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Informe oficial

Tecnología StackWise de Cisco

Este informe oficial ofrece una descripción general de la tecnología StackWise™ de Cisco y de los mecanismos específicos que emplea para crear una arquitectura unificada de switching lógica a través del enlace de varios switches de configuración fija. Este informe se concentra en los siguientes aspectos esenciales de la tecnología StackWise de Cisco: conducta de interconexión de pilas, creación y modificación de pilas; reenvío de Layer 2 y Layer 3, y mecanismos para calidad del servicio (QoS). El objetivo de este informe es ayudar al lector a comprender de qué manera la tecnología StackWise de Cisco ofrece rendimiento avanzado para aplicaciones de voz, video y Ethernet gigabit.

Figura 1

Pila de switches Serie Catalyst 3750 de Cisco con tecnología StackWise

Descripción general de esta tecnología

La tecnología StackWise de Cisco ofrece un

novedoso método de utilizar en forma

conjunta las capacidades de una pila (stack) de

switches. Los switches individuales se unen de forma inteligente para crear una sola unidad

de switching con un plano trasero de

switching de 32 Gbps. Cada switch de la pila

comparte la configuración y la información de

enrutamiento y, de esta manera, se crea una

sola unidad de switching. Es posible agregar o quitar switches de una pila activa sin afectar al

rendimiento.

Los switches se unen en una sola unidad lógica

a través de cables especiales para

interconexión de pilas que crean una ruta

bidireccional de bucle cerrado. Esta ruta bidireccional funciona como un plano trasero

para todos los switches conectados. La

información sobre la topología de la red y el

enrutamiento se actualiza constantemente a

través del plano trasero. Todos los miembros

de la pila tienen acceso completo al ancho de

banda del plano trasero. La pila se administra como una unidad única a través de un switch

maestro, que se elige entre la pila de switches

miembro.

Cada switch de la pila tiene la capacidad de

comportarse como maestro o subordinado en

la jerarquía. El switch maestro se elige y funciona como centro de control de la pila.

Los subordinados funcionan como

procesadores de reenvío. A cada switch se le

asigna un número. Es posible unir hasta nueve

switches individuales. Es posible agregar o

quitar switches de la pila sin afectar a su rendimiento.

Cada pila de switches Serie Catalyst 3750 de

Cisco posee una sola dirección IP y se

administra como un objeto único. La

administración de esta IP única se aplica a

actividades tales como identificación de fallas, creación y modificación de LAN virtuales

(VLAN), seguridad y controles QoS. Cada

pila tiene un solo archivo de configuración,

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que se distribuye a cada miembro de la pila. Esto permite que todos los switches de la pila compartan la misma topología

de red, dirección Media Access Control (MAC) e información de enrutamiento.

La funcionalidad de interconexión de pilas

La tecnología StackWise de Cisco une hasta nueve switches Cisco Catalyst 3750 individuales en una sola unidad mediante

cables especiales para interconexión de pilas y software especializado. La pila se comporta como una unidad de switching

única que se administra a través de un switch maestro elegido de entre los switches miembro. El switch maestro crea y

actualiza automáticamente todo el switching y las tablas opcionales de enrutamiento. Una pila activa puede admitir nuevos miembros o eliminar los ya existentes sin interrupción en el servicio.

Flujo bidireccional

Para equilibrar la carga del tráfico de manera eficiente, los paquetes se asignan entre dos rutas lógicas que giran en sentidos

opuestos. Cada ruta de giro opuesto admite 16 Gbps de tráfico para un total de 32 Gbps. Las colas de salida calculan el uso

de las rutas para asegurar que la carga de tráfico se divida equitativamente.

Cada vez que una trama está lista para ser transmitida a la ruta, se realiza un cálculo para estimar qué ruta tiene mayor ancho de banda disponible. La trama completa se copia sobre esta mitad de la ruta. El tráfico se atiende según su clase de

servicio (CoS) o designación de punto de código de servicios diferenciados (DSCP, por sus siglas en inglés). Se asigna

prioridad al tráfico de baja latencia.

