Operações STP
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Operações STP

Etapas para uma topologia sem loop

Agora você sabe como os loops são criados e os fundamentos do uso do protocolo spanning tree para evitá-los. Este tópico o guiará, passo a passo, pela operação do STP. Usando o STA, o STP constrói uma topologia sem loop em um processo de quatro etapas:

  1. Escolha a ponte raiz.
  2. Escolha as portas raiz.
  3. Escolha as portas designadas.
  4. Escolha portas alternativas (bloqueadas).

Durante as funções STA e STP, os switches usam unidades de dados de protocolo de ponte (BPDUs) para compartilhar informações sobre eles próprios e suas conexões. BPDUs são usados para eleger a bridge raiz, portas raiz, portas designadas e portas alternativas. Cada BPDU contém um ID de ponte (BID) que identifica qual switch enviou o BPDU. O BID está envolvido na tomada de muitas das decisões de STA, incluindo bridge raiz e funções de porta. Conforme mostrado na figura, o BID contém um valor de prioridade, o endereço MAC do switch e um ID de sistema estendido. O menor valor de BID é determinado pela combinação desses três campos.

ID de ponte com o ID de sistema estendido

O BID inclui a Bridge Priority, a Extended System ID e o MAC Address do switch.

Prioridade de ponte

O valor de prioridade padrão para todos os switches Cisco é o valor decimal 32768. O intervalo é de 0 a 61440 em incrementos de 4096. Uma prioridade de ponte inferior é preferível. Uma prioridade de ponte de 0 tem precedência sobre todas as outras prioridades de ponte.

ID de sistema estendido

O valor de ID do sistema estendido é um valor decimal adicionado ao valor de prioridade da ponte no BID para identificar a VLAN para este BPDU.

As primeiras implementações do IEEE 802.1D foram projetadas para redes que não usavam VLANs. Havia uma única árvore de abrangência comum em todos os switches. Por esse motivo, em switches mais antigos, o ID do sistema estendido não foi incluído nos BPDUs. À medida que as VLANs se tornaram comuns para segmentação de infraestrutura de rede, 802.1D foi aprimorado para incluir suporte para VLANs, o que exigia que a VLAN ID de 12 bits fosse incluída no quadro BPDU. As informações de VLAN são incluídas no quadro BPDU por meio do uso do ID de sistema estendido.

O ID de sistema estendido permite implementações posteriores de STP, como Rapid STP (RSTP) para ter diferentes pontes raiz para diferentes conjuntos de VLANs. Isso pode permitir links redundantes e não encaminhados em uma topologia STP para um conjunto de VLANs a ser usado por um conjunto diferente de VLANs usando uma ponte raiz diferente.

Endereço MAC

Quando dois switches são configurados com a mesma prioridade e têm o mesmo ID de sistema estendido, o switch que tem o endereço MAC com o valor mais baixo, expresso em hexadecimal, terá o BID mais baixo.

(1) Eleja a ponte raiz

O STA designa um único switch como a ponte raiz e o usa como ponto de referência para todos os cálculos de caminho. Os switches trocam BPDUs para construir a topologia sem loop começando com a seleção da bridge raiz.

Um processo de eleição determina qual switch se torna a bridge raiz. Todos os switches no domínio de broadcast participam do processo de eleição. Depois que um switch é inicializado, ele começa a enviar quadros BPDU a cada dois segundos. Esses quadros BPDU contêm o BID do switch de envio e o BID da bridge raiz, conhecido como Root ID.

O switch com o BID mais baixo se tornará a bridge raiz. A princípio, todos os switches se declaram como a bridge raiz com seu próprio BID definido como o ID de raiz. Eventualmente, os switches aprendem por meio da troca de BPDUs qual switch tem o BID mais baixo e concordará em uma bridge raiz.

Na figura, S1 é eleito a bridge raiz porque possui o BID mais baixo.

Eleja a ponte raiz

Impacto de BIDs padrão

Como o BID padrão é 32768, é possível que dois ou mais switches tenham a mesma prioridade. Nesse cenário, onde as prioridades são as mesmas, o switch com o endereço MAC mais baixo se tornará a bridge raiz. Para garantir que a decisão da ponte raiz atenda melhor aos requisitos de rede, é recomendável que o administrador configure o switch de ponte raiz desejado com uma prioridade mais baixa.

