Implementando o Protocolo Spanning Tree

Apresentação em tema: "Implementando o Protocolo Spanning Tree"— Transcrição da apresentação:

1 Implementando o Protocolo Spanning Tree
Comutação de Rede Local e Sem Fio – Capítulo 5

2 Objetivos Explicar a função da redundância em uma rede convergida.
Resumir o funcionamento do STP para eliminar loops de Camada 2 em uma rede convergida. Explicar como o algoritmo STP utiliza três etapas para convergir em uma topologia sem loop. Implementar o rapid PVST+ em uma rede local para impedir loops entre os switches redundantes.

3 Topologias Redundantes de Camada 2
Redundância Problema encontrado em redes de modelo plano A redundância de camada 2 aprimora a disponibilidade da rede adicionando caminhos alternativos O design hierárquico auxilia a resolver o problema da falta de redundância Ver animação (1)

4 Topologias Redundantes de Camada 2
Design Redundante A redundância é obtida nas camadas de distribuição e núcleo O STP está em ação e definiu portas no estado de bloqueio e portas no estado de encaminhamento A redundância fornece flexibilidade nas escolhas de caminho em uma rede Permite que os dados sejam transmitidos independentemente da falha de um caminho ou dispositivo nas camadas de distribuição ou núcleo

5 Topologias Redundantes de Camada 2
Design Redundante Falha de um dos links da camada de acesso para a camada de distribuição

6 Topologias Redundantes de Camada 2
Design Redundante Falha de um dos links da camada de distribuição para a camada de núcleo

7 Topologias Redundantes de Camada 2
Design Redundante Falha de um switch da camada de distribuição

8 Topologias Redundantes de Camada 2
Design Redundante Falha de um switch da camada de núcleo

9 Topologias Redundantes de Camada 2
Loops de Camada 2 Considerações para habilitar redundância Se o STP for desabilitado, pode ocorrer um loop de camada 2 Quadros ethernet não possuem TTL, podem ficar no loop indefinidamente Quadros de broadcast são encaminhados em todas as portas e podem ficar no loop ininterrupto Loops resultam em carga de CPU nos swtiches Interfere na tabela de endereços MAC dos switches O aumento de quadros pode gerar uma tempestadade de broadcast Ver animação (1)

10 Topologias Redundantes de Camada 2
Tempestade de Broadcast (Broadcast Storm) Ocorre quando existem tantos quadros de broadcast em um loop de camada 2 que toda largura de banda disponível é consumida Não haverá largura de banda para o tráfego legítimo É inevitável em uma rede com loops Leva a falha do dispostivo devido ao alto processamento exigido pelo grande número de pacotes Ver animação (2)

11 Topologias Redundantes de Camada 2
Quadros Unicast Duplicados Loops podem resultar na chegada de quadros duplicados ao dispositivo de destino Ver animação (3)

12 Topologias Redundantes de Camada 2
Problemas de redundância Loops no wiring closet Comum de acontecer em redes não hierárquicas Cabos desaparecem no nas paredes, pisos e tetos e podem confundir no momento de conectá-los a rede Importante identificar os cabos de forma a identificar o destino de cada um

13 Topologias Redundantes de Camada 2
Problemas de redundância Loops no wiring closet

14 Topologias Redundantes de Camada 2
Problemas de redundância Loops no wiring closet

15 Topologias Redundantes de Camada 2
Problemas de redundância Loops no cubículo Atividade (3)

16 Introdução ao STP Topologia STP Oferece uma topologia redundante
Remove da rede um ponto de falha como cabo de rede ou switch com defeito Assegura que haja somente um caminho lógico entre todos os destinos Bloqueia as portas intencionalmente para evitar os caminhos redundantes BPDU (Bridge Protocol Data Unit) utilizados pelo STP não são bloqueados Ver animação (1)

