Redes Básico – Parte XXI

 

5.4.3 – STP (Spanning Tree Protocol)

 

Uma característica muito importante de um switch é o STP. STP é um algoritmo que tem a finalidade de evitar loops em uma rede composta por switches. Vamos entender isso melhor.

 

Quando conectamos vários switches é muito recomendado que o façamos de modo a que tenhamos redundância. Se um switch apresentar alguma falha, isso não deve paralisar a rede inteira. Porém ao conectarmos os switches de forma que haja múltiplos caminhos físicos para o mesmo destino, podem ocorrer loops no encaminhamento de pacotes. O STP garante que um desses caminhos físicos estará bloqueado e só será ativado em caso de falha de um switch, ou seja o STP cria um único caminho ativo a cada momento entre qualquer par de segmentos da rede. O IEEE 802.1d é a especificação que regulamenta o STP.

 

Vamos procurar entender melhor a necessidade de redundância em uma rede. Veja a figura 5.11.

 

Figura 5.11 – 3 switches ligados sem redundância.

 

Não é difícil concluir observando a figura que o switch 2 é ponto nefrálgico da rede. Se ele falhar toda a rede será paralisada, já que ele é o elo de comunicação entre as extremidades da rede.

 

Vejamos agora a mesma rede com redundância, conforme ilustrado na figura 5.12.

 

Figura 5.12 – Rede com 3 switches com redundância

 

Observe que há redundância em termos de caminhos físicos para o mesmo destino. Se um dos switches falhar a rede não será paralisada. Para se chegar a máquina A partindo do switch 3, podemos fazê-lo diretamente através do switch 2 ou através do switch 1 e depois passando pelo switch 2. Agora vamos imaginar a seguinte situação: A máquina A está desligada e a máquina G dispara um frame tendo como endereço destino a máquina A. O que acontece? O frame ficará em loop porque os switches não possuem o endereço MAC de A em suas tabelas e o quadro será encaminhado indefinidamente entre eles. Um outro caso seria o de envios de broadcasts. Eles ficariam em loop gerando o que chamamos tempestade de broadcast. Vamos ilustrar isso passo a passo, para os dois casos para entendermos melhor.

 

» O switches são inicializados. As tabelas CAM estão vazias.

 

» Máquina G manda um frame tendo como endereço destino máquina A. No frame constam as informações.

 

 

» O switch 3 envia o frame para todas as portas (broadcast), inclusive a porta que o conecta ao switch 1 e 2, já que acabou de ser inicializado e coloca em sua tabela.

 

 

» O switch 1 como não contém o endereço de A em sua tabela. Envia um broadcast para todas as suas portas. Inclusive as portas que o conectam ao switch 2 e 3.

 

» O switch 2 não contém o endereço de A em sua tabela, já que a máquina está desligada e envia um broadcast para todas as suas portas, inclusive aquelas que o conectam ao switch 1 e 3.

 

O processo se repete indefinidamente gerando loops de forma crescente e criando uma tempestade de broadcasts, já que cada switch recebe 2 vezes o mesmo frame pelas portas que o conectam aos demais switches. Tempestades de broadcasts paralisam uma rede.

 

Vamos ilustrar mais um exemplo para que fique bem claro a questão do loop. Veja a figura abaixo.

 

Figura 5.13 – Dois switches ligando dois segmentos

 

No caso em questão, o host A quer se comunicar com o host C.

 

» Host A manda um frame com o seguinte conteúdo.

 

 

» Como o host A está ligado as portas dos switches 1 e 2. Eles colocam em suas tabelas:

 

 

» Imaginando que o host C não conste da tabela de ambos, eles encaminham o frame para todas as portas menos a porta de origem, 0/2.

 

Aqui começa a confusão. Ambos os switches enviam o frame para o segmento 1 e recebem um do outro através da porta 0/1, esse frame. Ou seja, o switch 2 recebe um frame do switch 1 indicando que o host A está na verdade em sua porta 0/1 e o switch 1 recebe um frame do switch 2 que diz que o host A está em sua porta 0/1. Os switches refarão o conteúdo das suas tabelas CAM de acordo com a nova informação. Note que o host C ainda não recebeu o frame.

 

 

» Ao fazerem isso, eles acabam enviando o frame obrigatoriamente para o segmento 2, já que ainda não sabem a localização do host C. E o processo se repete indefinidamente.

 

Para solucionar esse tipo de problema é que existe o STP.

 

Com o STP, somente um caminho físico estará ativo em um dado momento. O algoritmo prevê uma eleição a ser feita entre os switches segundo certos critérios, em que um deles será o raiz e controlará toda a operação da rede. Propagando inclusive as alterações na topologia para os demais switches. As portas passam por estados de blocking, listening, learning e forwarding. Mensagens de status periódicas são trocadas entre os switches para informar que não houve alteração na topologia da rede, os CBPDUs. Voltando a figura 5.12, a porta que liga o switch 2 e 3 por exemplo estaria em estado de blocking e não chegaria aos demais estados. Só passaria a estar em forwarding se houvesse uma mudança de topologia ou uma falha em um dos switches.

 

Eis o que acontece em cada estado:

 

Blocking – Nesse estado a porta não pode encaminhar frames de dados , não pode encaminhar CBPDUs, nem aprender endereços MAC.

 

Listening – Idêntico ao estado de blocking com a exceção de que a porta pode encaminhar CBPDUs.

 

Learning – Não pode encaminhar frames de dados, Pode aprender endereços MAC e encaminhar CBPDUs.

 

Forwarding – Pode fazer tudo.

 

Lembrando que locking e forwarding são os únicos estados permanentes das portas. Os demais são transitórios.

 

5.5 – Domínios de Broadcast

 

Por definição todo domínio de broadcast constitui o raio de ação de um pacote broadcast. Se o pacote broadcast não chega a determinada máquina, ela não faz parte daquele domínio broadcast. Observe a figura 5.14. As máquinas A,B,C,D fazem parte de um domínio de broadcast e as máquinas E,F,G,H fazem parte de outro domínio. Pacotes de broadcast enviados por A não atingirão a máquina E. Isso se deve a presença do roteador que filtra os pacotes broadcast, impedindo que eles atravessem para o outro lado.

 

Figura 5.14 – Dois domínios de broadcast separados por um roteador.

 

Certamente uma rede com um único domínio de broadcast com 8 computadores, será mais lenta que uma rede com dois domínios de broadcast com 4 computadores cada.