Cuando se detecta una interrupción en un cable, el tráfico inmediatamente hace un bucle a través de la única ruta de 16

Gbps que queda para continuar con el reenvío.

Para agregar o quitar switches de las pilas en línea

Es posible agregar o quitar switches de una pila activa sin afectar el rendimiento del plano trasero. Cuando se agrega un

switch nuevo, el switch maestro automáticamente configura la unidad con la configuración y la imagen de software Cisco

IOS® actualmente en ejecución en la pila. La pila recopilará información tal como los datos de las tablas de switching y

actualizará las tablas MAC a medida que surjan nuevas direcciones. No es necesario que el administrador de la red ejecute

ninguna acción para preparar el switch antes de que esté listo para funcionar. Del mismo modo, es posible quitar switches

de una pila activa sin provocar ningún efecto en la operación del resto de los switches. Cuando la pila detecta que falta una serie de puertos, actualiza esta información sin afectar el reenvío ni el enrutado.

Enlace físico con guirnalda

Los switches se conectan físicamente mediante una guirnalda como se muestra en la figura 2. Si se produjera una

interrupción en cualquiera de los cables, el ancho de banda del anillo se reduciría a la mitad de su capacidad total. Los

mecanismos de temporización de menos de un segundo detectan problemas de tráfico y establecen inmediatamente una

recuperación. Este mecanismo restaura el flujo de doble ruta cuando los mecanismos de temporización detectan nueva

actividad en el cable.

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Figura 2

Cableado de la tecnología StackWise de Cisco resistente a fallas

Recuperación en menos de un segundo

Microsegundos después de la interrupción de una parte del anillo, todos los datos se conmutan a la mitad activa de la ruta

bidireccional (Figura 3).

Figura 3

Bucle de prueba después de interrupción del cable

Los switches supervisan continuamente la actividad y la correcta transmisión de datos en los puertos de la pila. Si las

condiciones de error superan cierto umbral o si no hay suficiente contacto electromagnético entre el cable y su puerto, el

switch que detecte esta situación envía un mensaje a su vecino más cercano al otro lado de la falla. Ambos switches desvían

todo su tráfico a la ruta útil que queda.

Administración de una sola dirección IP

La pila recibe una sola dirección IP como parte de la configuración inicial. Después de que se crea la dirección IP de la pila,

los switches físicos enlazados a esta dirección pasan a formar parte del grupo de switches maestro. Cuando se conecte a un

grupo, cada switch usará la dirección IP de la pila. Cuando se elige un maestro nuevo, usa esta dirección IP para continuar

interactuando con la red.

Puerto ASICFalta cable

Bucles de prueba

Puerto ASIC Puerto ASIC

Puerto ASIC Puerto ASIC Puerto ASIC

Puerto ASIC Puerto ASIC Puerto ASIC

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Creación y modificación de pilas

Las pilas se crean cuando se unen los switches individuales con cables para pilas. Cuando los puertos de la pila detectan

actividad electromecánica, cada puerto comienza a transmitir información sobre su switch. Cuando se conoce todo el

conjunto de switches, la pila elige a uno de los miembros para que sea el switch maestro, que será responsable de mantener

y actualizar los archivos de configuración, la información de enrutamiento y otros datos de la pila. Toda la pila tendrá una sola dirección IP que utilizarán todos los switches.

Redundancia de switch maestro 1:N

La redundancia de switch maestro 1:N permite que cada miembro de la pila pueda funcionar como maestro y, de esta

manera, brindar la máxima fiabilidad de reenvío. Cada switch de la pila puede actuar como maestro y crear un esquema de

disponibilidad de N+1 para controlar la red. En el poco probable caso de que falle una unidad individual, el resto de las

unidades continúan enviando tráfico y funcionando.

