Progettazione LAN: modello gerarchico, ridondanza e STP

Il modello gerarchico delle LAN aziendali

Una LAN piccola — quella di casa o di un’aula — si progetta in modo intuitivo: colleghi tutto a uno switch, finisce lì. Ma quando la rete cresce — centinaia di host, più piani, più edifici — la topologia piatta diventa ingestibile. Il traffico esplode, un guasto si propaga ovunque, non riesci a isolare i problemi.

La risposta industriale è il modello gerarchico a tre livelli, sviluppato originariamente da Cisco e poi adottato come riferimento de facto nella progettazione enterprise.

I tre livelli

          ┌─────────────┐
          │  CORE L3    │   ← backbone, full-mesh o anello
          │  Switch A   │
          └──────┬──────┘
       ┌─────────┴─────────┐
  ┌────┴────┐         ┌────┴────┐
  │ DISTR.  │         │ DISTR.  │   ← aggregazione + routing
  │  Sw-B   │         │  Sw-C   │
  └────┬────┘         └────┬────┘
  ┌────┴────┐         ┌────┴────┐
  │ ACCESS  │         │ ACCESS  │   ← connessione end-device
  │  Sw-D   │         │  Sw-E   │
  └────┬────┘         └────┬────┘
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Perché la gerarchia scala meglio della topologia piatta

In una rete piatta ogni switch è connesso a tutti gli altri: aggiungere un nuovo switch richiede N nuovi link. Nel modello gerarchico ogni Access switch si connette solo al proprio Distribution: il numero di link cresce linearmente, non quadraticamente. Inoltre i problemi restano confinati al blocco dove si verificano.

Il problema dei loop a livello 2

La ridondanza è indispensabile: se un link o uno switch si guasta, la rete deve continuare a funzionare. La soluzione naturale è aggiungere link paralleli tra gli switch. Ma questo crea un problema devastante: i loop di livello 2.

Cosa succede senza protezione dai loop

Ethernet non ha un campo TTL (che a livello 3 fa scartare i pacchetti dopo N hop). Un frame broadcast che entra in un loop rimbalza all’infinito tra gli switch. In secondi:

Spanning Tree Protocol (STP) — IEEE 802.1D

Lo Spanning Tree Protocol, standardizzato da IEEE come 802.1D nel 1990, è la soluzione classica al problema dei loop: blocca logicamente i link ridondanti, mantenendo un unico percorso attivo tra ogni coppia di switch. Se il link attivo cade, STP riattiva quello bloccato.

Tre passi: elezione, costo, stati

1 — Elezione del Root Bridge

Ogni switch ha un Bridge ID = priorità (16 bit, default 32768) + MAC address (48 bit). Lo switch con il Bridge ID più basso diventa Root Bridge — il “centro” dell’albero logico. Tutti i percorsi vengono calcolati in funzione della distanza dal Root Bridge.

2 — Calcolo del percorso: Root Path Cost

Ogni porta ha un path cost inversamente proporzionale alla banda del link. Ogni switch calcola il percorso a costo minimo verso il Root Bridge e sceglie la sua Root Port (la porta più vicina al root).

3 — Stati delle porte STP

Ogni porta passa attraverso stati ben definiti prima di poter inoltrare dati:

BPDU — Bridge Protocol Data Unit

Gli switch si scambiano messaggi speciali chiamati BPDU (Bridge Protocol Data Unit) ogni 2 secondi (Hello Time). Le BPDU contengono: Root Bridge ID, Root Path Cost, Bridge ID mittente, porta mittente. Attraverso lo scambio di BPDU gli switch costruiscono l’albero logico e rilevano guasti.

Ruoli delle porte nell’albero STP

RSTP — Rapid Spanning Tree Protocol (802.1w)

IEEE 802.1w (RSTP) è il successore moderno di STP. Riduce il tempo di convergenza da ~50 secondi a meno di 1 secondo attraverso un meccanismo di negoziazione diretta tra switch adiacenti, senza aspettare timer.

Le differenze principali rispetto a 802.1D:

EtherChannel — aggregazione di link

Una soluzione alternativa alla ridondanza tramite STP è l’EtherChannel (standard IEEE 802.3ad — LACP): unire più link fisici paralleli in un unico link logico ad alta banda. STP vede il bundle come un singolo link, quindi nessun blocco.