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Redundância em redes comutadas de camada 2
Este tópico cobre as causas dos loops em uma rede da Camada 2 e explica resumidamente como funciona o protocolo spanning tree. A redundância é uma parte importante do projeto hierárquico para eliminar pontos únicos de falha e evitar a interrupção dos serviços de rede para os usuários. Redes redundantes exigem a adição de caminhos físicos, mas a redundância lógica também deve fazer parte do design. Ter caminhos físicos alternativos para os dados atravessarem a rede possibilita que os usuários acessem os recursos da rede, apesar da interrupção do caminho. No entanto, os caminhos redundantes em uma rede Ethernet comutada podem causar loops físicos e lógicos da camada 2.
As LANs Ethernet requerem uma topologia sem loop com um único caminho entre quaisquer dois dispositivos. Um loop em uma LAN Ethernet pode causar a propagação contínua de quadros Ethernet até que um link seja interrompido e quebre o loop.
Protocolo Spanning Tree
O Spanning Tree Protocol (STP) é um protocolo de rede de prevenção de loop que permite redundância ao criar uma topologia de camada 2 sem loop. IEEE 802.1D é o padrão IEEE MAC Bridging original para STP.
Clique em Reproduzir na figura para ver uma animação do STP em ação.
Operação normal de STP
Recálculo STP
Clique em Reproduzir na próxima figura para ver uma animação do recálculo de STP quando ocorre uma falha.
STP compensa falha de rede
Problemas com links de switch redundantes
A redundância de caminho fornece vários serviços de rede, eliminando a possibilidade de um único ponto de falha. Quando existem vários caminhos entre dois dispositivos em uma rede Ethernet e não há implementação de spanning tree nos switches, ocorre um loop da Camada 2. Um loop da camada 2 pode resultar em instabilidade da tabela de endereços MAC, saturação do link e alta utilização da CPU em switches e dispositivos finais, resultando na inutilização da rede.
Ao contrário dos protocolos da Camada 3, IPv4 e IPv6, a Ethernet da Camada 2 não inclui um mecanismo para reconhecer e eliminar quadros em loop infinito. Tanto o IPv4 quanto o IPv6 incluem um mecanismo que limita o número de vezes que um dispositivo de rede da Camada 3 pode retransmitir um pacote. Um roteador diminuirá o TTL (Time to Live) em cada pacote IPv4 e o campo Hop Limit em cada pacote IPv6. Quando esses campos são reduzidos a 0, um roteador descartará o pacote. Os switches Ethernet e Ethernet não têm mecanismo comparável para limitar o número de vezes que um switch retransmite um quadro da Camada 2. O STP foi desenvolvido especificamente como um mecanismo de prevenção de loop para Ethernet de camada 2.
Loops da camada 2
Sem o STP habilitado, os loops da Camada 2 podem se formar, fazendo com que os frames de broadcast, multicast e unicast desconhecidos façam loop infinito. Isso pode derrubar uma rede em um período de tempo muito curto, às vezes em apenas alguns segundos. Por exemplo, os quadros de broadcast, como uma solicitação ARP, são encaminhados para todas as portas do switch, exceto a porta de entrada original. Isso garante que todos os dispositivos em um domínio de broadcast possam receber o quadro. Se houver mais de um caminho para o encaminhamento do quadro, poderá ocorrer um loop infinito. Quando ocorre um loop, a tabela de endereços MAC em um switch muda constantemente com as atualizações dos quadros de transmissão, o que resulta na instabilidade do banco de dados MAC. Isso pode causar alta utilização da CPU, o que torna o switch incapaz de encaminhar quadros.
Os quadros de broadcast não são o único tipo de quadro afetado por loops. Quadros unicast desconhecidos enviados para uma rede em loop podem resultar em quadros duplicados que chegam ao dispositivo de destino. Um quadro unicast desconhecido é quando o switch não tem o endereço MAC de destino em sua tabela de endereços MAC e deve encaminhar o quadro por todas as portas, exceto a porta de entrada.
Clique em Reproduzir na figura para visualizar a animação. Quando a animação parar, leia o texto que descreve a ação. A animação continuará após a curta pausa.