Elección del switch maestro

La pila se comporta como una unidad de switching única que se administra a través de un switch maestro elegido de entre

los switches miembro. El switch maestro crea y actualiza automáticamente todo el switching y las tablas opcionales de

enrutamiento. Cualquier integrante de la pila puede pasar a ser el switch maestro. Una vez realizada la instalación, o

reiniciada toda la pila, se lleva a cabo el proceso de elección entre los switches de la pila. La elección se realiza conforme a

una jerarquía de criterios de selección.

1. Prioridad de usuario: el administrador de la red puede elegir el switch que funcionará como maestro.

2. Prioridad de hardware y software: se elegirá de manera predeterminada la unidad con el mayor conjunto de funciones.

Los switches Catalyst 3750 con versiones Enhanced Multilayer Software Image (EMI) prevalecen sobre las versiones

Standard Multilayer Software Image (SMI).

3. Configuración predeterminada: si un switch ya cuenta con información de configuración, prevalecerá sobre los switches

que no hayan sido configurados.

4. Tiempo de funcionamiento: se elige el switch que haya estado en funcionamiento por más tiempo.

5. Dirección MAC: cada switch notifica su dirección MAC a todos sus vecinos para fines comparativos. Se elige el switch

con la dirección MAC más baja.

Actividades del switch maestro

El switch maestro funciona como punto principal de contacto para funciones IP, por ejemplo, sesiones de Telnet, pings, interfaz de línea de instrucciones (CLI, por sus siglas en inglés) e intercambio de información de enrutamiento. El maestro

es responsable de descargar las tablas de reenvío a cada uno de los switches subordinados. Las tareas de enrutamiento de

multidifusión y unidifusión se implementan desde el maestro. La información de configuración de lista de control de acceso

(ACL, por sus siglas en inglés) y QoS se distribuye desde el maestro a los subordinados. Cuando se agrega un switch

subordinado o se quita uno ya existente, el switch maestro emitirá una notificación de este suceso y todos los switches

subordinados actualizarán sus tablas en tal sentido.

Información de topología de red compartida

El switch maestro es responsable de recopilar y mantener la información correcta de enrutamiento y configuración.

Mantiene actualizada esta información al enviar periódicamente copias o actualizaciones a todos los switches subordinados

de la pila. Cuando se elige un maestro nuevo, vuelve a aplicar la configuración vigente en el maestro anterior para asegurar

la continuidad de usuario y red.

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Actividades del switch subordinado

Cada switch posee tablas para guardar sus propias direcciones MAC locales así como tablas para las otras direcciones MAC

de la pila. El switch maestro conserva tablas de todas las direcciones MAC informadas a la pila. El switch maestro crea un

mapa de todas las direcciones MAC de la pila completa y lo distribuye a todos los subordinados. Cada uno de los switches

identifica a cada puerto de la pila. Esto elimina los procesos de notificación repetitivos y crea una infraestructura de switching mucho más rápida y eficiente para el sistema.

Los switches subordinados mantienen sus propios árboles de extensión para cada VLAN que admiten. El switch maestro

conserva una copia de todas las tablas de árboles de extensión de cada VLAN en la pila. Cuando se agrega o se quita una

VLAN, todos los switches existentes recibirán una notificación de este evento y actualizarán sus tablas en tal sentido.

Los switches subordinados esperan recibir copias de las configuraciones actuales del switch maestro y comienzan a

transmitir los datos después de recibir la información más actualizada. Esto asegura que todos los switches usen sólo la información más actual y que se use sólo una topología de red para las decisiones de reenvío.

Varios mecanismos para mayor disponibilidad

La tecnología StackWise de Cisco admite diversos mecanismos para facilitar una alta tolerancia a las fallas en la pila.

• Tecnología CrossStack EtherChannel®: varios switches en una pila pueden crear una conexión EtherChannel. La

pérdida de un switch individual no afectará la conectividad de los demás switches.

• Rutas de igual costo: los switches admiten conexión doble a diferentes enrutadores con fines de redundancia.

• Redundancia de switch maestro 1:N: cada switch de la pila puede funcionar como maestro. Si el maestro actual falla,

se elige otro maestro de la pila.

