Impacto de la formación de loops en la capa de enlace de datos

Los loops se generan cuando se usan dispositivos de interconexión como bridges y routers con el fin de generar varias rutas alternativas hacia un único dispositivo o segmento de red.  

Los siguientes son algunos de los fenómenos y consecuencias más comunes cuando hay loops en la capa de enlace de datos:

Tormentas broadcast

Los dispositivos de interconexión emiten tramas  broadcast y multicast por tiempo indefinido, cuando muchas tramas se encuentran atrapadas en un loop, se presenta un aumento considerable de tráfico y una disminución del rendimiento de la red. 

Ethernet blossoms with bus, star, mesh technology. By Kevin Burak and Roland Gendreau

 
La ausencia de campos TTL (Time To Live) en la capa 2, en contraste con la capa 3,  genera un consumo adicional del ancho del banda utilizado, por lo tanto, el tráfico legítimo no dispone de suficiente ancho de banda, en muchos casos la red se satura tanto que no está en condiciones de transmitir de datos.   

La solución es dividir la red con un router para evitar este tipo de reenvío indefinido o permitir la existencia de enlaces físicos redundantes pero creando una topología lógica libre de loops con STP, ya que este protocolo permite una sola trayectoria activa entre dos dispositivos de red, esto evita los bucles pero manteniendo las rutas redundantes como reserva, para activarlos en caso de que el camino principal falle.

Inestabilidad en la tabla de direcciones MAC: 

El switch registra las direcciones MAC aprendidas y mapea también sus puertos relacionados en una tabla dinámica. Si no hay tramas provenientes de dichas direcciones en un lapso de 300 segundos, la tabla elimina la dirección MAC. En el caso de presentarse un loop, la trama puede alcanzar una dirección MAC por diferentes puertos, y el switch no puede definir a dónde enviar la trama recibida.

Retransmisión de múltiples tramas

Una misma trama puede ser transmitida desde diferentes puertos, el receptor obtiene entonces múltiples copias de la misma trama repetida, esto también genera la saturación de trafico. Las tramas broadcast no son las únicas afectados por los loops, las tramas unicast enviadas a una red con loops pueden generar tramas duplicadas que llegan al dispositivo de destino.

Si tienes información adicional sobre este tema, tus comentarios o links de referencia serán bienvenidos.

Protocolos de Arbol Extensible STP, RSTP PVSTP y MSTP

Entender la teoría de Grafos es fundamental a la hora de estudiar STP y sus variantes, así que haremos una pequeña introducción a esta teoría y explicaremos como funcionan algunos de los algoritmos mas comunes a la hora de generar arboles extensibles.

¿Que es un árbol extensible?

Si tenemos un grafo G compuesto de nodos y aristas, un árbol extensible (Spanning Tree) es un subgrafo sin ciclos que contiene todos los nodos de G.

Si alguno de los vértices falla, se desconectaría la ramificación haciendo inaccesible al nodo o a el grupo de nodos desde la raíz, así que los árboles extensibles son poco tolerantes a fallos.

Mínimo árbol extensible (MST -Minimun Spanning Tree)

MST es un árbol de expansión donde la suma total del peso de las aristas que conforman un camino es el mínimo posible. Para encontrar este se utiliza el Algoritmo de Prim-Jarnik (similar al de Dijkstra)

1. Se comienza con un nodo v arbitrario
2. El árbol se construye nodo por nodo
3. Se añade el nodo u formando la arista (v, u) en la que:

• El nodo v ya se encuentra en el árbol
• El nodo u no está aún en el árbol
• El peso del vértice (v,u) es el mínimo de los pesos de todos los posibles candidatos u

4. Cada nodo almacenado en D[u]

• es un nodo que aún no ha sido visitado. El siguiente u debe estar adyacente a v, es decir solo a un paso de distancia, así se formará la arista (v,u) con menor peso.
• Ventaja: reducción del tiempo de búsqueda del la arista (v,u).

Ejemplo del Algoritmo de Prim-Jarnik

Spanning Tree Protocol (STP)

Este es un protocolo de red que funciona en la capa de enlace de datos del modelo OSI. Existen dos versiones del protocolo que no son compatibles entre si, la original y la estandarizada por el IEEE, esta segunda es la que se usa comunmente hoy en día. Este protocolo es transparente para el host del usuario, y proporciona un canal de comunicación óptimos entre los hosts de una red.