Tempestade de transmissão
Uma tempestade de broadcast é um número anormalmente alto de broadcasts sobrecarregando a rede durante um período específico de tempo. Tempestades de broadcast podem desativar uma rede em segundos, sobrecarregando interruptores e dispositivos finais. As tempestades de broadcast podem ser causadas por um problema de hardware, como uma placa de rede com defeito ou de um loop da camada 2 na rede.
Os broadcasts da Camada 2 em uma rede, como solicitações ARP, são muito comuns. É provável que um loop da camada 2 tenha consequências imediatas e incapacitantes na rede. Os multicast da camada 2 são normalmente encaminhados da mesma maneira que uma transmissão pelo switch. Portanto, embora os pacotes IPv6 nunca sejam encaminhados como uma transmissão da camada 2, a descoberta de vizinho ICMPv6 usa multicast da camada 2.
Clique em Reproduzir na figura para visualizar uma animação que mostra os efeitos cada vez mais adversos de um loop conforme a transmissão e os quadros unicast desconhecidos continuam a se propagar indefinidamente em uma tempestade de transmissão.
Um host preso em um loop da camada 2 não está acessível a outros hosts na rede. Além disso, devido às constantes mudanças em sua tabela de endereços MAC, o switch não sabe de qual porta encaminhar os quadros unicast. Na animação anterior, os switches terão as portas incorretas listadas para PC1. Qualquer quadro unicast desconhecido destinado ao PC1 circula pela rede, da mesma forma que os quadros de transmissão fazem. Mais e mais frames em loop pela rede acabam criando uma tempestade de broadcast.
Para evitar que esses problemas ocorram em uma rede redundante, algum tipo de spanning tree deve ser habilitado nos switches. A árvore de abrangência é habilitada, por padrão, nos switches Cisco para evitar que os loops da Camada 2 ocorram.
O Algoritmo de Spanning Tree
O STP é baseado em um algoritmo inventado por Radia Perlman enquanto trabalhava para a Digital Equipment Corporation e publicado no artigo de 1985 “Um algoritmo para computação distribuída de uma árvore estendida em uma LAN estendida”. Seu algoritmo de spanning tree (STA) cria uma topologia sem loop selecionando uma única ponte raiz onde todos os outros switches determinam um único caminho de menor custo.
Sem o protocolo de prevenção de loop, ocorreriam loops, tornando uma rede de switch redundante inoperante.
Clique em cada botão para obter uma explicação de como o STA cria uma topologia sem loop.
Este cenário STA usa uma LAN Ethernet com conexões redundantes entre vários switches.
O STP garante que haja apenas um caminho lógico entre todos os destinos na rede, bloqueando intencionalmente os caminhos redundantes que podem causar um loop, conforme mostrado na figura. Quando uma porta é bloqueada, os dados do usuário são impedidos de entrar ou sair dessa porta. Bloquear os caminhos redundantes é fundamental para evitar loops na rede.
Os caminhos físicos ainda existem para fornecer redundância, mas esses caminhos são desabilitados para evitar que os loops ocorram. Se o caminho for necessário para compensar um cabo de rede ou falha do switch, o STP recalcula os caminhos e desbloqueia as portas necessárias para permitir que o caminho redundante se torne ativo. Os recálculos de STP também podem ocorrer sempre que um novo switch ou novo link entre switches for adicionado à rede.
A figura mostra uma falha de link entre os switches S2 e S4 fazendo com que o STP seja recalculado. Observe que o link redundante anterior entre S4 e S5 agora está encaminhando para compensar essa falha. Ainda há apenas um caminho entre cada switch e a bridge raiz.
O STP evita que os loops ocorram configurando um caminho sem loops através da rede usando portas de “estado de bloqueio” estrategicamente colocadas. Os switches que executam o STP são capazes de compensar as falhas desbloqueando dinamicamente as portas bloqueadas anteriormente e permitindo que o tráfego atravesse os caminhos alternativos.
Packet Tracer – investigue a prevenção de loop de STP
Nesta atividade do Packet Tracer, você completará os seguintes objetivos:
- Crie e configure uma rede simples de três switches com STP.
- Ver operação STP
- Desative o STP e visualize a operação novamente.
Pronto para ir! Continue visitando nosso blog do curso de networking, confira todo o conteúdo do CCNA 3 aqui; e você encontrará mais ferramentas e conceitos que o tornarão um profissional de rede.