Garantir alta disponibilidade e eficiência nas redes de comunicação é um dos principais desafios da automação industrial. Nesse cenário, os switches gerenciáveis se destacam como soluções essenciais, permitindo a implementação de arquiteturas robustas com protocolos de redundância que previnem falhas e otimizam o desempenho da rede.
Neste artigo, trazemos detalhes sobre o funcionamento e os principais benefícios dos protocolos de redundância de rede disponíveis nos switches gerenciáveis da Altus, produtos de alto desempenho integrantes da Série Connect.
O que são protocolos de redundância de rede?
A ideia de redundância foi desenvolvida para resolver uma questão familiar na indústria: o ponto único de falha. Em termos gerais, a limitação a apenas um meio de comunicação pode resultar na total desativação de um segmento da rede. No entanto, a inserção de um link de redundância pode provocar o aparecimento de loops de rede, isto é, quando há mais de um caminho de acesso para um dispositivo.
Quando isso ocorre, a quantidade de pacotes trafegando na rede tende a aumentar de forma exponencial, resultando no uso total da banda disponível e, consequentemente, no bloqueio da capacidade de gerenciamento ou processamento do switch.
Para resolver essa questão, foram desenvolvidos os protocolos de redundância de rede, que garantem múltiplas rotas sem a ocorrência de loops. Esses protocolos consistem em um conjunto de normas que monitoram os caminhos da rede, evitando pontos únicos de falha e assegurando sua alta disponibilidade.
Atualmente, há diversos protocolos de redundância disponíveis no mercado. Abaixo, você encontra detalhes sobre os padrões disponíveis nos switches gerenciáveis da Série Connect, família de produtos para conectividade de rede da Altus.
Zero looping com o protocolo STP
O Spanning Tree Protocol (STP) surgiu para acabar com o problema de loops na Camada 2 do modelo OSI. Isso é possível através do monitoramento de todos os links que fazem parte da rede de comunicação. O protocolo é um padrão definido pelo Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) sob o código 802.1D.
Em termos gerais, o padrão STP elimina de forma lógica as rotas de comunicação em uma rede com base em árvores lógicas de switches (spanning tree) presentes na rede e elege o switch de referência, chamado de root bridge, a partir do qual será criada a árvore. A eleição da root bridge é feita com base em prioridade e no MAC Address dos switches, por exemplo, se dois switches possuírem a mesma prioridade, a escolha da porta root será do switch com o menor endereço MAC.
Assim que o algoritmo estabelece a Ponte Root, os switches determinam o custo do caminho até ela, levando em conta a velocidade dos links disponíveis. Essa métrica auxilia na identificação das conexões mais eficazes.
Depois de calcular os custos, o STP examina as rotas duplicadas e determina quais portas devem continuar abertas ou serem bloqueadas. Isso é realizado para prevenir a repetição de dados, que poderia resultar em sobrecarga e instabilidade na rede. As portas bloqueadas não conduzem tráfego normal, porém continuam a monitorar a rede para se adaptar a alterações na topologia.
Dessa forma, o STP garante que a rede tenha apenas um caminho ativo para cada destino, enquanto mantém caminhos alternativos prontos para serem ativados em caso de falhas.
No modelo STP, as portas em um switch passam por diferentes estados:
- – Bloqueio – A porta ouve os BPDUs, mas não encaminha o tráfego ou aprende endereços MAC.
- – Escuta – A porta verifica BPDUs para garantir que não causará loops.
- – Aprendizado – A porta começa a aprender endereços MAC, mas ainda não encaminhar tráfego.
- – Encaminhamento – A porta agora encaminha tráfego e BPDUs.
Benefícios do protocolo STP:
- – O STP elimina loops em redes Ethernet, que podem causar tráfego excessivo, colisões e falhas no funcionamento da rede. Ele garante que apenas um caminho ativo exista entre dois pontos, evitando instabilidade;
- – Em caso de falha em um link ativo, o STP ativa automaticamente um caminho alternativo previamente bloqueado. Isso assegura alta disponibilidade da rede, mantendo a conectividade sem interrupções;
- – Ele identifica e utiliza os caminhos mais eficientes com base no custo do caminho, otimizando o desempenho da rede e evitando congestionamentos desnecessários.