STP utiliza el algoritmo de árbol extensible para configurar los puertos del switch formando topología jerárquicas de red que evitan la formación de bucles o loops, los cuales se presentan debido a la existencia de enlaces redundantes.
 STP activa automáticamente los enlaces de ciertas interfaces y bloquea las rutas físicas redundantes para garantizar un sólo camino lógico en cualquier configuración de bridges, esto asegura una topología libre de loops. Un puerto se considera bloqueado cuando el tráfico de red no puede entrar o salir de el. 

Redundancia

En un diseño jerárquico, la redundancia se logra al distribuir las aplicaciones y los dispositivos de red a través de hardware adicional y redundante,  así se generan múltiples rutas alternativas entre los dispositivos de red, Así cuando se presente la interrupción o fallo de algun camino, no hay perdida de conectividad, ya que hay  otro enlace de reserva para soportar el tráfico y la transmisión de datos.

Componentes STP

Root bridge

El algoritmo de árbol extensible designa un solo switch comocido como Root bridge, y lo utiliza como punto de referencia en todos los cálculos para determinar las rutas redundantes que serán bloqueadas, ya sea en una LAN conmutada o en un dominio de difusión. La duración máxima del árbol de expansión es de cinco minutos, este sigue siendo válido hasta que se produce un cambio de topología, el cual es detectado automáticamente por el protocolo. 
Cuando uno de estos cambios se produce, el root bridge actual redefine la topología del árbol de expansión o elige un nuevo root bridge. Los bridges se comunican entre sí mediante mensajes de configuración llamados BPDUs ( Bridge  Protocol Data Units).

El protocolo establece identificadores (ID) de Bridge, y elige al que tiene la mayor prioridad (número más pequeño) como root. El root bridge establece el camino mas corto (la ruta de menor costo) para toda la red, cada puerto tiene un parámetro configurable llamado Span Path Cost.

Bridge Designado

Son los bridges que se encuentran en el camino de menor costo y son elegidos entre todos los bridges que conectan un segmento de red para transmitir tramas al root, si hay dos puentes con el mismo costo, el criterio de selección esta definido según la dirección MAC más baja. El puerto en el bridge designado que conecta un segmento, se denomina puerto designado y ofrece el camino de menor costo hacia el puerto root. Todos los demás puertos y rutas son bloqueados en un estado estacionario.
Si la configuración STP cambia o un segmento de red redundantes se vuelve inalcanzable, el algoritmo reconfigura los enlaces y restaura la conectividad, activando uno de los enlaces reservados. Si el protocolo falla, es posible que dos conexiones estén activas simultáneamente, lo que podría llevar un loop de tráfico en la LAN.

Variaciones de STP

Cualquier disposición de puentes puede ser configurada con una topología de árbol a través de cualquiera de las cuatro versiones STP: el clásico descrito por la norma IEEE 802.1d y revisado previamente, RSTP rápido (IEEE 802.1w RSTP), STP Múltiple (MSTP 802.1s) y VLAN STP (VSTP).

MSTP: Cuando una red se divide en segmentos unidos por varios puentes, el protocolo bloquea algunos puentes para evitar que un mensaje se quede merodeando en la red.

RSTP mantiene una gran parte de la terminología STP y la mayoría de los parámetros no cambian.  Utiliza el mismo formato de BPDU, con la excepción de que el campo de la versión se establece en 2 para indicar que es RSTP. Este protocolo gestiona enlaces redundantes, reduciendo significativamente el tiempo de convergencia de la topología de la red cuando hay algún cambio o después de un fallo o durante la recuperación de un switch, el puerto o el enlace. En otras palabras, lo detecta y utiliza topologías de red que proporcionan una convergencia más rápida del árbol extensible sin crear bucles de reenvío. RSTP activa puede confirmar que un puerto pueden someterse a una transición segura para el envío de Estado sin depender de ninguna configuración del temporizador.

VLAN STP (VSTP).

Referencias: Diapositivas de Clase JKU Linz :

Univ Prof J.R.Mühlbacher & DI. Ing R.Hörmanseder, Netzwerke Management

Univ. Prof Dr Allois Fersha. Algorithem und Datenstrukturen II

 

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