Rede cabeada redundante com STP: um guia completo e prático

Em redes modernas, a redundância física é essencial para evitar tempo de inatividade em caso de falha, mas essa mesma redundância pode causar loops de Camada 2 que paralisam tudo. O Spanning Tree Protocol, ou STP, é o guarda de tráfego que evita esses loops. sem abrir mão de links de backup.

Se você trabalha com comutação e links redundantes, o STP é um dos conceitos básicos que você deve dominar. Sua lógica cria uma topologia lógica semelhante a uma árvore, sem loops, bloqueia os caminhos excedentes e, quando algo falha, reativa um link alternativo em questão de instantes, mantendo a rede em pé.

O que é STP e por que ele é fundamental em redes redundantes?

O STP nasceu do algoritmo projetado por Radia Perlman na década de 80 e foi padronizado pelo IEEE 802.1D e faz parte do protocolos de rede. Ele opera na camada 2 do modelo OSI e sua missão é simples: permitir que existam links físicos redundantes, mas evitar a formação de loops de comutação que desencadeiam tempestades de transmissão.

Na camada 2 não há campo TTL como na camada 3, então Se um loop for gerado, quadros de transmissão e multidifusão podem circular indefinidamente., consumindo largura de banda e CPU a ponto de tornar a LAN inutilizável. O STP resolve esse problema gerando um único caminho lógico ativo e mantendo os outros bloqueados como backups.

Historicamente, coexistiram dois tipos iniciais, o DEC e o padrão IEEE, que não eram compatíveis entre si. Hoje a versão IEEE é recomendada e, na prática, o RSTP (802.1w) substituiu o STP original devido aos seus tempos de convergência muito mais rápidos. Além disso, em 2012, o IEEE aprovou o Shortest Path Bridging 802.1aq como uma evolução para substituir 802.1D, 802.1w e 802.1s em determinados cenários.

Um detalhe prático: A árvore de extensão permanece em vigor até que uma alteração na topologia seja detectada; em alguns contextos, sua vida útil máxima é considerada estendida até cinco minutos se não for atualizada, embora na produção, o controle real seja imposto por temporizadores e BPDUs trocados entre switches.

Como funciona o STP: eleição de raiz, portas e BPDUs

A lógica do STP é eliminar logicamente caminhos redundantes. Primeiro escolha um switch raiz e a partir daí calcule a topologia da árvore que determina quais portas encaminhar e quais bloquear para evitar loops.

Eleição do Raiz Ponte. Na inicialização, cada switch assume ser a raiz e envia BPDUs com seu próprio identificador de raiz e remetente. A Ponte Raiz decide pelo menor ID de Ponte, que consiste em uma prioridade configurável e endereço MAC; a prioridade padrão geralmente é 32768, e é recomendado defini-la como múltiplos de 4096 se você quiser forçar quem será o root.

Portas e custos. Uma vez escolhida a raiz, Cada switch calcula sua Porta Raiz, a porta com o menor custo para a raizO custo é a soma dos custos dos links ao longo do caminho e está relacionado à largura de banda (maiores velocidades, menores custos). Esse custo é um parâmetro por porta que pode ser ajustado caso seja necessário forçar rotas.

Portas designadas e bloqueadas. Em cada segmento compartilhado entre dois dispositivos, É escolhida uma Porta Designada que oferece o melhor caminho para a raiz. Portas não raiz e não designadas são colocadas em um estado de bloqueio para quebrar o loop e atuar como um fallback se um link falhar.

Ponte designada. Se você olhar por dispositivo, O switch com o menor custo para a raiz em um segmento é considerado o switch designado para esse segmento, e seu porto associado é o Porto Designado.

Estados das portas. No STP clássico, uma porta pode estar bloqueando, escutando, aprendendo, encaminhando ou desabilitada. A transição típica envolve ouvir e aprender antes de encaminhar., e o atraso de encaminhamento é normalmente de 15 segundos por estado, definido pela raiz. O RSTP acelera esse processo significativamente.

Temporizadores e convergência. Os switches trocam BPDUs de configuração periodicamente, normalmente a cada 2 segundos.Essas mensagens permitem que a rede permaneça sincronizada, detecte alterações e recalcule a árvore quando necessário.

BPDU e endereço de destino. Os BPDUs são enviados com o endereço de destino multicast reservado por STP 01:80:C2:00:00:00, usando como fonte o MAC da porta que emite o BPDUNo STP original, há dois tipos: Config BPDU, para cálculo de árvore, e TCN BPDU, para notificar alterações de topologia.