Redes mais rápidas e confiáveis com RSTP
O padrão 802.1D STP foi projetado para atuar na recuperação da conectividade de uma rede em até 50 segundos. Porém, com a evolução tecnológica, esse desempenho não era suficiente para concorrer com soluções roteadas operando na camada 3 do modelo OSI, como OSPF e EIGRP.
Para manter o padrão competitivo no mercado, foi lançado o protocolo Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP), que incorporou funcionalidades avançadas como:
- – Novo estado e novas funções das portas;
- – Conceito de tipo de segmento;
- – Sistema de proposta e de acordo veiculado pelas BPDUs, fazendo com que a transição para o estado de encaminhamento dispense um temporizador, utilizado no STP (IEEE 802.1D).
Tido como uma evolução do padrão STP, o RSTP possibilita que porta possa assumir um dos seguintes estados:
- Descarte – a porta pode enviar e receber BPDU, porém não pode encaminhar pacotes, impedindo assim a formação de loops. Esse estado substitui os estados do STP de bloqueio, de desativação e de escuta;
- Aprendizagem – a porta pode enviar e receber BPDU, porém não encaminha pacotes. Assim como o estado de mesmo nome no STP, essa porta pode aprender endereços MAC;
- Encaminhamento – a porta pode enviar e receber BPDU e encaminha pacotes. Ocorre apenas em uma topologia estável em uso.
Além do estado, cada porta que atua como bridge no modelo RSTP assume uma função associada, que pode ser do tipo:
Porta Raiz (Root Port)
- Função: conecta ao caminho mais curto até a raiz da spanning tree.
- Característica: apenas uma porta em cada switch pode ser a porta raiz.
Porta Designada (Designated Port)
- Função: encaminha dados para um segmento de rede específico.
- Característica: cada segmento de rede possui apenas uma porta designada.
Porta Alternativa (Alternate Port)
- Função: atua como um caminho de backup (redundante) para a raiz em caso de falha da porta raiz.
- Característica: fica em stand-by até ser ativada.
Porta Backup (Backup Port)
- Função: serve como um caminho de backup para uma porta designada no mesmo segmento. No caso de a porta designada falhar, a porta de backup se torna imediatamente a porta designada.
- Característica: rara em topologias comuns, ocorre apenas quando há múltiplos links físicos redundantes conectando dois switches.
Outra evolução introduzida pelo RSTP em relação ao STP é o sistema de proposta e acordo, projetado para acelerar a transição das portas designadas (DP) e das portas raiz (RP) para o estado de encaminhamento no menor tempo possível, por meio da troca eficiente de BPDUs.
No protocolo STP, quando uma porta é eleita como DP, há um atraso considerável antes que ela possa transitar para o estado de encaminhamento, devido à dependência de temporizadores para garantir a estabilidade da rede. O RSTP elimina esse atraso, permitindo um cálculo mais rápido e preciso após alterações na topologia. Essa agilidade é possível, pois o RSTP converge segmento por segmento, dispensando a necessidade de esperar a expiração dos temporizadores para que as portas assumam o estado de encaminhamento.
No entanto, essa transição imediata só pode ser realizada em segmentos configurados como ponto-a-ponto e em portas configuradas como de extremidade, otimizando ainda mais o desempenho da rede.
Benefícios do protocolo RSTP
- – O RSTP reduz significativamente o tempo necessário para reconfigurar a spanning tree após alterações na topologia, garantindo redes mais ágeis e estáveis;
- – Ele oferece suporte a detecção e resposta automática a alterações na topologia, minimizando o impacto de falhas na rede;
- – O padrão mantém interoperabilidade com o protocolo Spanning Tree (STP), facilitando a integração em redes que utilizam ambos os protocolos.
MSTP para otimizar a eficiência de redes VLAN
O Multiple Spanning Tree Protocol, ou MSTP, é uma extensão do RSTP, dando ainda mais recursos para aplicação de VLANs. O padrão permite a utilização de múltiplas instâncias Spanning Tree, chamadas de MSTIs, reduzindo o tempo de convergência da spanning tree.