• Cable para pilas resistente a fallas: cuando se produce una interrupción en el bucle bidireccional, los switches

automáticamente comienzan a enviar información a través de la mitad del bucle que todavía permanece intacta. Si se

usan los 32 Gbps del ancho de banda, los mecanismos QoS controlarán el flujo de tráfico para mantener el flujo del

tráfico sensible a la latencia y a las demoras a la vez que regulan el tráfico de menor prioridad.

• Agregado y eliminación en línea: es posible agregar y quitar switches sin afectar el rendimiento de la pila.

• Reenvío distribuido de Layer 2: en el caso de que se produzca una falla en el switch maestro, los switches individuales

continuarán enviando información conforme a las últimas tablas que recibieron del maestro.

• RPR+ para tolerancia ante fallas de Layer 3: cada switch se inicializa con funcionalidad de enrutamiento y está

preparado para que se lo elija como maestro, si el switch maestro actual falla. Los switches subordinados no se

reinician de manera que el reenvío de Layer 2 pueda continuar sin interrupciones.

Reenvío de Layer 2 y Layer 3

La tecnología StackWise de Cisco presenta un innovador método de administrar el reenvío de Layer 2 y Layer 3. El reenvío

de Layer 2 se realiza en modo distribuido. El Layer 3 se realiza en modo centralizado. De esta manera se logra la máxima

resistencia a las fallas y la mayor eficiencia posible en las actividades de enrutamiento y switching en la pila.

Continuidad en el reenvío durante cambio de switch maestro

Cuando un switch maestro deja de estar activo y mientras se elige uno nuevo, la pila sigue en funcionamiento. La

conectividad de Layer 2 sigue sin verse afectada. El nuevo maestro utiliza su tabla de unidifusión de reserva en caliente para

continuar procesando el tráfico de unidifusión. Las tablas de multidifusión y las de enrutamiento se vacían y se vuelven a

cargar para evitar bucles.

Arquitectura de alta disponibilidad para resistencia del enrutamiento con RPR+

El mecanismo utilizado para obtener la máxima disponibilidad de enrutamiento durante el cambio de maestros se denomina Redundancia de procesador de enrutamiento + (RPR+). Se utiliza en los routers Serie 12000 y 7500 de Cisco y en los

switches Catalyst® Serie 6500 para máxima disponibilidad. Todos los switches subordinados con funcionalidad de

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enrutamiento se inicializan y están listos para asumir este tipo de funciones si el maestro falla. Todos los switches

subordinados se inicializan completamente y se conectan al maestro. Los subordinados tienen direcciones de interfaz

idénticas, tipos de encapsulación, y servicios y protocolos de interfaz. Los switches subordinados reciben e integran

continuamente la información de configuración sincronizada que envía el maestro actual y supervisan su disponibilidad

para operar a través de la ejecución continua de autoevaluaciones. El restablecimiento de las rutas y los enlaces es más rápido que en los dispositivos normales de Layer 3, ya que se prescinde del tiempo necesario para inicializar las interfaces

de enrutamiento.

Incorporación de miembros nuevos

Cuando una pila de switching ha establecido un switch maestro, cualquier switch nuevo que se agregue posteriormente se

convierte automáticamente en subordinado. Toda la información actual sobre direcciones y enrutamiento se descarga al

subordinado de manera que pueda comenzar a transmitir tráfico inmediatamente. Sus puertos se identifican con la dirección IP del switch maestro. La información global, como por ejemplo los parámetros de la configuración QoS, se descarga al

nuevo subordinado.

Las imágenes de Cisco IOS deben ser idénticas

La tecnología StackWise de Cisco exige que todas las unidades de la pila ejecuten la misma versión del software Cisco IOS.

No obstante, cuando la pila se crea por primera vez, las unidades pueden tener versiones SMI y EMI diferentes.

Automáticamente las versiones EMI pasarán a ser los switches maestros, de manera que la pila pueda usar funciones de enrutamiento. Sin embargo, la primera vez que usted actualice la edición del software Cisco IOS, será necesario que todas

las unidades ejecuten la misma versión de SMI o EMI que el switch maestro.

