Dispositivos específicos de red local: Conmutadores (Parte 4)

Prevención de los bucles de conmutación

En la actualidad, las empresas dependen cada vez más de sus redes para su funcionamiento. Para muchas organizaciones, la red es su herramienta vital. Los períodos de inactividad de la red tienen como consecuencia la pérdida de operaciones comerciales, ingresos y confianza por parte del cliente, lo que podría resultar desastroso para la empresa. El fallo de un único enlace de la red, un único dispositivo o un puerto crítico de un switch causa un período de inactividad de la red.

La redundancia es una característica clave del diseño de la red a fin de mantener un alto grado de confiabilidad y eliminar cualquier punto de error exclusivo. La redundancia se logra mediante la instalación de enlaces de red y equipos duplicados para áreas críticas. En ocasiones, proporcionar redundancia completa a todos los enlaces y los dispositivos de la red puede resultar muy costoso. Los ingenieros de red a menudo deben equilibrar el costo de la redundancia con la necesidad de disponibilidad de la red. Los períodos de inactividad de la red pueden tener como consecuencia la pérdida de operaciones comerciales, ingresos y confianza por parte del cliente.

La redundancia hace referencia a la existencia de dos rutas diferentes a un destino determinado. Algunos ejemplos de redundancia fuera de los entornos de red son: dos carreteras que llevan a un pueblo, dos puentes que cruzan un río o dos puertas de salida de un edificio. Si una vía está bloqueada, todavía está disponible la otra.

Los enlaces redundantes de una red conmutada reducen la congestión y mejoran la alta disponibilidad y el balance de carga.

Sin embargo, la conexión entre switches puede ocasionar problemas. Por ejemplo, la naturaleza de broadcast del tráfico de Ethernet crea bucles de conmutación. Las tramas de broadcast se transmiten en círculos en todas direcciones, lo que ocasiona una tormenta de broadcast. Las tormentas de broadcast utilizan todo el ancho de banda disponible y pueden impedir que se establezcan conexiones de red, además de ocasionar la interrupción de las conexiones ya establecidas.

Por otro lado, la redundancia también puede provocar una inestabilidad de la base de datos de direcciones MAC. Es posible que los switches de una red redundante obtengan información incorrecta sobre la ubicación de un host. Si existe un bucle, un switch puede asociar la dirección MAC de destino con dos puertos separado cosa que ocasiona confusión.

Protocolo de Spanning Tree

El protocolo de Spanning Tree (STP, Spanning Tree Protocol) proporciona un mecanismo de desactivación de enlaces redundantes en una red conmutada. El STP proporciona la redundancia requerida para brindar fiabilidad sin crear bucles de conmutación.

Es un protocolo de estándares abiertos, que se utiliza en un entorno de conmutación para crear una topología lógica sin bucles.

El STP es relativamente autosuficiente y requiere poca configuración. La primera vez que se encienden los switches con STP activado, buscan bucles en la red de conmutación. Los switches que detecten un posible bucle bloquean algunos de los puertos de conexión, y dejan otros activos para enviar tramas.

El STP define una estructura que abarca todos los switches de una red conmutada en estrella. Los switches verifican la red constantemente para garantizar que no haya bucles y que todos los puertos funcionen correctamente.

Para evitar los bucles de conmutación, el STP:

• Obliga a ciertas interfaces a ingresar en un estado de espera o bloqueo.

• Deja a otras interfaces en estado de envío.

• Reconfigura la red activando la ruta en espera correspondiente, si la ruta de envío deja de estar disponible.

En la terminología de STP, a menudo, se utiliza el término puente para referirse al switch. Por ejemplo, el puente raíz es el switch principal o punto focal de la topología de STP. El puente raíz se comunica con los demás switches mediante unidades de datos de protocolo de puente (BPDU, Bridge Protocol Data Units).

Las unidades BPDU son tramas que se envían como multicast cada 2 segundos a todos los demás switches. Estas unidades contienen información como:

• Identidad del switch de origen

• Identidad del puerto de origen

• Coste del puerto de origen

• Valor de los temporizadores de actualización

• Valor del temporizador de saludo

Cuando se enciende el switch, cada puerto pasa por un ciclo de cuatro estados:

• bloquear   • escuchar   • aprender   • reenvío

Un quinto estado, la desactivación, indica que el administrador ha desconectado el puerto del switch.

A medida que el puerto pasa por estos estados, los LED del switch pasan de naranja intermitente a verde permanente. Un puerto puede demorar hasta 50 segundos en pasar por todos estos estados y quedar listo para enviar tramas.

Cuando un switch se enciende, el primer estado en el que entra es el de bloqueo, a fin de impedir la formación de un bucle. Luego cambia al modo de escucha, para recibir las unidades BPDU de los switches vecinos. Después de procesar esta información, el switch determina qué puertos pueden enviar tramas sin crear un bucle. Si el puerto puede enviar tramas, pasa a modo de aprendizaje y luego a modo de envío.

