3.3. Protocolos Spanning Tree (STP/RSTP) y sus Limitaciones

UF1794 | Evitando tormentas de broadcast en topologías redundantes

graph TD subgraph Fisico ["Topología Física (Con Bucle)"] SW1["Switch 1"] --- SW2["Switch 2"] SW2 --- SW3["Switch 3"] SW3 --- SW1 end subgraph Logico ["Topología Lógica (STP Activo)"] S1["SW 1 (Root Bridge)"] ---|Forwarding| S2["SW 2"] S2 ---|Forwarding| S3["SW 3"] S3 -. Puerto Bloqueado .- S1 end style SW1 fill:#2c3e50,color:#fff style S1 fill:#2c3e50,color:#fff

1. La Paradoja de la Redundancia: El Bucle Físico

En el diseño de redes industriales (UF1794), buscamos constantemente la "Alta Disponibilidad". Si conectamos el PLC al switch central con un solo cable y una carretilla lo rompe, la máquina se detiene. La solución obvia parece ser tirar un segundo cable entre los switches para tener un camino de respaldo (redundancia). Sin embargo, al hacer esto acabamos de crear un Bucle Físico de Capa 2.

En la Capa 3 (IP), los paquetes tienen un "Tiempo de Vida" (TTL) que se reduce en cada router, por lo que mueren si dan vueltas en círculo. Pero las tramas Ethernet de Capa 2 no tienen TTL. Si un equipo lanza un mensaje de Broadcast (como un ARP), el Switch 1 lo envía al Switch 2, el Switch 2 se lo devuelve al Switch 1 por el otro cable, el Switch 1 lo vuelve a reenviar. En fracciones de segundo, ese único paquete se multiplica exponencialmente creando una Tormenta de Broadcast (Broadcast Storm). Los procesadores de los switches y los PLCs se saturan al 100% y la red colapsa completamente.



2. Spanning Tree Protocol (STP - 802.1D)

Para solucionar esto sin renunciar a la redundancia física, se inventó el protocolo STP (Spanning Tree Protocol). El STP es un algoritmo que se ejecuta en los switches gestionables para detectar bucles físicos y bloquear lógicamente uno de los puertos. Físicamente el cable sigue conectado, pero el switch desactiva el paso de datos por él, transformando el anillo cerrado en un "árbol" abierto (Tree) sin bucles.

¿Cómo funciona? Los switches intercambian constantemente mensajes de control llamados BPDUs (Bridge Protocol Data Units):

  1. Elección del Root Bridge (Puente Raíz): El switch con la prioridad más baja (o la MAC más baja en caso de empate) se convierte en el "jefe" de la red.
  2. Cálculo de rutas: Los demás switches calculan el "coste" (basado en la velocidad del cable) para llegar al Root Bridge.
  3. Bloqueo de puertos: Si existen dos caminos para llegar al Root Bridge, el camino con mayor coste (el más lento o largo) se pone en estado Blocking.

Si el cable principal se rompe, los switches dejan de recibir BPDUs, recalculan el árbol y "abren" el puerto que estaba bloqueado para restaurar la comunicación.



3. De STP a RSTP (Rapid Spanning Tree - 802.1w)

El problema del STP original (de los años 90) es su lentitud. Cuando un cable se rompía, el protocolo pasaba por varios estados lentos (Listening, Learning) para asegurarse de no crear bucles durante el recálculo. Esto suponía un "Tiempo de Convergencia" (tiempo que la red está caída) de 30 a 50 segundos.

Para mejorar esto, se estandarizó el RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol). RSTP permite que los switches "negocien" el cambio de topología directamente entre vecinos, en lugar de esperar temporizadores globales. Además, introduce el concepto de Edge Ports (Puertos de Borde): puertos donde sabemos que hay un PC o un PLC conectado (no un switch), y que pueden pasar a estado de reenvío instantáneamente sin cálculo. RSTP reduce el tiempo de convergencia a 1 o 2 segundos.



