O que é protocolo Spanning Tree (STP)

Mauro Escalante
Pode 30, 2023
12:04h
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El Protocolo Spanning Tree, ou Spanning Tree Protocol (STP), é um protocolo de rede usado para evitar loops de rede que podem ser criados por “links redundantes” em uma rede de computadores.

No final do artigo você encontrará um pequeno teste isso vai permitir a você avaliar o conhecimento adquirido nesta leitura

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Os loops são prejudiciais à rede e podem levar à propagação infinita de pacotes de dados, congestionando gravemente e degradando o desempenho da rede.

O STP foi desenvolvido por Dra. Radia Perlman e publicado pela primeira vez como o padrão IEEE 802.1D em 1990.

Fundamentos e operação

O STP funciona criando uma topologia em árvore, um “árvore geradora“, que abrange todos os switches em uma rede. Esta árvore é usada para determinar um caminho sem loop na rede.

A ideia é garantir que haja apenas um caminho ativo entre dois nós da rede.

Para fazer isso, STP atribui funções (root, designado e bloqueado) para todas as portas da rede. Essas funções são as seguintes:

porta raiz: Esta é a porta que possui o melhor caminho (menor custo) do switch até a raiz.
Porta designada: Esta é a porta que possui o melhor caminho da rede até a raiz.
Porta bloqueada: Esta porta não é usada na topologia atual. É uma porta redundante e fica em espera caso ocorra uma falha em outras portas.

As funções são determinadas com base em vários critérios, incluindo ID da ponte, o ID da porta e pelo custo da estrada para a ponte raiz.

El “ponte raiz” É um switch específico selecionado pelo STP para ser a referência da rede. Esta ponte é selecionada com base em seu ID de ponte, que inclui um valor de prioridade e o endereço MAC do switch. O switch com o ID de ponte mais baixo torna-se a ponte raiz.

Processo STP

O processo STP pode ser resumido em quatro etapas:

1. Escolha da ponte raiz

O processo começa com a escolha da ponte raiz (ponte raiz), que é essencialmente o switch que atua como ponto de referência na rede. Todos os caminhos na topologia de rede começam neste switch.

A escolha é baseada na ID da ponte (BID), que consiste em um prioridad (valor padrão de 32768) e o Endereço MAC do interruptor.

O switch com o BID mais baixo se torna a ponte raiz. Em caso de empate na prioridade, o endereço MAC é usado para desempatar (o MAC mais baixo vence).

2. Seleção da porta raiz

Após a ponte raiz ter sido eleita, cada switch (que não seja a ponte raiz) seleciona sua porta raiz, que é a porta com o menor custo de caminho para a ponte raiz.

O custo do caminho é calculado com base na velocidade de transmissão do link. Um link mais rápido tem um custo menor.

3. Selecionando a porta designada

Então cada segmento de rede (domínio de colisão) Selecione uma porto designado. Esta é a porta com o menor custo de caminho do segmento de rede até a ponte raiz.

O switch que possui esta porta designada é chamado interruptor designado.

4. Bloqueio de outras portas

Todas as outras portas que não sejam portas raiz ou designadas serão bloqueadas. Eles são atribuídos a um status de bloqueio e não participam do encaminhamento de quadros, o que evita a formação de loops.

5. Propagação de informações de ponte (Bridge Protocol Data Units, BPDUs)

Os BPDUs Eles são usados para trocar informações entre switches. As BPDUs são enviadas periodicamente (por padrão, a cada 2 segundos) da ponte raiz e dos switches designados para todos os outros switches da rede.

6. Mudanças na topologia da rede

Se ocorrer uma alteração na topologia da rede (por exemplo, se um link falhar ou um novo switch for adicionado), o STP recalcula os caminhos e pode alterar o status das portas (bloqueadas para designada ou raiz, ou vice-versa) para garantir nenhum loop se forma na nova topologia.

Essas etapas garantem que uma árvore geradora sem loop seja mantida na rede e permitem que a rede se recupere das alterações de topologia.

Você deve ter em mente que versões mais recentes do STP, como o Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), podem executar essas etapas com mais eficiência e rapidez.

Uma vez estabelecida a topologia em árvore, se ocorrer uma falha na rede, o STP poderá se reconfigurar e selecionar um novo caminho.

Tipos de STP

Existem diversas variantes de STP, incluindo Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), que fornece tempos de convergência mais rápidos, e Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP), que permite múltiplas spanning tree na mesma rede.

