Funcionamiento y Optimización del Protocolo Spanning Tree (STP) en Redes Capa 2

El intercambio de los mensajes BPDU (Bridge Protocol Data Unit) tiene la función de elegir puntos de referencia para conseguir una topología STP estable. Los bucles pueden ser identificados y eliminados poniendo puertos redundantes específicos en los estados de bloqueando o standby. Varios de los campos de la BPDU son relativos a la identificación del switch, al coste de los caminos y a los valores de los temporizadores; todos trabajan al unísono para que la red pueda converger en una topología de STP común, eligiendo los mismos puntos de referencia dentro de la red.

Por defecto, las BPDU son enviadas a través de todos los puertos cada 2 segundos, de tal manera que la información de la topología actual se intercambia para identificar los bucles rápidamente.

Elección del Switch Raíz (Root Bridge)

Todos los switches de la red deben estar de acuerdo en elegir un marco común como referencia para crear una topología de capa 2 libre de bucles. Este punto de referencia se llama switch raíz o root bridge. Para determinar el root bridge se lleva a cabo un proceso de elección; cada switch posee un Bridge ID, que es un identificador único que lo diferencia de todos los demás switches. El Bridge ID es un valor de 8 bytes que consiste en los campos que se detallan a continuación:

• Bridge Priority: Son 2 bytes. Es la prioridad de un switch en relación a todos los demás. Este campo puede tener un valor entre 0 y 65535, cuyo valor por defecto es 32768 (0x8000).
• Dirección MAC: Son 6 bytes. Esta dirección puede tener origen en un módulo Supervisor o en el backplane, dentro de un rango de 1024 direcciones que son asignadas a cada uno dependiendo del modelo del switch. De cualquiera de las maneras, es única e inamovible.

Cuando un switch se enciende, no tiene una visión clara de su entorno, por lo que se considera a sí mismo como root bridge. El proceso de elección se inicia cuando todos los switches envían BPDU con el ID del root bridge puesto como su propio ID y su Sender Bridge ID, que es su propio identificador. Este último indica a los demás switches quién es el verdadero emisor del mensaje BPDU.

A partir de la elección del root bridge, las BPDU de configuración solo son enviadas por el root bridge. Todos los demás switches deben confiar en estas BPDU, añadiendo el Sender Bridge ID a ese mensaje. Los mensajes BPDU recibidos son analizados para saber si un mejor root bridge se ha incorporado. Esta evaluación depende de la prioridad, que debe ser de un valor menor que las demás. Para el caso de que dicho valor de prioridad sea igual al actual, la MAC más baja se aplicará para la determinación de la prioridad.

Cuando un switch escucha acerca de un root bridge, es decir, un switch con una prioridad menor a la de sí mismo, reemplaza el root bridge ID anunciado en sus BPDU. El switch anunciará entonces dicho ID como root y su propio Sender Bridge ID. Los switches convergen y se ponen de acuerdo sobre quién será el root bridge.

Elección del Puerto Raíz (Root Port)

Una vez determinado el root bridge, cada uno de los demás switches que no son root deben identificar su posición en la red en relación con el root bridge. Esta acción se realiza seleccionando solamente un puerto raíz en cada uno de los switches. El puerto raíz siempre apunta hacia el actual root bridge.

STP utiliza el concepto de coste para determinar y seleccionar un puerto raíz, lo que significa evaluar el coste de la ruta llamado Root Path Cost. Este valor es el coste acumulativo de todos los enlaces hacia el root bridge. Un simple enlace de un switch también conlleva un coste asociado a él.

Cálculo del Root Path Cost

A medida que los Root Path Cost atraviesan la red, otros switches pueden modificar su valor de manera acumulativa. El Root Path Cost no está dentro de la BPDU, solamente atañe al puerto del switch local donde este reside. Cuanto mayor sea el ancho de banda del enlace, menor será el coste del enlace.

El estándar IEEE 802.1D define un Root Path Cost de 1000 Mbps dividido por el ancho de banda del enlace en Mbps. Las redes modernas superan este valor, por lo que fue necesario cambiar los valores del coste.

Estados STP

Para participar en el proceso de STP, cada puerto tiene que progresar a través de una serie de estados. Un puerto comienza en el estado desconectado hasta llegar al estado activo si tiene permitido enviar tramas.

Configuración de STP

Por defecto, STP está habilitado en los puertos del switch. Si alguna instancia de STP ha sido deshabilitada, puede rehabilitarse con el siguiente comando:

Switch(config)# spanning-tree vlan vlan-id

Este comando se aplica para todas las VLAN y en todos los puertos.