Ele faz isso configurando uma spanning tree separada para cada grupo de VLAN e bloqueando todos os caminhos alternativos possíveis em cada spanning tree, exceto um. Desta ação deriva uma Multiple Spanning Tree Instance (MSTI), que calcula e cria uma topologia sem loops para ligar pacotes das VLANs que mapeiam para a instância.
Nos switches gerenciáveis, é possível configurar o MSTP tanto pela interface CLI quanto pela interface web. Na interface web, por exemplo, você pode ajustar os parâmetros das portas e verificar o status do protocolo em cada parte.
Benefícios do protocolo MSTP
- – O MSTP, ao criar instâncias distintas de spanning tree (MSTIs) que podem agrupar várias VLANs em uma única instancia, maximiza a eficiência e a utilização da largura de banda disponível na rede, pois a troca de BPDUs é reduzida.
- – Com suporte a múltiplas instâncias de spanning tree, o MSTP facilita a gestão de redes grandes e complexas, simplificando a configuração e manutenção.
- – Proporciona recuperação rápida em caso de falhas de link ou dispositivo, mantendo a disponibilidade e a estabilidade da rede através de caminhos redundantes.
Mais eficiência para redes em anel com ERPS
Sigla para Ethernet Ring Protection Switching, o ERPS é um protocolo definido pela International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector (ITU-T G.8032) utilizado para eliminar loops na Camada 2 do modelo OSI.
Geralmente, redes de switching Ethernet, como redes em anel, utilizam links redundantes para oferecer backup de links e aumentar a confiabilidade da rede. No entanto, o uso de links redundantes pode resultar na criação de loops na rede, causando broadcast storms e instabilidade na tabela de endereços MAC. Como consequência, a qualidade da comunicação se deteriora, e os serviços de comunicação podem até ser interrompidos.
Redes Ethernet exigem um switching de proteção mais rápida, embora o RSTP também previna loops na rede, ele apresenta maior latência em comparação ao ERPS, que se destaca pela detecção otimizada e convergência significativamente mais rápida. Vale ressaltar que o STP, apesar de não ser tão eficiente em redes de topologia anel, também é capaz de prevenir loops, mas com um tempo de ajuste consideravelmente maior. Abaixo, uma comparação dos tempos de ajuste de rede entre os protocolos:
- STP: 30 a 50 segundos;
- RSTP: 1 a 10 segundos;
- ERPS: menor que 50 milissegundos.
O ERPS é um protocolo que atua em redes redundantes, garantindo alta disponibilidade ao bloquear links redundantes e reconfigurá-los automaticamente em caso de falhas.
O protocolo possui duas versões, atualmente: ERPSv1, lançado pela ITU-T em junho de 2008, e ERPSv2, lançado em agosto de 2010. O ERPSv2, totalmente compatível com o ERPSv1, oferece as seguintes funções aprimoradas:
- – Suporte a topologias de múltiplos anéis, permitindo a configuração de anéis interseccionados em arquiteturas mais complexas;
- – Transmissão de mensagens de controle (RAPS PDUs) em subanéis para maior eficiência;
- – Modos de Switching Forçado (FS) e Switching Manual (MS);
- – Switching reversiva (retorno ao caminho original após recuperação) e não reversiva (manutenção do novo caminho após falha).
Benefícios do protocolo ERPS
- – Previne broadcast storms e loops de rede através do bloqueio de links redundantes;
- – Proporciona convergência rápida com tempos menores de 50ms, proporcionando redes de alta confiabilidade;
- – Garante interoperabilidade entre os equipamentos de uma rede.
Os switches gerenciáveis da Série Connect contam com suporte ao padrão ITU-T G.8032 / Y.1344 do ERPS nas versões 1 e 2 do protocolo de comunicação.
Garanta a disponibilidade da sua rede com os switches gerenciáveis da Série Connect
A Série Connect de switches industriais conta com diversos modelos de equipamentos que podem ser utilizados em várias aplicações de diferentes segmentos da indústria. Com recursos avançados de gerenciamento, esses switches garantem alta disponibilidade e velocidade de comunicação para sua rede.
Por possuírem um design robusto e com grau de proteção IP30, os equipamentos Altus podem ser utilizados em ambientes hostis, como subestações de energia elétrica, linhas de beneficiamento de grãos, entre muitas outras aplicações.
