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Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – Funcionalidades e Configuração

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Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – Modos de configuração em switch Cisco e best practices

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) está definido no padrão IEEE 802.1W e foi desenvolvido para utilizar os conceitos principais do 802.1D mas com tempos de convergência muito mais rápidos.

RSTP pode ser aplicado a uma ou múltiplas instancias, ou seja, uma ou várias VLANs. Para aplicá-lo a várias VLANs utilizamos o mecanismo proprietário Cisco PSVT+ de tal forma que com esta combinação conseguimos a versão RPVST+.

RSTP também pode ser utilizado como parte do MST (Multiple Spanning Tree) padrão 802.1S.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – COMO FUNCIONA

 RSTP trabalha semelhantemente ao STP (802.1d) em vários aspectos, como:

  • Elege o Switch Root (SR) usando os mesmos parâmetros e o mesmo critério de desempate;
  • Elege as Portas Raiz (PR) nos switches que não são o SR seguindo as mesmas regras;
  • Elege as Portas Designadas (PD) em cada segmento LAN da mesma maneira;
  • Coloca cada porta, seja no estado de forwarding (FW) ou blocking (BL) apesar do RSTP chamar o Blocking State de Discarding State;

O RSTP pode ser utilizado paralelamente em switches com o STP original, com as características RSTP rodando naqueles que têm suporte a ele, e as características STP funcionando nos switches com suporte somente ao padrão 802.1d.

Apesar de todas as similaridades citadas entre STP e RSTP, a principal razão que levou o IEEE a desenvolver o novo padrão foi a convergência. O STP leva um tempo relativamente longo para convergir (50 segundos, usando as configurações padrões). ORSTP melhora a convergência da rede quando uma mudança na topologia ocorre.

Os três períodos padrões de espera do STP – Max Age, 20 segundos, somado às duas transições entre os estados intermediários, Forwarding Delay, 15 segundos – geram uma convergência muito lenta do STP.

O tempo de convergência do RSTP leva tipicamente menos que 10 segundos. Em alguns casos pode ser inferior, como 1 ou 2 segundos

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – TIPOS DE PORTAS E ESTADOS

O Rapid STP define três novos estados de portas em um switch:

  • Root Port: é a porta raiz com o menor root path até o root bridge.
  • Designated Port: é a porta designada de um segmento de LAN que está mais perto do root. Essa porta é a responsável por enviar as BPDUs para baixo na árvore STP.
  • Alternate Port: é a porta que tem um caminho alternativo até o root e diferente do caminho que utiliza o root porta para chegar ao root bridge. Esse caminho é menos desejável que o root port.
  • Backup Port: proporciona redundância em um segmento onde outro switch está conectado.

Uma porta pode ter os seguintes estados:

  • Descartando: Os quadros de entrada simplesmente são eliminadas, não aprende endereços MAC; esse estado combina os estados desconectado, bloqueando e aprendendo.
  • Aprendendo: Os quadros que chegam são eliminadas, mas os endereços MAC são aprendidos.
  • Enviando: Os quadros de entrada são enviadas de acordo com o endereço MAC que foram aprendidas.

A tabela a seguir fará uma breve comparação entre os estados das portas em RSTP x STP:

 

Estado Operacional Estado STP Estado RSTP Topologia Ativa
Ativada Blocking Discarting Não
Ativada Listening Discarting Não
Ativada Learning Learning Sim
Ativada Forwarding Forwarding Sim
Desativada Desativada Discarting Não

 

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) x Spanning Tree – Diferenças

RSTP utiliza o mesmo formato de BPDU para compatibilidade com o STP, mas alguns bits que não são utilizados no campo type, agora serão utilizados.

A porta do switch que está enviando é identificada por seu posição e estado no RSTP, o campo versão da BPDU é colocada um valor de 2 para distinguir de seus antecessores.

RSTP utiliza um processo interativo mediante o qual os switches vizinhos podem negociar alterações de estado. Alguns dos bits das BPDUs são utilizados como identificadores durante as mensagens de negociação.

As BPDUs são enviadas por todas as portas dos switches nos intervalos de hello sem importar se são recebidas  ou não desde o root.  Os switches também podem receber BPDU de maneira regular de seus vizinhos.