Actualización o desactualización automática del software Cisco IOS del switch maestro

Cuando se agrega un nuevo switch a una pila existente, el switch maestro se comunica con éste para determinar si la imagen

Cisco IOS es la misma que la de la pila. Si es la misma, el switch maestro envía la configuración de la pila al dispositivo y

los puertos se activan en línea. Si la imagen Cisco IOS no es la misma, se dará una de las siguientes tres situaciones:

1. Si la imagen Cisco IOS que se ejecuta en la pila admite el hardware del nuevo switch, el maestro descargará de manera

predeterminada la imagen Cisco IOS de la memoria flash del maestro al nuevo switch, y enviará la configuración de pila y pondrá al switch en línea.

2. Si la imagen Cisco IOS que se ejecuta en la pila admite el hardware del switch nuevo y el usuario ha configurado un

servidor Trivial File Transfer Protocol (TFTP) para las descargas de Cisco IOS; entonces, el maestro automáticamente descargará la imagen Cisco IOS del servidor TFTP al nuevo switch, lo configurará y luego lo pondrá en línea.

3. Si la imagen Cisco IOS que se ejecuta en la pila no admite el hardware del nuevo switch, el maestro asignará al nuevo switch el estado de suspendido, notificará al usuario sobre la incompatibilidad de las versiones y esperará hasta que el

usuario actualice el maestro a una imagen de Cisco IOS que admita ambos tipos de hardware. Posteriormente, el

maestro actualizará el resto de la pila a esta versión, incluyendo al nuevo switch y pondrá la pila en línea.

Las actualizaciones se aplican a todos los dispositivos de la pila

Dado que la pila de switches se comporta como una sola unidad, las actualizaciones se aplican en forma universal a todos

los miembros de la pila en el acto. Esto significa que si una pila original contiene funciones EMI y SMI en los diferentes switches, la primera vez que se aplique una actualización del software Cisco IOS, todas las unidades de la pila adoptarán

las características de la imagen aplicada. Si bien esto aumenta la eficiencia para agregar funcionalidad a la pila, es

importante asegurarse de que se hayan adquirido todas las licencias de actualización respectivas antes de que las unidades

se actualicen de la función SMI a la EMI. De lo contrario, tales unidades violarán la política del software Cisco IOS.

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Multidifusión y unidifusión inteligentes: un paquete, muchos destinos

La tecnología StackWise de Cisco emplea un mecanismo de máxima eficiencia para transmitir tráfico de unidifusión y

multidifusión. Cada paquete de datos se coloca en el anillo sólo una vez. Esto incluye a los paquetes multidifusión. Cada

paquete de datos tiene un encabezado de 24 bytes con una lista de actividades para el paquete, así como un designador QoS.

La lista de actividades especifica el destino o destinos de puerto y qué se debe hacer con el paquete. En el caso de multidifusión, el switch maestro identifica qué puertos recibirán una copia de los paquetes y agrega un índice de destino

para cada puerto. Una copia del paquete se coloca en el anillo. Cada puerto de switch que posee una de las direcciones de

índice de destino copia entonces este paquete. Se crea un mecanismo mucho más eficiente para que la pila reciba y

administre información de multidifusión (Figura 4).

Figura 4

Comparación de multidifusión normal en switches apilables y multidifusión inteligente en switches Serie Catalyst 3750 de Cisco con tecnología Cisco StackWise

Mecanismos QoS

QoS brinda control granular donde el usuario se relaciona con la red. Esto es de particular importancia en el caso de las

redes que migran a aplicaciones de convergencia donde es esencial el tratamiento diferencial de la información. QoS también

es necesario para la migración a velocidades de Gigabit Ethernet, donde se debe evitar la congestión.

QoS aplicado en el nivel periférico

La tecnología Cisco StackWise admite cuatro colas de ingreso de asignación cíclica compartida o con forma. Es posible compartir o dar forma a cualquier cola. También es posible dar forma al resultado de salidas globales. El administrador de

redes puede controlar cada una de las cuatro colas para asignarles prioridad y definir la proporción de ancho de banda que

podrá usar cada cola. El estado predeterminado es compartir todas las colas.