Na figura, todos os switches estão configurados com a mesma prioridade de 32769. Aqui, o endereço MAC se torna o fator decisivo quanto a qual switch se torna a bridge raiz. O switch com o valor de endereço MAC hexadecimal mais baixo é a bridge raiz preferencial. Neste exemplo, S2 tem o valor mais baixo para seu endereço MAC e é eleito como a ponte raiz para essa instância de spanning tree.

Nota: O BPDU inclui o custo do caminho raiz. Este é o custo do caminho do switch de envio para a bridge raiz.

Impacto de BIDs padrão

Determine o custo do caminho raiz

Quando a ponte raiz foi eleita para uma determinada instância de spanning tree, o STA inicia o processo de determinação dos melhores caminhos para a ponte raiz de todos os destinos no domínio de broadcast. As informações do caminho, conhecidas como custo do caminho raiz interno, são determinadas pela soma de todos os custos de portas individuais ao longo do caminho do switch à bridge raiz.

Nota: O BPDU inclui o custo do caminho raiz. Este é o custo do caminho do switch de envio para a bridge raiz.

Quando um switch recebe o BPDU, ele adiciona o custo da porta de ingresso do segmento para determinar seu custo do caminho raiz interno.

Os custos de porta padrão são definidos pela velocidade em que a porta opera. A tabela mostra os custos de porta padrão sugeridos pelo IEEE. Os switches Cisco, por padrão, usam os valores definidos pelo padrão IEEE 802.1D, também conhecido como custo de caminho curto, para STP e RSTP. No entanto, o padrão IEEE sugere o uso dos valores definidos no IEEE-802.1w, também conhecido como custo de caminho longo, ao usar links de 10 Gbps e mais rápidos.

Nota: RSTP é discutido com mais detalhes posteriormente neste módulo.

Velocidade do linkSTP Cost: IEEE 802.1D-1998RSTP Cost: IEEE 802.1w-2004
10 Gbps22,000
1 Gbps420,000
100 Mbps19200,000
10 Mbps1002,000,000

Embora as portas do switch tenham um custo de porta padrão associado a elas, o custo da porta é configurável. A capacidade de configurar custos de portas individuais oferece ao administrador a flexibilidade de controlar manualmente os caminhos de spanning tree para a bridge raiz.

(2) Eleger as portas raiz

Depois que a ponte raiz foi determinada, o algoritmo STA é usado para selecionar a porta raiz. Cada switch não raiz selecionará uma porta raiz. A porta raiz é a porta mais próxima da ponte raiz em termos de custo geral (melhor caminho) para a ponte raiz. Esse custo geral é conhecido como custo do caminho interno da raiz.

O custo do caminho raiz interno é igual à soma de todos os custos de porta ao longo do caminho até a ponte raiz, conforme mostrado na figura. Os caminhos com o custo mais baixo tornam-se preferidos e todos os outros caminhos redundantes são bloqueados. No exemplo, o custo do caminho de raiz interna de S2 para a ponte de raiz S1 no caminho 1 é 19 (com base no custo de porta individual especificado pelo IEEE), enquanto o custo do caminho de raiz interno no caminho 2 é 38. Porque o caminho 1 tem um menor custo geral do caminho para a bridge raiz, é o caminho preferido e F0 / 1 se torna a porta raiz em S2.

Eleger as portas raiz

(3) Eleger portas designadas

A parte de prevenção de loop de spanning tree torna-se evidente durante as próximas duas etapas. Depois que cada switch selecionar uma porta raiz, os switches selecionarão as portas designadas.

Cada segmento entre dois switches terá uma porta designada. A porta designada é uma porta no segmento (com dois switches) que tem o custo do caminho raiz interno para a bridge raiz. Em outras palavras, a porta designada tem o melhor caminho para receber o tráfego que leva à ponte raiz.

O que não é uma porta raiz ou uma porta designada torna-se uma porta alternativa ou bloqueada. O resultado final é um único caminho de cada switch para a bridge raiz.

Clique em cada botão para obter uma explicação de como o STA elege as portas designadas.

Todas as portas na bridge raiz são portas designadas, conforme mostrado na figura. Isso ocorre porque a bridge raiz tem o custo mais baixo para si mesma.

Portas designadas na ponte raiz

Se uma extremidade de um segmento for uma porta raiz, a outra extremidade será uma porta designada. Para demonstrar isso, a figura mostra que o switch S4 está conectado ao S3. A interface Fa0 / 1 em S4 é sua porta raiz porque tem o melhor e único caminho para a ponte raiz. A interface Fa0 / 3 em S3 na outra extremidade do segmento seria, portanto, a porta designada.