Mudanças na topologia. Quando uma porta muda de estado ou um link cai, os switches geram TCN em direção à raizO switch designado que recebe essa notificação responde com uma configuração BPDU normal do bit TCA, e a raiz propaga o aviso de alteração para toda a rede, solicitando o envelhecimento rápido da tabela MAC para estabilizar o encaminhamento.

Comportamento ao conectar dispositivos. Se você conectar um host a uma porta configurada padrão, A porta levará cerca de 30 segundos para entrar no embarque porque precisa passar por escuta e aprendizado por meio do processamento de BPDUs. Se houver um switch do outro lado e esse link criar um loop, a porta pode permanecer bloqueada.

Versões, configuração prática e recomendações

RSTP e MSTP. Árvore de abrangência rápida (802.1w) reduz a convergência de minutos para segundos e é aconselhável na maioria dos ambientes atuais. A Árvore de Extensão Múltipla (802.1s) permite múltiplas instâncias mapeadas para grupos de VLAN, otimizando o tráfego ao longo de diferentes caminhos lógicos.

STP por VLAN. Em implementações por VLAN, Pode haver uma ponte raiz por instância, permitindo balanceamento de carga entre VLANs. Alguns fabricantes oferecem PVST+ e RPVST+, que executam 802.1D ou 802.1w por VLAN com recursos como PortFast, UplinkFast, BackboneFast, BPDU Guard, BPDU Filter, Root Guard e Loop Guard.

SPB 802.1aq. O Shortest Path Bridging foi aprovado em 2012 para simplificar grandes domínios da Camada 2 e substituir 802.1D, 802.1w e 802.1s em certos cenários, embora sua implantação dependa dos equipamentos e necessidades da rede.

Etapas lógicas do STP. Para construir uma topologia sem loop, o algoritmo segue estas etapas: eleger a ponte raiz, selecionar portas raiz em portas não raiz, definir portas designadas por segmento e bloquear alternativas. Desta forma, obtém-se uma única rota lógica ativa entre qualquer par de pontos.

Topologias típicas. Em anéis de vários switches, STP ou RSTP bloqueia um dos links do anel e manter os demais switches prontos para agir na primeira falha. É aconselhável ter todos os switches configurados antes de interconectá-los para evitar tempestades no Bota.

Definição de prioridades. Para forçar quem será a raiz, Reduz a prioridade do switch desejado abaixo do valor padrão de 32768 em múltiplos de 4096; em caso de empate, o menor endereço MAC vence. No MSTP, é comum consultar o CIST e sua prioridade associada.

Custo do caminho. O custo é aplicado por porta e depende do tipo de link (Ethernet, FastEthernet, GigabitEthernet, etc.). Você pode ajustar manualmente o custo por porta para influenciar a seleção de caminhos e forçar rotas preferenciais.

Edge e PortFast. Nas portas de acesso onde você conecta hosts, ativar modo edge ou PortFast para que a porta passe para o encaminhamento quase instantaneamente e não espere pelos atrasos de escuta e aprendizado.

Compatibilidades e exclusões. Em alguns dispositivos, Não é possível habilitar os mecanismos de detecção de STP e loop ao mesmo tempo. na mesma porta; o próprio switch solicitará que você escolha. Além disso, misturar versões STP sem cuidado pode causar problemas de interoperabilidade.

Etapas típicas da interface gráfica. Em switches gerenciados, o fluxo normalmente é: Habilite STP ou RSTP globalmente, habilite-o nas portas desejadas e verifique a instância. A prioridade da ponte é definida em parâmetros globais e os modos de borda são aplicados por porta.

Exemplo de configuração da CLI. Em muitos dispositivos, a sequência é semelhante à seguinte: Habilite o protocolo globalmente, defina a prioridade se quiser ser root, ative nas portas e valide o status.

configurar terminal
estado global da árvore de abrangência habilitar prioridade da árvore de abrangência 24576 intervalo de interface ethernet 1/0/1-8 estado da árvore de abrangência habilitar intervalo de interface ethernet 1/0/9-16 estado da árvore de abrangência desabilitar interface ethernet 1/0/3 árvore de abrangência portfast borda final mostrar árvore de abrangência

Monitoramento e verificação. De qualquer nó, verificar o status da instância para confirmar quem é o root e quais portas estão encaminhando ou bloqueando. Se uma porta estiver ativa, seu status será encaminhando; se estiver temporariamente inativa para evitar loops, aparecerá bloqueando.

