El protocolo del árbol de expansión, a veces conocido como árbol de expansión, es el Waze o Mapquest de las redes Ethernet modernas, que dirige el tráfico a lo largo de la ruta más eficiente en función de las condiciones en tiempo real.
Basado en un algoritmo creado por la informática estadounidense Radia Perlman mientras trabajaba para Digital Equipment Corporation (DEC) en 1985, el objetivo principal de la expansión es evitar enlaces redundantes y el bucle de vías de comunicación en configuraciones de red complejas. Como función secundaria, el árbol de expansión puede enrutar paquetes alrededor de los puntos de problemas para garantizar que las comunicaciones puedan enrollar las redes que podrían estar experimentando interrupciones.
Topología del árbol de expansión vs. topología de anillo
Cuando las organizaciones apenas comenzaban a contactar sus computadoras en la década de 1980, una de las configuraciones más populares era la red de anillos. Por ejemplo, IBM introdujo su tecnología patentada de tokens en 1985.
En una topología de red de anillo, cada nodo se conecta con otros dos, uno que se encuentra delante en el anillo y otro que se coloca detrás de él. Las señales solo viajan alrededor del anillo en una sola dirección, con cada nodo en el camino entregando todos y cada uno de los paquetes que se elevan alrededor del anillo.
Si bien las simples redes de anillo funcionan bien cuando solo hay un puñado de computadoras, los anillos se vuelven ineficientes cuando cientos o miles de dispositivos se agregan a una red. Es posible que una computadora necesite enviar paquetes a través de cientos de nodos solo para compartir información con otro sistema en una habitación adyacente. El ancho de banda y el rendimiento también se convierten en un problema cuando el tráfico solo puede fluir en una dirección, sin un plan de respaldo si un nodo en el camino se rompe o se congestiona demasiado.
En los años 90, a medida que Ethernet se obtuvo más rápido (100mbit/Sec. Fast Ethernet se introdujo en 1995) y el costo de una red de Ethernet (puentes, interruptores, cableado) se volvió significativamente más barato que el anillo de tokens, el árbol de expansión ganó las guerras de topología de LAN y token Ring se desvaneció rápidamente.
Cómo funciona el árbol de expansión
Spanning Tree es un protocolo de reenvío para paquetes de datos. Es una parte de la policía de tráfico y una parte del ingeniero civil para las autopistas de red que viaja los datos. Se encuentra en la capa 2 (capa de enlace de datos), por lo que simplemente se preocupa por mover los paquetes a su destino apropiado, no qué tipo de paquetes se están enviando, o los datos que contienen.
El árbol de expansión se ha vuelto tan omnipresente que su uso se define en elEstándar de redes IEEE 802.1D. Como se define en el estándar, solo puede existir una ruta activa entre dos puntos finales o estaciones para que funcionen correctamente.
Spanning Tree está diseñado para eliminar la posibilidad de que el paso de datos entre segmentos de red se atasque en un bucle. En general, los bucles confunden el algoritmo de reenvío instalado en dispositivos de red, lo que hace que el dispositivo ya no sepa dónde enviar paquetes. Esto puede resultar en la duplicación de marcos o el reenvío de paquetes duplicados a múltiples destinos. Los mensajes pueden repetirse. Las comunicaciones pueden recuperarse a un remitente. Incluso puede bloquear una red si demasiados bucles comienzan a ocurrir, comiendo el ancho de banda sin ninguna ganancia apreciable al tiempo que bloquean otro tráfico no bucleado para pasar.
El protocolo del árbol de expansiónDeja de formar buclesal cerrar toda la vía posible para cada paquete de datos. Enciende un árbol de expansión de uso de la red para definir rutas y puentes de la raíz donde los datos pueden viajar, y cierran funcionalmente las rutas duplicadas, lo que los hace inactivos e inutilizables mientras una ruta principal está disponible.
El resultado es que las comunicaciones de la red fluyen a la perfección, independientemente de cuán compleja o vasta se vuelva una red. En cierto modo, Spanning Tree crea rutas únicas a través de una red para que los datos viajen usando el software de la misma manera que los ingenieros de redes utilizan hardware en las redes de bucle antiguas.
Beneficios adicionales del árbol de expansión
La razón principal por la que se usa el árbol de expansión es eliminar la posibilidad de bucles de enrutamiento dentro de una red. Pero también hay otras ventajas.
