Redundancia en una red jerárquica
El modelo de diseño jerárquico se enfoca en los temas encontrados en las topologías de red de modelo plano. Uno de esos temas es la redundancia. La redundancia de Capa 2 mejora la disponibilidad de la red con la implementación de rutas de red alternas mediante el agregado de equipos y cables. Al contar con varias rutas para la transmisión de los datos en la red, la interrupción de una sola ruta no genera impacto en la conectividad de los dispositivos en la red.
Bucles de la Capa 2
La redundancia es una parte importante del diseño jerárquico. Pese a que es importante para la disponibilidad, existen algunas consideraciones que deben atenderse antes de que la redundancia sea posible en una red.
Cuando existen varias rutas entre dos dispositivos en la red y STP se ha deshabilitado en los switches, puede generarse un bucle de Capa 2. Si STP está habilitado en estos switches, que es lo predeterminado, el bucle de Capa 2 puede evitarse.
Las tramas de Ethernet no poseen un tiempo de vida (TTL, Time to Live) como los paquetes IP que viajan por los routers. En consecuencia, si no finalizan de manera adecuada en una red conmutada, las mismas siguen rebotando de switch en switch indefinidamente o hasta que se interrumpa un enlace y elimine el bucle.
Tormentas de broadcast
Una tormenta de broadcast se produce cuando existen tantas tramas de broadcast atrapadas en un bucle de Capa 2, que se consume todo el ancho de banda disponible. En consecuencia, no existe ancho de banda disponible para el tráfico legítimo y la red queda no disponible para la comunicación de datos.
La tormenta de broadcast es inevitable en una red con bucles. A medida que más dispositivos envían broadcast a la red, aumenta la cantidad de tráfico que queda atrapado en el bucle, lo que eventualmente genera una tormenta de broadcast que produce la falla de la red.
Tramas de unicast duplicadas
Las tramas de broadcast no son el único tipo de tramas que son afectadas por los bucles. Las tramas de unicast enviadas a una red con bucles pueden generar tramas duplicadas que llegan al dispositivo de destino.
Topología STP
La redundancia aumenta la disponibilidad de la topología de red al proteger la red de un único punto de falla, como un cable de red o switch que fallan. Cuando se introduce la redundancia en un diseño de la Capa 2, pueden generarse bucles y tramas duplicadas. Los bucles y las tramas duplicadas pueden tener consecuencias graves en la red. El protocolo spanning tree (STP) fue desarrollado para enfrentar estos inconvenientes.
STP asegura que exista sólo una ruta lógica entre todos los destinos de la red, al realizar un bloqueo de forma intencional a aquellas rutas redundantes que puedan ocasionar un bucle. Un puerto se considera bloqueado cuando el tráfico de la red no puede ingresar ni salir del puerto. Esto no incluye las tramas de unidad de datos del protocolo de puentes (BPDU) utilizadas por STP para evitar bucles. Aprenderá más acerca de las tramas de BPDU de STP más adelante en este capítulo. El bloqueo de las rutas redundantes es fundamental para evitar bucles en la red.
Algoritmo STP
STP utiliza el algoritmo de spanning tree (STA) para determinar los puertos de switch de la red que deben configurarse para el bloqueo a fin de evitar que se generen bucles. El STA designa un único switch como puente raíz y lo utiliza como punto de referencia para todos los cálculos de rutas. En la figura, el puente raíz, el switch S1, se escoge a través de un proceso de elección. Todos los switches que comparten STP intercambian tramas de BPDU para determinar el switch que posee el menor ID de puente (BID) en la red.
La BPDU es la trama de mensaje que se intercambia entre los switches en STP. Cada BPDU contiene un BID que identifica al switch que envió la BPDU. El BID contiene un valor de prioridad, la dirección MAC del switch emisor y un ID de sistema extendido opcional. Se determina el BID de menor valor mediante la combinación de estos tres campos. Aprenderá más acerca del puente raíz, la BPDU y el BID en temas posteriores.
Puente raíz
Toda instancia de spanning-tree (LAN conmutada o dominio de broadcast) posee un switch designado como puente raíz. El puente raíz sirve como punto de referencia para todos los cálculos de spanning-tree para determinar las rutas redundantes que deben bloquearse.
Un proceso de elección determina el switch que se transforma en el puente raíz.
A medida que los switches envían sus tramas de BPDU, los switches adyacentes del dominio de broadcast leen la información del ID de raíz de la trama de BPDU. Si el ID de raíz de la BPDU recibida es menor que el ID de raíz del switch receptor, este último actualiza su ID de raíz mediante la identificación del switch adyacente como el puente raíz. Nota: Es posible que no sea un switch adyacente, sino cualquier otro switch del dominio de broadcast. Luego el switch envía nuevas tramas de BPDU con el menor ID de raíz a los otros switches adyacentes. Eventualmente, el switch con el menor BID es identificado finalmente como puente raíz para la instancia de spanning-tree.
Las mejores rutas al puente raíz
Cuando se ha designado el puente raíz para la instancia de spanning-tree, el STA comienza el proceso de determinar las mejores rutas hacia el puente raíz desde todos los destinos del dominio de broadcast. La información de ruta se determina mediante la suma de los costos individuales de los puertos que atraviesa la ruta desde el destino al puente raíz.
Los costos de los puertos predeterminados se definen por la velocidad a la que funcionan los mismos. En la tabla, puede verse que los puertos Ethernet de 10 Gb/s poseen un costo de puerto de 2, los puertos Ethernet de 1 Gb/s poseen un costo de puerto de 4, los puertos Fast Ethernet de 100 Mb/s poseen un costo de puerto de 19 y los puertos Ethernet de 10 Mb/s poseen un costo de puerto de 100.
Funciones de los puertos
El puente raíz es elegido para la instancia de spanning-tree. La ubicación del puente raíz en la topología de red determina la forma en que se calculan las funciones de los puertos. Este tema describe la forma en que los puertos de switch se configuran para funciones específicas para evitar la posibilidad de bucles en la red.
Existen cuatro funciones de puertos distintas en las que los puertos de switch se configuran automáticamente durante el proceso de spanning-tree.
Puerto raíz
El puerto raíz existe en los puentes que no son raíz y es el puerto de switch con la mejor ruta hacia el puente raíz. Los puertos raíz envían el tráfico a través del puente raíz. Las direcciones MAC de origen de las tramas recibidas en el puerto raíz pueden llenar por completo la tabla MAC. Sólo se permite un puerto raíz por puente.
Puerto designado
El puerto designado existe en los puentes raíz y en los que no son raíz. Para los puentes raíz, todos los puertos de switch son designados. Para los puentes que no son raíz, un puerto designado es el switch que recibe y envía tramas hacia el puente raíz según sea necesario. Sólo se permite un puerto designado por segmento. Si existen varios switches en el mismo segmento, un proceso de elección determina el switch designado y el puerto de switch correspondiente comienza a enviar tramas para ese segmento. Los puertos designados pueden llenar por completo la tabla MAC.
Puerto no designado
El puerto no designado es aquel puerto de switch que está bloqueado, de manera que no envía tramas de datos ni llena la tabla de direcciones MAC con direcciones de origen. Un puerto no designado no es un puerto raíz o un puerto designado. Para algunas variantes de STP, el puerto no designado se denomina puerto alternativo.
Puerto deshabilitado
El puerto deshabilitado es un puerto de switch que está administrativamente desconectado. Un puerto deshabilitado no funciona en el proceso de spanning-tree.