Nota: Todas as portas de switch com dispositivos finais (hosts) conectados são portas designadas.

Porta designada e porta raiz

Isso deixa apenas segmentos entre dois switches, onde nenhum dos switches é a ponte raiz. Nesse caso, a porta no switch com o caminho de menor custo para a bridge raiz é a porta designada para o segmento. Por exemplo, na figura, o último segmento é aquele entre S2 e S3. Ambos S2 e S3 têm o mesmo custo de caminho para a bridge raiz. O algoritmo de spanning tree usará o ID da ponte como um desempatador. Embora não seja mostrado na figura, S2 tem um BID inferior. Portanto, a porta F0 / 2 de S2 será escolhida como a porta designada. As portas designadas estão em estado de encaminhamento.

Porta designada e sem porta raiz

(4) Eleger portas alternativas (bloqueadas)

Se uma porta não for uma porta raiz ou uma porta designada, ela se tornará uma porta alternativa (ou de backup). Portas alternativas e portas de backup estão em estado de descarte ou bloqueio para evitar loops. Na figura, o STA configurou a porta F0 / 2 em S3 na função alternativa. A porta F0 / 2 em S3 está no estado de bloqueio e não encaminhará quadros Ethernet. Todas as outras portas entre switches estão em estado de encaminhamento. Esta é a parte de prevenção de loop do STP.

Eleger portas alternativas

A interface Fa0 / 2 do S3 não é uma porta raiz ou uma porta designada, portanto, ela se torna uma porta alternativa ou bloqueada.

Eleger uma porta raiz a partir de vários caminhos de custo igual

A porta raiz e as portas designadas são baseadas no custo de caminho mais baixo para a ponte raiz. Mas o que acontecerá se o switch tiver vários caminhos de custo igual para a bridge raiz? Como um switch designa uma porta raiz?

Quando um switch tem vários caminhos de custo igual para a bridge raiz, o switch irá determinar uma porta usando os seguintes critérios:

  1. BID do remetente mais baixo
  2. Prioridade de porta remetente mais baixa
  3. ID da porta do remetente mais baixa

Clique em cada critério para obter um exemplo e uma explicação.

A figura mostra uma topologia com quatro switches, incluindo switch S1 como a bridge raiz. Examinando as funções da porta, a porta F0 / 1 no switch S3 e a porta F0 / 3 no switch S4 foram selecionadas como portas raiz porque têm o caminho de custo mais baixo (custo do caminho raiz) para a bridge raiz de seus respectivos switches. S2 tem duas portas, F0 / 1 e F0 / 2 com caminhos de custo iguais para a bridge raiz. Nesse caso, os IDs de ponte dos switches vizinhos, S3 e S4, serão usados ​​para desfazer o empate. Isso é conhecido como BID do remetente. S3 tem um BID de 32769.5555.5555.5555 e S4 tem um BID de 32769.1111.1111.1111. Como S4 tem um BID inferior, a porta F0 / 1 de S2, que é a porta conectada a S4, será a porta raiz.

BID do remetente mais baixo

Para demonstrar os próximos dois critérios, a topologia é alterada para uma em que dois switches são conectados com dois caminhos de custo igual entre eles. S1 é a ponte raiz, portanto, ambas as portas são portas designadas.

S4 tem duas portas com caminhos de custo igual para a bridge raiz. Como as duas portas estão conectadas ao mesmo switch, o BID do remetente (S1) é igual. Portanto, o primeiro passo é um empate.

Em seguida na lista está a prioridade da porta do remetente (S1). A prioridade de porta padrão é 128, portanto, ambas as portas em S1 têm a mesma prioridade de porta. Este também é um empate. No entanto, se qualquer uma das portas em S1 foi configurada com uma prioridade de porta mais baixa, S4 colocaria sua porta adjacente no estado de encaminhamento. A outra porta em S4 seria um estado de bloqueio.

Menor prioridade de porta do remetente

O último desempatador é o ID de porta do remetente mais baixo. O switch S4 recebeu BPDUs da porta F0 / 1 e da porta F0 / 2 em S1. Lembre-se de que a decisão é baseada no ID da porta do remetente, não no ID da porta do receptor. Como o ID da porta F0 / 1 em S1 é menor do que a porta F0 / 2, a porta F0 / 6 no switch S4 será a porta raiz. Esta é a porta em S4 que está conectada à porta F0 / 1 em S1.