17 Introdução ao STP Algoritmo STP
O STP utiliza o Algoritmo Spanning Tree (STA – Spanning Tree Algorithm) para determinar as portas que precisam ser bloqueadas O STA designa um switch como raiz Essa escolha é feita através da troca de BPDUs entre os switches, sendo o escolhido o que tive menor Bridge ID (BID) BPDU – quadro de mensagem trocados pelos switches que contém o BID que identifica o switch BID - contém um valor de prioridade, o endereço MAC do switch e um ID do sistema (opcional). O BID mais baixo é determinado pela combinação desses 3 campos Depois de eleita bridge raiz, o STA calcula o caminho mais curto até ela Neste período todo o tráfego da rede é bloqueado

18 Introdução ao STP Algoritmo STP
Depois de determinado os caminhos, as portas dos switches serão configuradas com diferentes funções

19 Introdução ao STP Bridge Raiz
Toda instância de spanning tree possui um switch designado como bridge raiz Serve como ponto de referência para os cálculos que determinam quais caminhos serão bloqueados

20 Introdução ao STP Bridge Raiz BPDUs são envidos a cada 2 segundos
Campos do BID

21 Introdução ao STP Melhores caminhos para a bridge raiz
As informações de caminho são determinadas somando os custos de portas individuais ao longo do caminho

22 Introdução ao STP Melhores caminhos para a bridge raiz Configurações

23 Introdução ao STP Melhores caminhos para a bridge raiz

24 Outro comando: show spanning-tree detail
Introdução ao STP Melhores caminhos para a bridge raiz Verificar os custos Outro comando: show spanning-tree detail

25 Introdução ao STP Campos BPDU
O quadro BPDU possui 12 campos distintos para comunicar informações de caminho e prioridade Os primeiros quatro campos identificam o protocolo, a versão, o tipo de mensagem e os flags de status. Os quatro campos seguintes são utilizados para identificar a bridge raiz e o custo do caminho para a bridge raiz. Os últimos quatro campos são todos campos de temporizador, que determinam com que freqüência as mensagens de BPDU são enviadas e por quanto tempo as informações recebidas pelo processo de BPDU são retidas. Ver item (1)

26 Ver etapas do processo BPDU no item 5.2.2 (2)
Introdução ao STP BPDU de STP Inicialmente cada switch presume que é raiz e seus quadros contém o BID do switch local como ID Raiz Durante a troca de BPDUs a nova bridge raiz é definida e os custos dos caminhos atualizados Ver etapas do processo BPDU no item (2)

27 Introdução ao STP ID de Bridge
Utilizado para determinar a bridge raiz em um rede O campo BID de um quadro BPDU contém 3 campos separados: Prioridade de Bridge (1 a 65536) ID de sistema estendido Endereço MAC Decisão baseada no endereço MAC Decisão baseada na Prioridade

28 Introdução ao STP ID de Bridge Configurar o BID

29 Introdução ao STP ID de Bridge Verificar o BID

30 Introdução ao STP Funções de Porta
O local da bridge raiz na topologia de rede determina como as funções de porta são calculadas Existem quatro funções de porta: Porta Raiz Porta Designada Porta não Designada Porta Desabilitada

31 Introdução ao STP Funções de Porta Porta Raiz
Existem em bridges não-raiz Porta do switch com o melhor caminho até a bridge raiz Somente uma porta raiz é permitida por bridge Preenche a tabela MAC!

32 Introdução ao STP Funções de Porta Porta Designada
Existe em bridge raiz e não raiz Na bridge raiz, todas as portas são designadas Em bridge não raiz, uma porta designada é a porta de switch que recebe e encaminha os quadros para a bridge raiz Permite-se somente uma porta designada por segmento. Se vários switches existirem no mesmo segmento Preenche a tabela MAC!

33 NÃO preenche a tabela MAC!
Introdução ao STP Funções de Porta Porta não Designada A porta não-designada é uma porta de switch que está bloqueada Uma porta não-designada não é uma porta raiz ou uma porta designada Para algumas variantes de STP, a porta não-designada é chamada de porta alternativa NÃO preenche a tabela MAC!

