El protocolo Spanning Tree, a veces denominado simplemente Spanning Tree, es el Waze o MapQuest de las redes Ethernet modernas y 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 científica informática estadounidense Radia Perlman mientras trabajaba para Digital Equipment Corporation (DEC) en 1985, el objetivo principal de Spanning Tree es evitar enlaces redundantes y bucles de vías de comunicación en configuraciones de red complejas.Como función secundaria, Spanning Tree puede enrutar paquetes alrededor de puntos problemáticos para garantizar que las comunicaciones puedan atravesar redes que podrían estar experimentando interrupciones.
Topología de árbol de expansión versus topología de anillo
Cuando las organizaciones apenas comenzaban a conectar sus computadoras en red en la década de 1980, una de las configuraciones más populares era la red en anillo.Por ejemplo, IBM introdujo su tecnología patentada Token Ring en 1985.
En una topología de red en anillo, cada nodo se conecta con otros dos, uno que se encuentra delante de él en el anillo y otro detrás de él.Las señales solo viajan alrededor del anillo en una única dirección, y cada nodo a lo largo del camino entrega todos los paquetes que circulan alrededor del anillo.
Si bien las redes en anillo simples funcionan bien cuando solo hay un puñado de computadoras, los anillos se vuelven ineficientes cuando se agregan cientos o miles de dispositivos 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 sólo 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 hizo más rápido (100 Mbit/seg. Fast Ethernet se introdujo en 1995) y el costo de una red Ethernet (puentes, conmutadores, cableado) se volvió significativamente más barato que Token Ring, Spanning Tree ganó las guerras de topología LAN y Token El anillo se desvaneció rápidamente.
Cómo funciona el árbol de expansión
Spanning Tree es un protocolo de reenvío de paquetes de datos.Es en parte policía de tránsito y en parte ingeniero civil para las carreteras de la red por las que viajan los datos.Se encuentra en la Capa 2 (capa de enlace de datos), por lo que simplemente se ocupa de mover los paquetes a su destino apropiado, no de qué tipo de paquetes se envían ni de los datos que contienen.
Spanning Tree se ha vuelto tan omnipresente que su uso se define en elEstándar de red 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 los datos que pasan entre segmentos de red queden atrapados en un bucle.En general, los bucles confunden el algoritmo de reenvío instalado en los dispositivos de red, haciendo que el dispositivo ya no sepa dónde enviar paquetes.Esto puede resultar en la duplicación de tramas o el reenvío de paquetes duplicados a múltiples destinos.Los mensajes pueden repetirse.Las comunicaciones pueden rebotar hacia un remitente.Incluso puede bloquear una red si comienzan a ocurrir demasiados bucles, consumiendo ancho de banda sin ganancias apreciables y bloqueando el paso de otro tráfico que no está en bucle.
El protocolo del árbol de expansiónevita que se formen buclescerrando todas las rutas posibles excepto una para cada paquete de datos.Los conmutadores de una red utilizan Spanning Tree para definir rutas raíz y puentes por donde pueden viajar los datos, y cierran funcionalmente rutas duplicadas, dejándolas inactivas e inutilizables mientras una ruta principal esté disponible.
El resultado es que las comunicaciones de red fluyen sin problemas independientemente de cuán compleja o vasta sea una red.En cierto modo, Spanning Tree crea rutas únicas a través de una red para que los datos viajen usando software de la misma manera que lo hacían los ingenieros de redes usando hardware en las antiguas redes de bucle.
Beneficios adicionales del árbol de expansión
La razón principal por la que se utiliza Spanning Tree es para eliminar la posibilidad de enrutar bucles dentro de una red.Pero también existen otras ventajas.