A porta F0 / 5 em S4 se tornará uma porta alternativa e será colocada no estado de bloqueio, que é a parte de prevenção de loop do STP.

ID da Porta do Remetente Menor

Temporizadores STP e estados de porta

A convergência de STP requer três temporizadores, da seguinte forma:

  • Hello Timer – O tempo de hello é o intervalo entre BPDUs. O padrão é 2 segundos, mas pode ser modificado para entre 1 e 10 segundos.
  • Forward Delay Timer – O atraso de encaminhamento é o tempo gasto no estado de escuta e aprendizagem. O padrão é 15 segundos, mas pode ser modificado para entre 4 e 30 segundos.
  • Max Age Timer – A idade máxima é o período máximo de tempo que um switch espera antes de tentar alterar a topologia do STP. O padrão é 20 segundos, mas pode ser modificado para entre 6 e 40 segundos.

Nota: Os tempos padrão podem ser alterados na bridge raiz, o que determina o valor desses temporizadores para o domínio STP.

O STP facilita o caminho lógico sem loop em todo o domínio de broadcast. A árvore de abrangência é determinada por meio das informações aprendidas pela troca de quadros BPDU entre os switches interconectados. Se uma porta do switch muda diretamente do estado de bloqueio para o estado de encaminhamento sem informações sobre a topologia completa durante a transição, a porta pode criar temporariamente um loop de dados. Por esse motivo, o STP tem cinco estados de porta, quatro dos quais são estados de porta operacionais, conforme mostrado na figura. O estado desativado é considerado não operacional.

Temporizadores STP e estados de porta

Os detalhes de cada estado de porta são mostrados na tabela.

Estado do portoDescrição
BlockingA porta é uma porta alternativa e não participa do encaminhamento de quadros. A porta recebe quadros BPDU para determinar a localização e o ID da raiz da ponte raiz. Os quadros BPDU também determinam quais funções de porta cada porta de switch deve assumir na topologia STP ativa final. Com um temporizador de Max Age de 20 segundos, uma porta de switch que não recebeu um BPDU esperado de um switch vizinho entrará no estado de bloqueio.
ListeningApós o estado de bloqueio, uma porta passará para o estado de escuta. A porta recebe BPDUs para determinar o caminho para a raiz. A porta do switch também transmite seus próprios quadros BPDU e informa aos switches adjacentes que a porta do switch está se preparando para participar da topologia ativa.
LearningUma porta de switch passa para o estado de aprendizagem após o estado de escuta. Durante o estado de aprendizagem, a porta do switch recebe e processa BPDUs e se prepara para participar do encaminhamento de quadros. Ele também começa a preencher a tabela de endereços MAC. No entanto, no estado de aprendizagem, os frames do usuário não são encaminhados ao destino.
ForwardingNo estado de encaminhamento, uma porta de switch é considerada parte da topologia ativa. A porta do switch encaminha o tráfego do usuário e envia e recebe quadros BPDU.
DisabledNo estado de encaminhamento, uma porta de switch é considerada parte da topologia ativa. A porta do switch encaminha o tráfego do usuário e envia e recebe quadros BPDU.

Detalhes operacionais de cada estado do porto

A tabela resume os detalhes operacionais de cada estado de porta.

Estado do portoBPDUTabela de endereços MACEncaminhando frames de dados
BlockingReceber apenasSem atualizaçãoNão
ListeningReceber e enviarSem atualizaçãoNão
LearningReceber e enviarAtualizando tabelaNão
ForwardingReceber e enviarAtualizando tabelaSim
DisabledNo Receber e enviarSem atualizaçãoNão

Por VLAN Spanning Tree

Até agora, discutimos o STP em um ambiente onde há apenas uma VLAN. No entanto, o STP pode ser configurado para operar em um ambiente com várias VLANs.

Em versões de STP por VLAN Spanning Tree (PVST), há uma ponte raiz eleita para cada instância de Spanning Tree. Isso torna possível ter diferentes pontes raiz para diferentes conjuntos de VLANs. O STP opera uma instância separada do STP para cada VLAN individual. Se todas as portas em todos os switches forem membros da VLAN 1, haverá apenas uma instância de spanning tree.

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