4. Las Limitaciones del RSTP en Automatización

Para una red de oficinas (IT), que la red tarde 2 segundos en recuperarse es un éxito. Para una red industrial (OT), 2 segundos es una eternidad. Si un robot está moviéndose sincronizadamente y pierde la comunicación durante 2 segundos, los ejes perderán el control de posición y la maquinaria sufrirá una parada de emergencia (o un choque catastrófico).

Por esta razón, aunque RSTP es una herramienta excelente para conectar la planta con las oficinas o para SCADAs de supervisión lenta, RSTP no es válido para redes deterministas de control de movimiento. La necesidad de tiempos de recuperación de milisegundos (e incluso "recuperación cero") forzó a la industria a crear protocolos de anillo propios, como MRP (Media Redundancy Protocol), PRP y HSR, que estudiaremos en las siguientes lecciones.

RED SIN STP (Bucle Físico) Switch A Switch B Switch C BROADCAST STORM Las tramas circulan infinitamente RED CON RSTP (Topología Libre de Bucles) Switch A ROOT BRIDGE Switch B Switch C F F F F F B Puerto Bloqueado El enlace redundante queda en Standby
Figura 1: El Algoritmo Spanning Tree. Si se conecta un anillo físicamente, el tráfico Broadcast colapsa la red (Izquierda). Al activar STP o RSTP, los switches eligen un "Root Bridge" y calculan el mejor camino. El switch C bloquea lógicamente uno de sus puertos (estado Blocking "B"), rompiendo el bucle. Si el cable entre el Switch A y C se rompe, el puerto bloqueado pasará a estado Forwarding ("F") en milisegundos, restaurando el servicio.
Fuente: Elaboración Propia. Licencia: CC BY-SA 4.0.

🎥 Formación Técnica: El Peligro de las Tormentas de Broadcast

Mira cómo un simple cable cruzado entre dos switches sin RSTP tumba una red entera en segundos y entiende matemáticamente cómo los BPDUs eligen el Root Bridge.

▶ Ver Explicación de RSTP

📝 Evaluación Técnica: Topologías Redundantes

1. Un técnico inexperto conecta un cable adicional entre dos switches no gestionados (unmanaged) en la planta para crear un camino de seguridad redundante. A los pocos segundos, los HMIs se desconectan y los LEDs de los puertos parpadean a una velocidad frenética. ¿Cuál es el diagnóstico técnico?

2. ¿Cuál es la diferencia de rendimiento crítica entre el Spanning Tree Protocol original (STP, 802.1D) y el Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, 802.1w)?

3. Si RSTP es un estándar universal tan robusto y capaz de recuperarse en un segundo, ¿por qué la industria tuvo que inventar protocolos adicionales como MRP, PRP o HSR para la automatización?

🤖 Ejercicio Práctico 4: Simulador del Elección Root Bridge con Python

Objetivo: Entender la matemática detrás del algoritmo RSTP creando un script que decida qué switch será el jefe (Root) de la red.

Copia el siguiente *prompt* y pégalo en un modelo de IA (como ChatGPT, Gemini o Claude).

Actúa como un profesor de redes CISCO/Industrial. Escribe un script en Python que simule la fase de elección del 'Root Bridge' del protocolo Spanning Tree. El script debe: 1. Definir una lista de 4 switches. Cada switch es un diccionario con un nombre, una 'Prioridad Bridge' (múltiplos de 4096, ej: 32768, 4096, 32768) y una dirección MAC ficticia. 2. Iterar por la lista para determinar al ganador. La regla de STP es: Gana el switch con la Prioridad más baja. Si hay empate de Prioridad, gana el que tenga la dirección MAC más baja (alfanuméricamente). 3. Imprimir el proceso de decisión de forma muy detallada, mostrando cómo se rompe el empate y anunciando al Root Bridge ganador. Comenta el código explicando por qué en una red industrial NUNCA debemos dejar la prioridad en el valor por defecto (32768), y por qué el Core Switch debe configurarse siempre con prioridad 0 o 4096.