Quando o switch detecta a perda de várias BPDUs seguidas indica que o vizinho caiu, e todas as informações da porta são eliminadas automaticamente.

Isso significa que o switch pode detectar uma falha dentro de 3 vezes o intervalo hello, por padrão 6 segundos, no lugar de esperar que expire o tempo do temporizador max age como no caso do STP 802.1D.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – CONVERGÊNCIA 

A convergência RSTP em uma rede é o processo que demanda a transição de estados dos switches, passando de um estado de independência a um estado de uniformidade, em que todos os switches estão de acordo sobre quem é o root e qual é os caminhos disponíveis livre de loops.

A convergência normalmente é realizada em dois estados:

  1. Um root bridge comum deve ser eleito e todos os switches devem conhecê-lo.
  2. O estado de todas as portas de cada um dos switches no domínio STP tem que passar do estado bloqueando ao estado apropriado para prevenir loops.

A convergência leva um tempo porque as mensagens tem que ser propagadas de switch a switch. O STP tradicional, além disso, tem vários temporizadores que são necessários expirarem para completar a convergência.

O RSTP tem uma maneira diferente de funcionar, o switch toma a decisão de enviar o trafego ou não baseando no tipo da porta.

O RSTP caracteriza as conexões físicas em uma rede em três diferentes tipos: link-type point-to-point, link-type shared, edge-type.

  • Edge: Tradicionalmente esse tipo de porta está identificado com a característica Port Fast, RSTP mantém o mesmo conceito. Nessa porta não é possível criar um loop, já que está conectada a um host, por tanto, pode passar de maneira imediata do estado blocking para o estado forwarding, mas por si alguma razão recebe alguma BPDU, automaticamente perde o estado de edge.
  • P2P: È qualquer porta que conecta outro switch e se converte em porta designada. Um rápido reconhecimento com o vizinho define o estado da porta, no lugar dos tipos de temporizadores. A troca de BPDU é realizada de comum acordo. Um switch propõe que sua porta seja a designada, se o outro switch está de acordo responde com uma mensagem de confirmação.
  • Shared: Portas half-duplex são consideradas meio compartilhado com a possibilidade que existam dois ou mais switches, não são considerados enlaces ponto a ponto. Essas portas trabalham com STP 802.1D, para que os tempos de convergência sejam mais elevados.

As portas P2P são determinadas de maneira automática pelo o modo full-duplex em uso. As portas full-duplex são consideradas ponto a ponto porque somente conexões entre 2 switches podem pertencer ao enlace.

A convergência do STP pode acontecer rapidamente em enlaces P2P através de hellos em duas vias entre switches.

RSTP reduz o tempo de convergência somente para as ligações entre dois switches (link-type point-to-point) e entre uma estação e um switch (edge-type).

 

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – SINCRONIZAÇÃO

Para participar da convergência do RSTP um switch deve decidir o estado de cada uma de suas portas. As portas que não são fronteira (edge) começam no estado descartando, logo que as BPDUs são trocadas entre o switch e seus vizinhos se identifica a porta raiz.

Para cada porta que não seja edge o switch troca um hello de duas vias em forma de “proposta/acordo” para decidir o estado de cada extremo do enlace, cada switch assume então que suas portas deveriam chegar a serem portas designadas para esse segmento.

A seguinte figura mostra esse processo:

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP)

A convergência do RSTP começa com um switch enviando uma mensagem de proposta, o receptor deve analisá-lo e sincronizar.

O switch bloqueia todas as portas (exceto as edge) até que a mensagem de proposta possa ser enviada, causando que cada switch realize a sincronização. Esse mecanismo cria uma “onda” de sincronização nos switches, em que cada um pode decidir se aceita os enlaces se os vizinhos estão de acordo.

A “onda” de sincronização viaja através da rede em 3 intervalos de tempos sucessivos. Os switches são isolados para prevenir a formação de loops na rede.

