Qué es el Spanning Tree Protocol (STP)

Mauro Escalante
mayo 30, 2023
12:04 pm
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El Protocolo de Árbol de Expansión, o Spanning Tree Protocol (STP), es un protocolo de red que se utiliza para evitar los bucles de red que pueden ser creados por “enlaces redundantes” en una red de computadoras.

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Los bucles son perjudiciales para la red y pueden llevar a la propagación sin fin de los paquetes de datos, congestionando y degradando severamente el rendimiento de la red.

STP fue desarrollado por el Dr. Radia Perlman y publicado por primera vez como el estándar IEEE 802.1D en 1990.

Fundamentos y funcionamiento

El STP trabaja creando una topología de árbol, un “árbol de expansión“, que abarca todos los switches en una red. Este árbol es usado para determinar un camino sin bucles en la red.

La idea es asegurarse de que solo haya un camino activo entre dos nodos de la red.

Para hacer esto, STP asigna roles (raíz, designado y bloqueado) a todos los puertos en la red. Estos roles son los siguientes:

Puerto raíz: Este es el puerto que tiene el mejor camino (costo más bajo) desde el switch hasta la raíz.
Puerto designado: Este es el puerto que tiene el mejor camino desde la red hasta la raíz.
Puerto bloqueado: Este puerto no se utiliza en la topología actual. Es un puerto redundante y está en espera en caso de que se produzca una falla en otros puertos.

Los roles se determinan según varios criterios, que incluyen el ID de puente, el ID de puerto y el costo del camino al puente raíz.

El “puente raíz” es un switch específico seleccionado por el STP para ser la referencia de la red. Este puente es seleccionado según su ID de puente, que incluye un valor de prioridad y la dirección MAC del switch. El switch con el ID de puente más bajo se convierte en el puente raíz.

Proceso STP

El proceso de STP se puede resumir en cuatro pasos:

1. Elección del puente raíz

El proceso comienza con la elección del puente raíz (root bridge), que es esencialmente el switch que actúa como punto de referencia en la red. Todos los caminos en la topología de la red comienzan desde este switch.

La elección se basa en el Bridge ID (BID), que consta de una prioridad (valor por defecto de 32768) y la dirección MAC del switch.

El switch con el BID más bajo se convierte en el puente raíz. En caso de un empate en la prioridad, se utiliza la dirección MAC para desempatar (la MAC más baja gana).

2. Selección del puerto raíz

Después de que se ha elegido el puente raíz, cada switch (que no es el puente raíz) selecciona su puerto raíz, que es el puerto con el menor costo de ruta al puente raíz.

El costo de ruta se calcula en función de la velocidad de transmisión del enlace. Un enlace más rápido tiene un costo más bajo.

3. Selección del puerto designado

A continuación, cada segmento de red (dominio de colisión) selecciona un puerto designado. Este es el puerto con el menor costo de ruta desde el segmento de red hasta el puente raíz.

El switch que tiene este puerto designado se denomina switch designado.

4. Bloqueo de otros puertos

Todos los demás puertos que no son puertos raíz o designados se bloquean. Se les asigna un estado de bloqueo y no participan en el reenvío de tramas, lo que evita la formación de bucles.

5. Propagación de la información del puente (Bridge Protocol Data Units, BPDUs)

Los BPDUs se utilizan para intercambiar información entre los switches. Los BPDUs se envían periódicamente (por defecto, cada 2 segundos) desde el puente raíz y los switches designados a todos los otros switches en la red.

6. Cambios en la topología de la red

Si ocurre un cambio en la topología de la red (por ejemplo, si un enlace falla o se agrega un nuevo switch), el STP recalcula los caminos y puede cambiar el estado de los puertos (bloqueado a designado o raíz, o viceversa) para asegurarse de que no se formen bucles en la nueva topología.

Estos pasos aseguran que se mantenga un árbol de expansión sin bucles en la red y permiten a la red recuperarse de los cambios en la topología.

Debes tener en cuenta que las versiones más modernas de STP, como Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), pueden realizar estos pasos de manera más eficiente y rápida.

Una vez establecida la topología de árbol, si se produce una falla en la red, STP puede reconfigurarse y seleccionar un nuevo camino.

Tipos de STP

Existen varias variantes de STP, incluyendo Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) que proporciona tiempos de convergencia más rápidos, y Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) que permite múltiples árboles de expansión en la misma red.