34 Introdução ao STP Funções de Porta
A determinação da função é atribuída pelo STA Ao determinar a porta raiz em um switch, ele compara os custos de caminho em todas as portas que participal do spanning tree A porta com o menor custo de caminho até a bridge raiz é atribuída com porta raiz Quando existem duas portas com o mesmo custo de caminho o valor de prioridade de porta personailzável é utilizado, ou a que tiver o ID de porta mais baixo se o valor da prioridade for o mesmo

35 Introdução ao STP Funções de Porta Configuração da Prioridade
Os valores de prioridade de porta variam de 0 a 240, em acréscimos de 16 O valor de prioridade de porta padrão é 128

36 Introdução ao STP Funções de Porta Ver item (4)

37 Introdução ao STP Funções de Porta
Verificando as funções de porta e prioridade de porta

38 Introdução ao STP Estados de Porta
O spanning tree é determinado através das informações obtidas pela troca de quadros de BPDU entre os switches interconectados Se uma porta de switch fosse fazer a transição diretamente do estado de bloqueio para o estado de encaminhamento, a porta poderia criar temporariamente um loop de dados se o switch não soubesse de todas as informações da topologia neste momento. Por esta razão, o STP introduz cinco estados de porta Bloqueio Escuta Aprendizagem Encaminhamento Desabilitado

39 Introdução ao STP Estados de Porta

40 Introdução ao STP Temporizadores BPDU

41 Introdução ao STP Durante uma mudança de topologia, uma porta implementa temporariamente os estados de escuta e aprendizagem por um período especificado chamado intervalo de atraso de encaminhamento. Recomenda-se que os temporizadores de BPDU não sejam ajustados diretamente porque os valores foram otimizados para o diâmetro de sete switches.

42 Introdução ao STP PortFast Tecnologia da Cisco
Uma porta configurada como porta de acesso faz imediatamente a transição do estado de bloqueio para o estado de encaminhamento

43 Introdução ao STP PortFast Configuração

44 Introdução ao STP PortFast Verificação Atividade (4)

45 Convergência do STP Etapas da Convergência do STP
Tempo no qual será determinado qual switch será o bridge raiz Tempo no qual são definidas as funções de porta eliminando os loops Para facilitar o entendimento o processo foi dividido em três etapas: Etapa 1. Eleger uma bridge raiz Etapa 2. Eleger portas raiz Etapa 3. Eleger portas designadas e não designadas

46 Convergência do STP Etapa 1 Eleger o bridge raiz

47 Convergência do STP Etapa 1 Verificar o bridge raiz

48 Convergência do STP Etapa 1 Verificar o bridge raiz

49 Convergência do STP Etapa 2 Quais portas são raiz?
Eleger as portas raiz Quais portas são raiz?

50 Convergência do STP Etapa 2 Verificar as portas raiz

51 Convergência do STP Etapa 2 Verificar as portas raiz

52 Convergência do STP Etapa 3
Elegendo portas designadas e não designadas Ver item (1)

53 Convergência do STP Etapa 3 Verificação

54 Convergência do STP Etapa 3 Verificação

55 Convergência do STP Alteração de Topologia
Ocorre quando uma porta que estava encaminhando torna-se inativa ou quando uma porta faz a transição para o estado de encaminhamento e o switch tiver uma porta designada. Ao detectar a mudança o switch notifica a bridge raiz do spanning tree A bridge raiz transmite as informações em broadcast por toda a rede. Em operação de STP normal, um switch continua recebendo configuração de quadros de BPDU da bridge raiz em sua porta raiz, mas nunca envia um BPDU para a bridge raiz Para que isso aconteça, um BPDU especial chamado de BPDU de notificação de mudança de topologia (Topology, Change Notification, TCN) foi introduzido. A bridge raiz confirma com uma TCA (Topology Change Ack)

56 Convergência do STP Alteração de Topologia

57 Convergência do STP Notificação de Broadcast
Quando a bridge raiz fica sabendo que houve um evento de mudança de topologia na rede, ele começa a enviar seus BPDUs de configuração com o conjunto de bits de mudança de topologia (TC). Estes BPDUs são retransmitidos por todos os switches na rede com este conjunto de bits. Os switches recebem os BPDUs de mudança de topologia em ambas as portas de encaminhamento e bloqueio. O bit de TC é definido pela raiz por um período máximo de idade + segundos de atraso de encaminhamento, que são, por padrão, 20+15=35 segundos.