Aqui estão algumas das variantes mais comuns:

1. Protocolo Rapid Spanning Tree (RSTP, IEEE 802.1w)

Esta versão do STP foi projetada para acelerar o tempo de recuperação após uma alteração na topologia da rede.

Em vez de esperar que os temporizadores expirem, o RSTP pode responder ativamente às mudanças na rede e reconfigurar a topologia de spanning tree com muito mais rapidez. RSTP também introduz o conceito de “funções portuárias” y “Estados portuários” para otimizar a recuperação.

2. Protocolo Spanning Tree Múltiplo (MSTP, IEEE 802.1s)

O MSTP permite que os switches tenham múltiplas árvores geradoras. Isso permite um balanceamento de carga mais eficaz e a capacidade de adaptação a mais tipos de configurações de rede.

Com o MSTP, cada spanning tree pode ser atribuído a um conjunto de VLANs, o que pode melhorar a eficiência da rede em ambientes com múltiplas VLANs.

3. Protocolo Spanning Tree por VLAN (PVST)

É uma variante Cisco do STP, que usa uma árvore geradora separada para cada VLAN.

Isto proporciona maior flexibilidade porque você pode otimizar a configuração do STP para cada VLAN individual.

4. Spanning Tree Protocol Plus por VLAN (PVST+)

Este é um aprimoramento do PVST que melhora a interoperabilidade com o STP padrão.

5. Protocolo Spanning Tree rápido por VLAN (RPVST+)

Este protocolo combina os benefícios do RSTP (tempo de convergência mais rápido) com os benefícios do PVST+ (uma árvore geradora por VLAN).

Cada variante STP tem seus próprios pontos fortes e fracos, e a escolha de qual variante usar depende em grande parte do projeto e das necessidades específicas da rede.

Alguns fatores a serem considerados podem ser a necessidade de balanceamento de carga, o número e o tamanho das VLANs e a necessidade de recuperação rápida de falhas de rede.

Variantes STP e os cenários mais adequados

Variante STP	Descrição	Cenário de Uso
STP (IEEE 802.1D)	O original, projetado para evitar loops na rede.	Ideal para redes pequenas e simples, onde a velocidade de convergência não é crítica.
RSTP (IEEE 802.1w)	STP aprimorado com tempos de convergência mais rápidos.	Adequado para redes maiores onde a velocidade na recuperação da conectividade após uma interrupção é importante.
MSTP (IEEE 802.1s)	Ele permite múltiplas árvores de abrangência, facilitando o balanceamento de carga e a adaptação a diversas configurações de rede.	Ideal para grandes redes com múltiplas VLANs e onde é necessário um balanceamento de carga eficaz.
PVST	Variante Cisco que usa uma árvore de abrangência separada para cada VLAN.	Ideal para redes que utilizam Cisco e possuem múltiplas VLANs que exigem configurações de STP otimizadas individualmente.
PVST+	Melhora a interoperabilidade do PVST com STP padrão.	Adequado para redes com equipamentos de vários fornecedores e onde é necessária otimização de VLAN individual.
RPVST+	Combina os benefícios do RSTP e PVST+.	Ideal para redes com múltiplas VLANs que exigem convergência rápida e otimização de VLAN individual.

Variantes STP e suas principais vantagens e desvantagens

Variante STP	Vantagens	Desvantagens
STP (IEEE 802.1D)	Evite loops de rede de forma eficaz.	Tempo de convergência lento. Permite apenas um caminho ativo, o que pode limitar a largura de banda.
RSTP (IEEE 802.1w)	Tempos de convergência mais rápidos em comparação com STP. Mantém as vantagens do STP.	Embora seja mais rápido que o STP, ainda pode não ser rápido o suficiente para algumas aplicações.
MSTP (IEEE 802.1s)	Permite múltiplas instâncias de STP, o que pode melhorar o balanceamento de carga e o uso de largura de banda.	Mais complexo de configurar e gerenciar devido a múltiplas instâncias STP.
PVST	Permite configuração STP por VLAN, o que pode otimizar o desempenho.	Específico da Cisco, portanto pode não ser compatível com equipamentos de outros fabricantes.
PVST+	Melhora a interoperabilidade com STP padrão em comparação com PVST.	Embora melhore a interoperabilidade em comparação com o PVST, ainda podem existir problemas de compatibilidade.
RPVST+	Combina as vantagens de RSTP e PVST+. Permite tempos de convergência mais rápidos e configuração STP por VLAN.	Específico da Cisco. É mais complexo de configurar e gerenciar devido aos recursos adicionais.