Debido a que Spanning Tree busca y define constantemente qué rutas de red están disponibles para que los paquetes de datos pasen, puede detectar si un nodo que se encuentra a lo largo de una de esas rutas principales ha sido deshabilitado. Esto puede suceder por una variedad de razones que van desde una falla de hardware hasta una nueva configuración de red. Incluso puede ser una situación temporal basada en el ancho de banda u otros factores.
Cuando el árbol de expansión detecta que una ruta primaria ya no está activa, puede abrir rápidamente otra ruta que se había cerrado previamente. Luego puede enviar datos en torno al punto de problemas, eventualmente designando el desvío como la nueva ruta primaria, o enviando paquetes de regreso al puente original en caso de que vuelva a estar disponible.
Si bien el árbol de expansión original fue relativamente rápido para hacer esas nuevas conexiones según sea necesario, en 2001 el IEEE introdujo el protocolo de árbol de expansión rápida (RSTP). También conocida como la versión 802.1W del protocolo, RSTP fue diseñado para proporcionar una recuperación significativamente más rápida en respuesta a cambios de red, interrupciones temporales o la falla directa de los componentes.
Y mientras RSTP introdujo los nuevos comportamientos de convergencia de ruta y los roles de puerto de puente para acelerar el proceso, también fue diseñado para ser completamente compatible con el árbol de expansión original. Por lo tanto, es posible que los dispositivos con ambas versiones del protocolo funcionen juntos en la misma red.
Deficiencias del árbol de expansión
Si bien Spanning Tree se ha vuelto omnipresente durante los muchos años posteriores a su introducción, hay quienes argumentan que esHa llegado el momento. La mayor falla de Spanning Tree es que cierra los bucles potenciales dentro de una red al cerrar vías potenciales donde los datos podrían viajar. En cualquier red dada utilizando el árbol de expansión, aproximadamente el 40% de las rutas de red potenciales están cerradas a los datos.
En entornos de redes extremadamente complejos, como los que se encuentran en los centros de datos, la capacidad de escalar rápidamente para satisfacer la demanda es crítica. Sin las limitaciones impuestas por Spanning Tree, los centros de datos podrían abrir mucho más ancho de banda sin la necesidad de hardware de red adicional. Esta es una especie de situación irónica, porque los entornos de redes complejos son la razón por la cual se creó Spanning Tree. Y ahora la protección proporcionada por el protocolo contra el bucle es, en cierto modo, retener esos entornos de todo su potencial.
Se desarrolló una versión refinada del protocolo llamado árbol de expansión de instancias múltiples (MSTP) para emplear LAN virtuales y permitir que se abran más rutas de red al mismo tiempo, al tiempo que evita que se formen bucles. Pero incluso con MSTP, bastantes rutas de datos potenciales permanecen cerradas en cualquier red dada que emplee el protocolo.
Ha habido muchos intentos independientes no estandarizados para mejorar las restricciones de ancho de banda del árbol de expansión a lo largo de los años. Si bien los diseñadores de algunos de ellos han reclamado éxito en sus esfuerzos, la mayoría no son completamente compatibles con el protocolo central, lo que significa que las organizaciones deben emplear los cambios no estandarizados en todos sus dispositivos o encontrar alguna forma de permitir que existan con Switches que ejecutan el árbol de expansión estándar. En la mayoría de los casos, los costos de mantener y apoyar múltiples sabores del árbol de expansión no valen la pena.
¿Continuará Spanning Tree en el futuro?
Además de las limitaciones en el ancho de banda debido a las rutas de la red de cierre de los árboles de expansión, no hay mucho pensamiento o esfuerzo para reemplazar el protocolo. Aunque IEEE ocasionalmente publica actualizaciones para tratar de hacerlo más eficiente, siempre son compatibles con versiones al revés con las versiones existentes del protocolo.
En cierto sentido, Spanning Tree sigue la regla de "Si no está roto, no lo arregles". El árbol de expansión se ejecuta independientemente en el fondo de la mayoría de las redes para mantener el flujo del tráfico, evitar que se formen bucles inductores de accidentes y enrutar el tráfico en torno a los puntos de problemas para que los usuarios finales nunca sepan si su red experimenta interrupciones temporalmente como parte de su día a día de Operaciones de día. Mientras tanto, en el backend, los administradores pueden agregar nuevos dispositivos a sus redes sin pensar demasiado en cuanto a si podrán comunicarse con el resto de la red o el mundo exterior.
Debido a todo eso, es probable que el árbol de expansión permanezca en uso durante muchos años. Puede haber algunas actualizaciones menores de vez en cuando, pero el protocolo de árbol de expansión central y todas las características críticas que realiza probablemente estén aquí para quedarse.
Tiempo de publicación: Nov-07-2023