Cuando las colas se configuran como compartidas, se definen como un porcentaje. Por ejemplo: la cola uno representa el

50 por ciento, la cola dos representa el 30 por ciento, la cola tres representa el 20 por ciento y la cola cuatro, el 10 por ciento.

DA1DA2

DA3

Fuente

SA1

Destino

DA1

DA2

DA3

SA2

1 MiCast = 1 paquete

N destinos = 1 paquete en anillo

multidifusión inteligente - Implementación de Catalyst 3750

DA1DA2

DA3

Fuente

SA1

Destino

DA1

SA2

N destinos = N paquetes en anillo

multidifusión normal

Fuente

SA1

Destino

DA2

Fuente

SA1

Destino

DA3

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Cuando las colas se configuran con forma, se definen en términos de ancho de banda. Por ejemplo: la cola uno equivale a

10 MB, la cola dos, a 40 MB, la cola tres, a 30 MB y la cola cuatro equivale a 20 MB. Si una de las colas no usa todo el

ancho de banda asignado, las otras pueden usar el recurso de esa cola, si están sobrepasando su propio límite. La suma de

los totales de ancho de banda no puede sobrepasar la tasa de línea máxima del puerto.

El tráfico de control del switch usa una de las cuatro colas disponibles. El administrador de red puede configurar cuál de las colas se utilizará para administrar este tráfico.

Es posible configurar las colas individuales para que admitan límites de recuento por byte o por trama.

La figura 5 muestra colas con forma y compartidas.

Figura 5

Comparación entre colas con forma y compartidas

Compatibilidad con tramas gigantes

La tecnología Cisco StackWise admite tramas gigantes granulares de hasta 9 KB en los puertos de cobre 10/100/1000.

Redes VLAN inteligentes

La operación de la red VLAN es la misma que la operación de multidifusión. Si el maestro detecta que la información está

destinada a varias redes VLAN, crea una copia del paquete con muchas direcciones de destino. Esto permite la máxima

efectividad de uso del plano trasero de switching (Figura 6).

C1

C2

C3

C4

ti

Hora

SalidaSRR

Colas con forma

C1

C2

C3

C4

Hora

SalidaSRR

Colas compartidas

t4 t3 t2 t1 t1

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Figura 6

Operaciones de red VLAN inteligente

Conexiones EtherChannel entre pilas

Dado que todos los puertos de una pila se comportan como una unidad lógica, la tecnología EtherChannel puede operar

entre varios dispositivos físicos de la pila. El software Cisco IOS puede incorporar hasta ocho puertos físicos individuales

de cualquier switch de la pila en un enlace ascendente de canal lógico. Se admiten hasta 12 grupos de EtherChannel en una pila.

Administración

Es posible administrar los productos con tecnología Cisco StackWise™ con la interfaz de línea de instrucciones (CLI, por

sus siglas en inglés) o con los paquetes de administración de red. El software Cisco Cluster Management Suite (CMS) ha

sido creado para administrar específicamente los switches apilables de Cisco. Los asistentes especiales para las unidades de

pilas del software de Cisco CMS permiten al administrador de la red configurar todos los puertos de una pila con el mismo perfil. Los asistentes predefinidos para funciones de datos, voz, video, multidifusión, seguridad y enrutamiento entre redes

VLAN permiten que el administrador de la red establezca todas las configuraciones de puertos en el acto.

También es posible administrar la tecnología Cisco StackWise™ con CiscoWorks.

Resumen

La tecnología Cisco StackWise™ le permite aumentar la continuidad y la flexibilidad en las limitaciones de su red para

abrirse a la evolución en cuanto a velocidad y convergencia de aplicaciones.

DA3

SA1

DA1DA2

Fuente

SA1

Destino

DA1

DA3

VLAN 1

VLAN 2

1 VLAN = 1 paquete

N Destinos = 1 paquete en anillo

VLAN inteligente

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