Debido a que Spanning Tree busca y define constantemente qué rutas de red están disponibles para que viajen los paquetes de datos, puede detectar si un nodo ubicado a lo largo de una de esas rutas principales ha sido deshabilitado.Esto puede suceder por diversas razones, 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 Spanning Tree detecta que una ruta principal ya no está activa, puede abrir rápidamente otra ruta que había estado cerrada previamente.Luego puede enviar datos alrededor del punto problemático y eventualmente designar el desvío como la nueva ruta principal, o enviar paquetes de regreso al puente original si vuelve a estar disponible.
Si bien el Spanning Tree original fue relativamente rápido al realizar esas nuevas conexiones según era necesario, en 2001 el IEEE introdujo el Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP).RSTP, también conocido como la versión 802.1w del protocolo, fue diseñado para proporcionar una recuperación significativamente más rápida en respuesta a cambios en la red, interrupciones temporales o fallas absolutas de los componentes.
Y si bien RSTP introdujo nuevos comportamientos de convergencia de rutas y roles de puertos puente para acelerar el proceso, también fue diseñado para ser totalmente compatible con el Spanning Tree original.Por lo tanto, es posible que 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 sostienen que esha llegado el momento.El mayor defecto de Spanning Tree es que cierra bucles potenciales dentro de una red al cerrar posibles vías por donde podrían viajar los datos.En cualquier red que utilice Spanning Tree, aproximadamente el 40% de las rutas potenciales de la red están cerradas a los datos.
En entornos de redes extremadamente complejos, como los que se encuentran dentro de los centros de datos, la capacidad de escalar rápidamente para satisfacer la demanda es fundamental.Sin las limitaciones impuestas por Spanning Tree, los centros de datos podrían abrir mucho más ancho de banda sin necesidad de hardware de red adicional.Esta es una situación un tanto irónica, porque los entornos de red complejos son la razón por la que se creó Spanning Tree.Y ahora la protección proporcionada por el protocolo contra los bucles está, en cierto modo, impidiendo que esos entornos alcancen su máximo potencial.
Se desarrolló una versión refinada del protocolo llamada Árbol de expansión de instancias múltiples (MSTP) para emplear LAN virtuales y permitir que se abran más rutas de red al mismo tiempo, evitando al mismo tiempo la formación de bucles.Pero incluso con MSTP, bastantes rutas de datos potenciales permanecen cerradas en cualquier red que emplee el protocolo.
Ha habido muchos intentos independientes y no estandarizados para mejorar las restricciones de ancho de banda de Spanning Tree a lo largo de los años.Si bien los diseñadores de algunos de ellos han afirmado que sus esfuerzos han tenido éxito, 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 manera de permitirles existir con conmutadores que ejecutan Spanning Tree estándar.En la mayoría de los casos, los costos de mantenimiento y soporte de múltiples versiones de Spanning Tree no valen la pena.
¿Continuará Spanning Tree en el futuro?
Aparte de las limitaciones en el ancho de banda debido al cierre de las rutas de red del Spanning Tree, no se está pensando ni esforzándose mucho en reemplazar el protocolo.Aunque IEEE ocasionalmente publica actualizaciones para intentar hacerlo más eficiente, siempre son compatibles con las versiones existentes del protocolo.
En cierto sentido, Spanning Tree sigue la regla de "Si no está roto, no lo arregles".Spanning Tree se ejecuta de forma independiente en segundo plano en la mayoría de las redes para mantener el flujo de tráfico, evitar que se formen bucles que provoquen fallas y enrutar el tráfico alrededor de puntos problemáticos para que los usuarios finales ni siquiera sepan si su red experimenta interrupciones temporales como parte de su funcionamiento diario. operaciones diurnas.Mientras tanto, en el backend, los administradores pueden agregar nuevos dispositivos a sus redes sin pensar demasiado en si podrán comunicarse con el resto de la red o con el mundo exterior.
Por todo eso, es probable que Spanning Tree siga utilizándose durante muchos años.Es posible que haya algunas actualizaciones menores de vez en cuando, pero el protocolo de árbol de expansión principal y todas las funciones críticas que realiza probablemente llegaron para quedarse.
Hora de publicación: 07-nov-2023
