Cambios de topología en el protocolo de árbol de expansión (STP)

El protocolo de árbol de expansión (STP) se utiliza para evitar bucles en la red debido a conexiones redundantes entre conmutadores en la red. Determina una ruta eficiente desde los conmutadores no raíz a los conmutadores raíz con la ayuda de la Unidad de datos de protocolo de puente (BPDU). BPDU transporta información sobre cambios de topología dentro de la red para notificar a todos los conmutadores sobre el cambio.

Hay dos tipos de BPDU que participan en el mecanismo de cambio de topología en STP:

1. BPDU de configuración: el conmutador raíz envía las BPDU de configuración con el bit TC (cambio de topología) y TCA (reconocimiento de cambio de topología) establecidos en el campo de indicadores para notificar a todos los conmutadores sobre el cambio de topología.
2. BPDU de notificación de cambio de topología (TCN): el conmutador no raíz que encuentra un cambio de topología en la red transmite TCN BPDU para notificar al conmutador raíz sobre el cambio de topología junto con la regulación de la topología utilizada actualmente por la red.

Razones para el cambio de topología:

La red activada con el protocolo de árbol de expansión puede experimentar un cambio de topología debido a las siguientes razones:

1. Fallo de enlace
2. Falla del interruptor
3. Puerto en transición al estado de reenvío

Mecanismo de cambio de topología:

El switch encuentra un cambio de topología cada vez que detecta un cambio de estado del enlace en una de sus interfaces debido a un enlace u otra falla del switch. Después de detectar el cambio de topología dentro de la red, genera una BPDU de notificación de cambio de topología con toda la información sobre la topología que se está utilizando actualmente y la envía hacia el conmutador raíz a través de su puerto raíz. El switch ascendente conectado con un switch que envió la BPDU de TCN a través de su puerto raíz recibirá la BPDU y responderá al remitente con la BPDU de reconocimiento de cambio de topología (TCA). Ahora, el conmutador ascendente que recibió la TCN BPDU genera su propia TCN BPDU y la transmite hacia el conmutador raíz a través de su puerto raíz. Este proceso continúa hasta que el puente raíz recibe TCN BPDU. 

Una vez que se notifica al puente raíz sobre el cambio de topología, genera una BPDU de configuración con un bit de cambio de topología establecido y un bit de reconocimiento de cambio de topología y transmite esta BPDU a toda la red para que se notifique a todos los switches sobre el cambio de topología dentro de la red. 

El bit TC en la BPDU de configuración enviada por la raíz indica a los conmutadores no raíz que eliminen las entradas de direcciones MAC que aumentan la velocidad de convergencia de la red y el bit TCA les informa que el conmutador raíz está informado sobre el cambio de topología y, por lo tanto, les indica que dejen de enviar TCN BPDU. Los conmutadores garantizan que no se envíe tráfico al host al que ya no se puede acceder a través del puerto mediante la actualización de las entradas de la dirección MAC al reducir el tiempo de envejecimiento al mismo tiempo que el retraso de reenvío y los dispositivos que se comunican dentro de este período de tiempo se retienen en la tabla de direcciones MAC mientras que otros se enjuagan.

¿Qué sucede si se produce una gran cantidad de cambios de topología en la red?

Las BPDU de notificación de cambio de topología se utilizan para notificar cambios de topología en la red. Por lo tanto, si la topología de la red se cambia con frecuencia, generará una gran cantidad de TCN BPDU en la red, lo que conducirá a la eliminación frecuente de entradas ARP y entradas MAC por parte de los dispositivos. Conducirá a un alto uso de la CPU y provocará inestabilidad en el tráfico de la red. Además, los cambios frecuentes en el estado del puerto durante el cambio de topología provocan fluctuaciones en la red que interrumpen el tráfico de usuarios y reducen la convergencia de la red.

Ejemplo: La siguiente figura muestra una red LAN activada por STP que encuentra un cambio de topología en una de sus interfaces en el conmutador 4.

El switch 4 genera una TCN BPDU con información sobre el cambio de topología y la envía aguas arriba hacia el switch 1 (conmutador raíz) a través del switch 2. Al recibir la TCN BPDU enviada por el switch 4, el switch 2 responde con TCA BPDU y genera su propia TCN BPDU y la envía a switch 1. Se informa al switch 1 sobre el cambio de topología tan pronto como recibe TCN BPDU.

Una vez que se notifica al switch 1 sobre el cambio de topología, genera una BPDU de configuración con bits de TC y TCA establecidos y la inunda a todos los switches para informarles sobre el cambio de topología.

Problemas asociados con el cambio de topología:

1. Si un dispositivo recibe demasiadas BPDU de TCN, su uso de CPU se vuelve alto y la red se vuelve inestable debido a la eliminación repetida de entradas de direcciones MAC.
2. Los cambios frecuentes en el estado de los puertos pueden provocar fluctuaciones en la red.