58 Convergência do STP Notificação de Broadcast

59 Cisco e as Variantes do STP
A evolução do STP foi orientada pela necessidade de criar especificações em toda a indústria quando protocolos proprietários se tornaram normas de facto Instituições como o IEEE intervêm para criar especificações públicas O STP possui diversas variantes Proprietárias da Cisco PVST PVST+ Rapid-PVST+ Padrões do IEEE RSTP MSTP

60 Cisco e as Variantes do STP

61 PVST+ Desenvolvido de forma que uma rede possa executar uma instância de STP para cada VLAN na rede Compartilhamento de carga pode ser implementado.

62 PVST+ ID de Bridge modificado para suportar multiplas VLANs

63 PVST+ Exemplo

64 PVST+ Configuração padrão do switch Cisco Catalyst 2960

65 PVST+ Configuração O objetivo é configurar S3 como a bridge raiz para a VLAN 20 e S1 como a bridge raiz para a VLAN 10. As etapas para configurar o PVST+ nesta topologia de exemplo são: Etapa 1. Selecione os switches que você deseja que sejam as bridges de raiz primária e secundária para cada VLAN. Etapa 2. Configure o switch para ser uma bridge primária para uma VLAN, por exemplo, o switch S3, que é uma bridge primária para a VLAN 20. Etapa 3. Configure o switch para ser uma bridge secundária para a outra VLAN, por exemplo, o switch S3, que é uma bridge secundária para a VLAN 10.

66 PVST+ Configuração da Bridge raiz primária e secundária

67 PVST+ Configuração da prioridade do switch PVST+
O intervalo é de 0 a em acréscimos de 4096 Por exemplo, um valor de prioridade válido é 4096x2 = 8192 Todos os outros valores são rejeitados.

68 PVST+ Verificação

69 PVST+ Verificação

70 RSTP O RSTP (IEEE 802.1w) é uma evolução do 802.1D padrão
A terminologia de STP do 802.1w permanece essencialmente igual à terminologia de STP do IEEE 802.1D A maioria dos parâmetros permaneceu inalterada

71 RSTP Características do RSTP

72 RSTP BPDU Utiliza BPDUs do tipo 2 da versão 2, podendo desta forma se comunicar com 802.1D A grande diferença está no byte de flag As informações em uma porta podem expirar se hellos não forem recebidos para 3 temporizadores (6s) Dessa forma as falhas são detectadas rapidamente

73 Portas de Extremidade é uma porta de switch cujo destino nunca é a conexão a outro dispositivo de switch faz a transição imediatamente para o estado de encaminhamento quando habilitada não geram mudanças de topologia quando a porta faz a transição para um status desabilitado ou habilitado Diferentemente do PortFast, uma porta de extremidade de RSTP que recebe um BPDU perde imediatamente seu status de porta de extremidade e se torna uma porta de spanning tree normal

74 Tipos de Links RSTP Fornece uma categorização para cada porta que participa de RSTP As portas de não-extremidade são classificadas em dois tipos de link, ponto-a-ponto e compartilhado O tipo de link é determinado automaticamente, mas pode ser substituído com uma configuração de porta explícita. As portas de extremidade e os links ponto-a-ponto são os candidatos para a transição rápida para um estado de encaminhamento. As portas raiz não utilizam o parâmetro de tipo de link As portas alternativas e de backup não utilizam o parâmetro de tipo de link na maioria dos casos As portas designadas utilizam o máximo do parâmetro de tipo de link. A transição rápida para o estado de encaminhamento para a porta designada ocorrerá somente se o parâmetro de tipo de link indicar um link ponto-a-ponto.

