolos de árbol de expansión compatibles

En un entorno de capa 2, puede configurar varias versiones de protocolo de árbol de expansión para crear una topología sin bucles en redes de capa 2.

Un protocolo de árbol de expansión es un protocolo de control de capa 2 (L2CP) que calcula la mejor ruta a través de una red conmutada que contiene rutas redundantes. Un protocolo de árbol de expansión utiliza tramas de datos de unidad de datos de protocolo de puente (BPDU) para intercambiar información con otros conmutadores. Un protocolo de árbol de expansión utiliza la información proporcionada por las BPDU para elegir un puente raíz, identificar puertos raíz para cada conmutador, identificar puertos designados para cada segmento DE LAN físico y podar vínculos redundantes específicos para crear una topología de árbol sin bucles. La topología de árbol resultante proporciona una única ruta de datos activa de capa 2 entre dos estaciones finales.

Nota:

En las discusiones de los protocolos de árbol de expansión, los términos bridge y switch , a menudo, se utilizan indistintamente.

Las plataformas de enrutamiento universal 5G y los conmutadores serie EX de Juniper Networks son compatibles con STP, RSTP, MSTP y VSTP.

• El protocolo de árbol de expansión (STP) original se define en la especificación IEEE 802.1D 1998. Una versión más reciente llamada Protocolo de árbol de expansión rápida (RSTP) se definió originalmente en la especificación de borrador IEEE 802.1w y posteriormente se incorporó a la especificación IEEE 802.1D-2004. Una versión reciente llamada Protocolo de árbol de expansión múltiple (MSTP) se definió originalmente en la especificación de borrador IEEE 802.1s y más tarde se incorporó a la especificación IEEE 802.1Q-2003. El protocolo de árbol de expansión de VLAN (VSTP) es compatible con los protocolos Por VLAN Spanning Tree Plus (PVST+) y Rapid-PVST+ compatibles con enrutadores y conmutadores de Cisco Systems.

• RSTP proporciona un tiempo de reconvergencia más rápido que el STP original mediante la identificación de ciertos vínculos como punto a punto y mediante el uso de mensajes de reconocimiento de protocolo en lugar de tiempos de espera fijos. Cuando se produce un error en un vínculo punto a punto, el vínculo alternativo puede pasar al estado de reenvío sin esperar a que expiren los temporizadores de protocolo.

• MSTP ofrece la capacidad de dividir lógicamente una red de capa 2 en regiones. Cada región tiene un identificador único y puede contener varias instancias de árboles de expansión. Todas las regiones están enlazadas mediante un árbol de expansión de instancia común (CIST), que es responsable de crear una topología sin bucles entre regiones, mientras que la Instancia de árbol de expansión múltiple (MSTI) controla la topología dentro de las regiones. MSTP utiliza RSTP como un algoritmo de convergencia y es completamente interoperable con versiones anteriores de STP.

• VSTP mantiene una instancia de árbol de expansión independiente para cada VLAN. Diferentes VLAN pueden utilizar diferentes rutas de árbol de expansión. Cuando distintas VLAN utilizan distintas rutas de árbol de expansión, los recursos de procesamiento de CPU que se consumen aumentan a medida que se configuran más VLAN. Los paquetes BPDU VSTP se etiquetan con el identificador VLAN correspondiente y se transmiten a la dirección mac (control de acceso de medios de destino de multidifusión) 01-00-0c-cc-cc-cd con un tipo de protocolo de 0x010b. Las BPDU VSTP se tunelizan mediante puentes IEEE 802.1q puros.

Nota:

Todas las instancias de enrutamiento de conmutador virtual configuradas en un enrutador serie MX se admiten mediante un solo proceso de árbol de expansión. El proceso del protocolo de control de capa 2 se denomina l2cpd.