Implementando o
Protocolo Spanning
Tree
Comutação de Rede Local e Sem Fio – Capítulo 5
Version 4.0
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1
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.
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2
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
5.1.1 (1)
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3
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
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4
Topologias Redundantes de Camada 2
 Design Redundante
•Falha de um dos links da camada de acesso para a camada
de distribuição
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5
Topologias Redundantes de Camada 2
 Design Redundante
•Falha de um dos links da camada de distribuição para a
camada de núcleo
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6
Topologias Redundantes de Camada 2
 Design Redundante
•Falha de um switch da camada de distribuição
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7
Topologias Redundantes de Camada 2
 Design Redundante
•Falha de um switch da camada de núcleo
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8
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
5.1.2 (1)
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9
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
5.1.2 (2)
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10
Topologias Redundantes de Camada 2
 Quadros Unicast Duplicados
•Loops podem resultar na chegada de quadros duplicados ao
dispositivo de destino
Ver animação
5.1.2 (3)
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11
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
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12
Topologias Redundantes de Camada 2
 Problemas de redundância
•Loops no wiring closet
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13
Topologias Redundantes de Camada 2
 Problemas de redundância
•Loops no wiring closet
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14
Topologias Redundantes de Camada 2
 Problemas de redundância
•Loops no cubículo
Atividade
5.1.3 (3)
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15
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
5.2.1 (1)
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16
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
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17
Introdução ao STP
 Algoritmo STP
•Depois de determinado os caminhos, as portas dos switches
serão configuradas com diferentes funções
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18
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
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19
Introdução ao STP
 Bridge Raiz
•BPDUs são envidos a cada 2 segundos
•Campos do BID
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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
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Introdução ao STP
 Melhores caminhos para a bridge raiz
•Configurações
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Introdução ao STP
 Melhores caminhos para a bridge raiz
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23
Introdução ao STP
 Melhores caminhos para a bridge raiz
•Verificar os custos
Outro comando: show spanning-tree detail
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24
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.
Ver item
5.2.2 (1)
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.
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25
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 5.2.2 (2)
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26
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 na Prioridade
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Decisão baseada no endereço MAC
27
Introdução ao STP
 ID de Bridge
•Configurar o BID
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28
Introdução ao STP
 ID de Bridge
•Verificar o BID
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29
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
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30
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!
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31
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!
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32
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!
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33
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
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34
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
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35
Introdução ao STP
 Funções de Porta
Ver item
5.2.4 (4)
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36
Introdução ao STP
 Funções de Porta
• Verificando as funções de porta e prioridade de porta
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37
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
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38
Introdução ao STP
 Estados de Porta
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39
Introdução ao STP
 Temporizadores BPDU
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40
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.
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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
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Introdução ao STP
 PortFast
• Configuração
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Introdução ao STP
 PortFast
• Verificação
Atividade
5.2.5 (4)
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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
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Convergência do STP
 Etapa 1
• Eleger o bridge raiz
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Convergência do STP
 Etapa 1
• Verificar o bridge raiz
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Convergência do STP
 Etapa 1
• Verificar o bridge raiz
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Convergência do STP
 Etapa 2
• Eleger as portas raiz
Quais portas
são raiz?
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49
Convergência do STP
 Etapa 2
• Verificar as portas raiz
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50
Convergência do STP
 Etapa 2
• Verificar as portas raiz
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51
Convergência do STP
 Etapa 3
• Elegendo portas designadas e não designadas
Ver item
5.3.4 (1)
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52
Convergência do STP
 Etapa 3
• Verificação
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53
Convergência do STP
 Etapa 3
• Verificação
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54
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)
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Convergência do STP
 Alteração de Topologia
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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.
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Convergência do STP
 Notificação de Broadcast
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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
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59
Cisco e as Variantes do STP
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60
PVST+
 Desenvolvido de forma que uma rede possa executar
uma instância de STP para cada VLAN na rede
 Compartilhamento de carga pode ser implementado.
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61
PVST+
 ID de Bridge modificado para suportar multiplas VLANs
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62
PVST+
 Exemplo
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63
PVST+
 Configuração padrão do switch Cisco Catalyst 2960
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64
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.
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65
PVST+
 Configuração da Bridge raiz primária e secundária
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66
PVST+
 Configuração da prioridade do switch PVST+
 O intervalo é de 0 a 61440 em acréscimos de 4096
 Por exemplo, um valor de prioridade válido é 4096x2 =
8192
 Todos os outros valores são rejeitados.
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67
PVST+
 Verificação
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68
PVST+
 Verificação
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69
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
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70
RSTP
 Características do RSTP
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71
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
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72
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
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73
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.
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74
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
5.4.6 (2) e (3)
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75
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
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76
Configurando o Rapid per VLAN
Spanning Tree (rapid PVST+) em uma LAN
 Comandos de configuração
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Configurando o Rapid per VLAN
Spanning Tree (rapid PVST+) em uma LAN
 Comandos de verificação da configuração
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78
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
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79
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
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80
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
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81
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.
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82
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.
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Identificação e Solução de Problemas
 Falha de switch ou link
Ver
animação
5.4.9 (1)
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84
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
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85
Identificação e Solução de Problemas
 Erro de configuração do PortFast
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86
Identificação e Solução de Problemas
 Problemas de Diâmetro da Rede
Atividade
5.4.9 (5),
5.5.2 (2) e
5.5.3 (2)
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87
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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