A continuación, presentamos algunas de las variantes más comunes:

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

Esta versión de STP fue diseñada para acelerar el tiempo de recuperación después de un cambio en la topología de la red.

En lugar de esperar a que expiren los temporizadores, RSTP puede responder activamente a los cambios en la red y reconfigurar la topología del árbol de expansión mucho más rápidamente. RSTP también introduce el concepto de “roles de puerto” y “estados de puerto” para optimizar la recuperación.

2. Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP, IEEE 802.1s)

MSTP permite a los switches tener múltiples árboles de expansión. Esto permite un balanceo de carga más efectivo y la capacidad de adaptarse a más tipos de configuraciones de red.

Con MSTP, cada árbol de expansión puede ser asignado a un conjunto de VLANs, lo que puede mejorar la eficiencia de la red en entornos con múltiples VLANs.

3. Per-VLAN Spanning Tree Protocol (PVST)

Es una variante de Cisco de STP, que utiliza un árbol de expansión separado para cada VLAN.

Esto proporciona una mayor flexibilidad, ya que puede optimizar la configuración de STP para cada VLAN individual.

4. Per-VLAN Spanning Tree Protocol Plus (PVST+)

Esta es una mejora del PVST que mejora la interoperabilidad con STP estándar.

5. Rapid Per-VLAN Spanning Tree Protocol (RPVST+)

Este protocolo combina los beneficios de RSTP (tiempo de convergencia más rápido) con los beneficios de PVST+ (un árbol de expansión por VLAN).

Cada variante de STP tiene sus propias fortalezas y debilidades, y la elección de qué variante usar depende en gran medida del diseño y las necesidades específicas de la red.

Algunos factores a considerar podrían ser la necesidad de balanceo de carga, el número y el tamaño de las VLANs, y la necesidad de una rápida recuperación de los fallos de red.

Variantes de STP y los escenarios más apropiados

Variante STP	Descripción	Escenario de uso
STP (IEEE 802.1D)	El original, diseñado para prevenir bucles en la red.	Ideal para redes pequeñas y simples, donde la velocidad de convergencia no es crítica.
RSTP (IEEE 802.1w)	Mejora de STP con tiempos de convergencia más rápidos.	Adecuado para redes más grandes donde es importante la rapidez en la recuperación de la conectividad tras una interrupción.
MSTP (IEEE 802.1s)	Permite múltiples árboles de expansión, facilitando el balanceo de carga y la adaptación a varias configuraciones de red.	Óptimo para redes grandes con múltiples VLANs y donde se necesita un balanceo de carga eficaz.
PVST	Variante de Cisco que utiliza un árbol de expansión separado para cada VLAN.	Ideal para redes que utilizan Cisco y tienen múltiples VLANs que requieren configuraciones STP optimizadas individualmente.
PVST+	Mejora la interoperabilidad de PVST con STP estándar.	Adecuado para redes con equipos de múltiples proveedores y donde se requiere la optimización individual de VLANs.
RPVST+	Combina los beneficios de RSTP y PVST+.	Ideal para redes con múltiples VLANs que requieren tanto una rápida convergencia como la optimización individual de VLANs.

Variantes de STP y sus principales ventajas y desventajas

Variante STP	Ventajas	Desventajas
STP (IEEE 802.1D)	Previene bucles de red de manera efectiva.	Tiempo de convergencia lento. Solo permite un camino activo, lo que puede limitar el ancho de banda.
RSTP (IEEE 802.1w)	Tiempos de convergencia más rápidos en comparación con STP. Mantiene las ventajas de STP.	Aunque es más rápido que STP, aún puede no ser suficientemente rápido para algunas aplicaciones.
MSTP (IEEE 802.1s)	Permite múltiples instancias de STP, lo que puede mejorar el balanceo de carga y el uso del ancho de banda.	Más complejo de configurar y administrar debido a las múltiples instancias de STP.
PVST	Permite una configuración de STP por VLAN, lo que puede optimizar el rendimiento.	Específico de Cisco, por lo que puede no ser compatible con equipos de otros fabricantes.
PVST+	Mejora la interoperabilidad con STP estándar en comparación con PVST.	Aunque mejora la interoperabilidad en comparación con PVST, puede seguir habiendo problemas de compatibilidad.
RPVST+	Combina las ventajas de RSTP y PVST+. Permite tiempos de convergencia más rápidos y una configuración STP por VLAN.	Específico de Cisco. Es más complejo de configurar y administrar debido a las características adicionales.