75 Estado e Funções de Porta do RSTP
O RSTP fornece uma rápida convergência após uma falha ou durante o restabelecimento de um conexão Com o RSTP, a função de uma porta está separada do estado de uma porta Ver item (2) e (3)

76 Configurando o Rapid per VLAN Spanning Tree (rapid PVST+) em uma LAN
Implementação do RSTP pela Cisco Suporta o Spanning Tree para cada VLAN Uma instância de spanning tree é criada quando uma interface for atribuída a uma VLAN e é removida quando a última interface for transferida para outra VLAN

77 Configurando o Rapid per VLAN Spanning Tree (rapid PVST+) em uma LAN
Comandos de configuração

78 Configurando o Rapid per VLAN Spanning Tree (rapid PVST+) em uma LAN
Comandos de verificação da configuração

79 Design de STP para Evitar Problemas
Solucionar o problemas de STP pode ser muito difícil e depende do design da rede Esta é a razão pela qual recomenda-se que você realize a parte mais importante da solução de problemas antes de eles ocorrerem É muito comum as informações sobre o local da raiz não estarem disponíveis no momento da solução de problemas Não deixe que o STP decida qual bridge é a raiz Para cada VLAN identifiqe qual switch pode servir melhor como raiz

80 Design de STP para Evitar Problemas
Se você colocar a bridge raiz no centro da rede com uma conexão direta com os servidores e roteadores, reduzirá a distância média dos clientes para os servidores e roteadores

81 Design de STP para Evitar Problemas
Planeje a organização dos seus links redundantes Em redes não-hierárquicas, você deverá ajustar o parâmetro de custo do STP para decidir quais portas bloquear Em uma rede bem planejada este ajuste normalmente não é necessário pois você terá uma bridge raiz bem posicionada Para cada VLAN, saiba quais portas devem ser bloqueadas na rede estável (faça um diagrama) Conhecer o local dos links redundantes ajuda a identificar um loop acidental e sua causa Conhecer o local das portas bloqueadas permite que você determine o local do erro

82 Design de STP para Evitar Problemas
Utilize a comutação da camada 3 A comutação da camada 3 significa rotear aproximadamente na velocidade da comutação Não há nenhuma penalidade de velocidade com o salto de roteamento e um segmento adicional entre C1 e C2.

83 Design de STP para Evitar Problemas
Pontos Finais Mantenha o STP mesmo se ele for desnecessário Não desabilite o STP. O STP não utiliza muito o processador. As poucas BPDUs enviadas em cada link não reduzem a largura de banda. Mas uma rede de comutada sem STP pode ficar inativa em uma fração de segundo. Mantenha o tráfego da VLAN Administrativa. Uma alta taxa de tráfego de broadcast ou multicast na VLAN administrativa pode afetar negativamente a capacidade da CPU de processar BPDUs essenciais. Mantenha o tráfego do usuário fora da VLAN administrativa. Não tenha um único span de VLAN em toda a rede. A VLAN 1 serve como uma VLAN administrativa, onde todos os switches são acessíveis na mesma sub-rede de IP. Um loop de bridging na VLAN 1 afeta todos os trunks e pode deixar a rede inativa. Segmente os domínios de bridging utilizando os switches de Camada 3 de alta velocidade.

84 Identificação e Solução de Problemas
Falha de switch ou link Ver animação (1)

85 Identificação e Solução de Problemas
Solucionar uma falha Antes de você solucionar problemas de um loop de bridging, é necessário saber pelo menos os seguintes itens: Topologia da rede Localização da bridge raiz Localização das portas bloqueadas e dos links redundantes

86 Identificação e Solução de Problemas
Erro de configuração do PortFast

87 Identificação e Solução de Problemas
Problemas de Diâmetro da Rede Atividade (5), (2) e (2)

88 Resumo O Protocolo Spanning Tree (STP) é usado para prevenir loops de se formarem em redes redundantes O STP usa diferentes estados de porta e temporizadores para evitar loops Pelo menos um switch na rede servirá de bridge raiz A bridge raiz é eleita usando informações encontradas nos quadros BPDU A portas raiz são determinadas pelo algoritmo spanning tree e estão mais próximas da bridge raiz

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