• Puente raíz

Para que funcione STP, los switches de la red determinan un switch que funcione como punto focal de esa red. El STP utiliza este punto focal, denominado puente raíz o switch raíz, para determinar qué puertos deben bloquearse y qué puertos deben entrar en estado de envío. El puente raíz envía unidades BPDU que contienen información sobre la topología de la red a todos los demás switches. Esta información permite que la red se vuelva a configurar en caso de fallo.

Sólo hay un puente raíz en cada red, y se lo elige según el ID de puente (BID, Bridge ID). El BID se crea a partir del valor de prioridad del puente y la dirección MAC. La prioridad del puente tiene un valor predeterminado de 32 768. Si un switch tiene una dirección MAC de AA-11-‐BB-‐22-‐CC-33, el BID correspondiente a ese switch sería: 32768: AA-11-BB-22-CC-33.

El puente raíz se elige de acuerdo con el valor BID más bajo. Dado que los switches con frecuencia utilizan el mismo valor de prioridad predeterminado, el switch con la dirección MAC más baja será el puente raíz.

Cuando se enciende cada switch, supone que es el puente raíz, y envía las BPDU que contienen su BID. Por ejemplo, si S2 publica un ID de raíz con un número menor al de S1, S1 detiene la publicidad de su ID de raíz y acepta el ID de raíz de S2. S2 es ahora el puente raíz.

STP designa tres tipos de puertos: puertos raíz, puertos designados y puertos bloqueados.

1. Puerto raíz : El puerto que proporciona la ruta de menor costo al puente raíz se convierte en el puerto raíz. Los switches calculan la ruta de menor costo a partir del costo de ancho de banda de cada enlace necesario para llegar al puente raíz.

2. Puerto designado: Un puerto designado es un puerto que envía el tráfico hacia el puente raíz pero no se conecta con la ruta de menor costo.

3. Puerto bloqueado: Un puerto boqueado es un puerto que no envía tráfico.

Antes de configurar el STP, el técnico de redes planea y evalúa la red a fin de seleccionar el mejor switch para que sea la raíz de Spanning Tree. Si el switch raíz se asigna a la dirección MAC más baja, el envío puede no ser óptimo.

Un switch con ubicación central funciona mejor como puente raíz. Un puerto bloqueado ubicado en el extremo de la red puede obligar al tráfico a tomar una ruta más larga para llegar a destino que la que tomaría si el switch tuviera una ubicación central.

• Spanning Tree en una red jerárquica

Después de establecer el puente raíz, los puertos raíz, los puertos designados y los puertos bloqueados, el STP envía unidades BPDU por la red conmutada en intervalos de 2 segundos.

STP continúa escuchando estas BPDU para asegurarse de que ningún enlace falle y de que no aparezcan nuevos bucles.

Si se produce un fallo en un enlace, el STP lleva a cabo otro cálculo mediante tres procesos:

• Cambio del estado de algunos puertos bloqueados a puertos de envío

• Cambio del estado de algunos puertos de envío a puertos bloqueados

• Generación de una nueva estructura jerárquica de STP a fin de mantener la integridad sin bucles de la red

El STP no lleva a cabo este proceso de forma instantánea. Cuando se desconecta un enlace, el STP detecta el fallo y vuelve a calcular la mejor ruta por la red. Este cálculo y el período de transición demoran alrededor de 30 a 50 segundos en cada switch. Durante este cálculo, no se transmiten datos de usuario a través de los puertos comprometidos.

En una red estable, los cálculos de STP son poco frecuentes. En una red inestable, es importante verificar la estabilidad de los switches y los cambios de configuración. Una de las causas más comunes de cálculos frecuentes de STP es una falla en el suministro o la alimentación de energía a un switch. Un fallo en el suministro de energía puede ocasionar el reinicio inesperado del dispositivo.

• El protocolo de Rapid Spanning Tree

Cuando IEEE desarrolló el protocolo Spanning Tree (STP) original en el estándar 802.1D, era aceptable proporcionar un tiempo de recuperación de 1 a 2 minutos. En la actualidad, la conmutación de Capa 3 y los protocolos de enrutamiento avanzado ofrecen una ruta alternativa más rápida para llegar a destino. La necesidad de transmitir tráfico sensible a las demoras, como voz y video, requiere que las redes de conmutación converjan rápidamente para seguirle el paso a las nuevas tecnologías.

Protocolo de Rapid Spanning Tree (RSTP), definido en el estándar IEEE 802.1w, acelera de forma considerable el cálculo de Spanning Tree. El RSTP requiere una conexión full-­‐duplex de punto a punto entre los switches para alcanzar la velocidad de reconfiguración más rápida. La reconfiguración de Spanning Tree mediante RSTP se produce en menos de 1 segundo, mientras que con STP demoraba hasta 50 segundos.

Para acelerar el proceso de cálculo, RSTP reduce la cantidad de estados de puerto a tres: descarte, aprendizaje y envío. El estado de descarte es similar a tres de los estados del STP original: bloqueo, escucha y desactivación.

RSTP también presenta el concepto de topología activa. Todos los puertos que no estén en estado de descarte o bloqueo se consideran parte de la topografía activa, y pasan de inmediato al estado de envío.