Tempestades de transmissão e causas comuns. Loops causam duplicação e encaminhamento indefinido de quadros, aumento do consumo e degradação do desempenho em segundosCausas comuns incluem configuração ruim que não bloqueia portas redundantes, convergência lenta do STP padrão diante de mudanças e mistura descuidada de variantes.

Boas práticas para evitá-los. Use RSTP ou MSTP sempre que possível, configurar corretamente portas e prioridades, monitora eventos BPDUs e TCN e aplica proteções como proteção BPDU em portas de usuário para cortar conexões indesejadas de switches não gerenciados.

Detalhes do algoritmo. Cada BPDU inclui o Identificador de Ponte com prioridade, endereço MAC e um ID de sistema estendido. Elementos essenciais para lógica de desempate e seleção de portasSe o protocolo falhar e dois links que não deveriam ser ativados forem ativados, um loop se formará, então o monitoramento e os temporizadores são essenciais.

O que acontece quando um link falha? Se um tronco ativo estiver quebrado, O switch desbloqueia a porta alternativa bloqueada anteriormente e restabelece a conectividade. Quando o link retorna, a rede reconverge e a porta pode retornar ao bloqueio para retornar a uma topologia sem loop.

Ordem de implantação recomendada: primeiro, configure o protocolo em todos os switches. então interconecte-os e valide se o cálculo escolheu a raiz e as portas corretasDessa forma, você minimiza o risco de tempestades durante o processo de inicialização.

Estados detalhados das portas. Bloqueio: Recebe BPDUs, descarta dados e não aprende o endereço MAC. Escuta: Determina rotas e continua sem encaminhamento. Aprendizado: preenche a tabela MAC, mas ainda não encaminha. Encaminhar: Encaminha e aprende. Desligado: Não processa BPDUs ou dados devido a falhas ou gerenciamento.

Frequência BPDU. Por padrão, BPDUs são enviados a cada 2 segundosA raiz define os temporizadores da rede, e os outros switches adotam esses valores para sincronizar o comportamento.

TCN e TCA. Quando um switch detecta uma alteração, emite TCN através de sua porta raizO switch designado que recebe a notificação envia um BPDU de configuração com o bit de confirmação do TCA, e o processo continua em uma cadeia até a raiz, que marca seus BPDUs com o sinalizador de alteração para acelerar o envelhecimento da tabela de endereços.

Escopos e variantes em produção. Em redes com muitas VLANs, PVST+ ou RPVST+ permitem uma instância por VLAN para distribuir cargas e caminhos. Em ambientes onde o agrupamento de VLANs por topologia é desejado, o MSTP fornece até 16 instâncias RSTP para mapear conjuntos de VLANs para cada instância.

Além do padrão. Embora o STP seja nativo da Camada 2, Os switches da camada 3 também implementam essas funções em seu plano de comutação para evitar empates em domínios de transmissão, integrando-se com o roteamento da camada 3 quando apropriado.

Erros comuns a evitar: Não definir prioridade quando você sabe qual dispositivo deve ser root, deixar portas de acesso sem modo de borda, misturar variantes sem um plano ou confiar em padrões sem validar a topologia resultante são atalhos que geralmente custam muito.

Conselhos operacionais. Se você precisa influenciar o caminho até a raiz sem afetar as prioridades, ajusta os custos portuários nos links relevantesÉ uma ótima ferramenta para equilibrar empates ou otimizar caminhos ascendentes.

O STP e suas variantes permitem que você construa redes com alta disponibilidade e comportamento previsível. A chave é dominar a escolha de raiz, custos, estados e proteçõese implante com disciplina: configure primeiro, conecte depois e sempre monitore.

Artigo relacionado:

Protocolos de rede mais comuns: o que são, seus tipos e como funcionam

Isaac

Escritor apaixonado pelo mundo dos bytes e da tecnologia em geral. Adoro compartilhar meu conhecimento por meio da escrita, e é isso que farei neste blog, mostrar a vocês tudo o que há de mais interessante sobre gadgets, software, hardware, tendências tecnológicas e muito mais. Meu objetivo é ajudá-lo a navegar no mundo digital de uma forma simples e divertida.