Todo o processo de convergência passa rapidamente na velocidade de transmissão das BPDUs sem necessidade dos temporizadores, uma porta designada que envia uma mensagem de proposta poderia não receber uma mensagem de acordo. Se o switch vizinho não entende RSTP ou tem problema em responder, o switch que está enviando terá que seguir os parâmetros STP 802.1D. A porta deve mover através dos estados escutando e aprendendo antes de enviar dados.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – Topology Change

RSTP detecta uma mudança de topologia somente quando uma porta que não é edge passa ao estado enviando. RSTP utiliza todos seus mecanismos de convergência para prevenir rapidamente os loops de rede.

As modificações de topologias são detectadas de tal forma que as tabelas de bridging são atualizadas e corrigidas nas portas que trocaram de estados.

Quando uma alteração de topologia é detectada, o switch propaga as modificações a outros switches na rede, de tal maneira que possam atualizar também suas tabelas de bridging.

Esse processo é similar ao mecanismo de convergência e sincronização, as mensagens TC (Topology Change) são propagadas através da rede notificando as alterações.

As BPDUs com o bit TC configurado são enviadas através de todas as portas designadas (exceto edge), até que o temporizador TC expire (2 vezes o intervalo do temporizador hello).

Essa notificação de aviso da alteração de topologia provoca que todos os endereços MAC associados com as portas designadas (exceto edges) sejam eliminadas da CAM.

Esse mecanismo força a que os novos endereços MAC sejam aprendidos depois da mudança, quando os hosts já estiverem em enlaces diferentes.

Todos os switches vizinhos recebem as mensagens TC, eliminando os MAC aprendidas por todas as portas, exceto pela que recebeu a mensagem TC.

Os switches enviarão as mensagens TC através de todas as portas designada, assim sucessivamente até completar novamente a topologia.

O RSTP apaga imediatamente as entradas MAC após uma mudança de topologia (TC), ao invés de aguardar o aging-time de 5 minutos (TCN).

Por isso as mudanças de topologias em ambientes com RSTP devem ser evitadas a todo custo, já que os TCs podem gerar parada de serviço na rede.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) – CONFIGURAÇÃO 

Por padrão os switches operam no modo PVST+ utilizando o STP 802.1D tradicional. RSTP não pode ser utilizado até que um modo diferente de STP esteja habilitado, RSTP é um mecanismo que está abaixo do MST ou RPVST+.

Para configurar uma porta para RSTP como edge, utilizamos o comando:

Switch(config-if)# spanning-tree portfast

Esse comando é o mesmo utilizado no STP 802.1D, uma vez habilitado na porta do switch ele considera que só tem host conectado, e é por tanto uma porta edge (fronteira).

Por padrão RSTP automaticamente decide que uma porta é ponto a ponto quando está operando em full duplex como é o caso das portas conectadas a outros switches. Por alguma razão necessária a porta pode trabalhar em half-duplex, para que funcione em modo ponto a ponto podemos utilizar o comando.

Switch(config-if)#spanning-tree link-type point-to-point

RAPID PER-VLAN STP

A eficiência de cada instancia STP pode melhorar configurando o switch para que utilize RPVST, isso significa que cada VLAN terá sua própria instancia independente de RSTP, conhecida também como RPVST+ (Rapid Per VLAN STP plus).

Somente é necessária uma modificação na configuração para alterar o STP para começar a utilizar o RPVST+.

Podemos configurar com o seguinte comando:

Switch(config)#spanning-tree mode rapid-pvst

Esse comando deve ser utilizado com cuidado quando a rede estiver em produção devido a que qualquer processo STP em atividade será reiniciado.

O STP é reiniciado, fazendo com que os enlaces em funcionamento alternem por todos os estados, deixando a rede indisponível durante um período de tempo.

Para voltar ao modo tradicional do STP utilizamos o seguinte comando:

Switch(config)#spanning-tree mode pvst

O switch pode detectar o tipo de STP do vizinho pela versão da BPDU que recebe. O comando show spanning-tree vlan serve para ver a versão que estamos utilizando.

Switch#sh spanning-tree vlan 8
VLAN0008
Spanning tree enabled protocol rstp
Root ID    Priority    8
        Address     a418.7574.5100
        This bridge is the root
Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

A informação anterior mostra a instancia RSTP para a VLAN 8, nesse caso a versão que está sendo utilizada é o RSTP.

 

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