スパニングツリープロトコル(STP)とは

すぱにんぐつりーぷろとこる

Spanning Tree Protocolの略。スイッチを冗長な経路でつないだネットワークで、一部のポートを論理的にブロックしてループのない木の形にし、ブロードキャストストームを防ぐプロトコル(IEEE 802.1D)。使っている経路が切れると、ブロックしていたポートを使って経路を切り替える。切り替えを速くした改良版がRSTP(ラピッドスパニングツリープロトコル)。

「スパニングツリープロトコル(STP)」は、1分野の5問の練習問題に出てきます(ネットワークの設計と運用など)。

この用語の分野: ネットワークの設計と運用

なぜループが問題になるのか

イーサネットのフレームには、IPのTTLのように通過の回数を数えて捨てるしくみがありません。そのため、スイッチをループ状につなぐと、ブロードキャストや宛先の分からないフレームがループを回り続け、スイッチが流すたびに増えていきます(ブロードキャストストーム)。同じ送信元のフレームが別々のポートから届くので、MACアドレステーブルの学習も乱れます。一方で、1本のリンクや1台のスイッチの故障で通信が止まらないよう、経路は冗長にしておきたいので、物理的なループは残したまま、論理的にループを断ち切るSTPが使われます。

ルートブリッジとポートの役割

STPでは、スイッチどうしがBPDUというメッセージを交換し、まずブリッジID(優先度とMACアドレス)が最も小さいスイッチをルートブリッジに選びます。ほかのスイッチは、ルートブリッジまでのパスコストが最も小さいポートをルートポートにします。各リンクでは、ルートブリッジに近い側のポートが指定ポートになり、ルートポートでも指定ポートでもないポートがブロックされます。パスコストはリンクが速いほど小さい値で、コストが同じときはブリッジIDなどの比較で決まります。

RSTPと複数のVLAN

従来のSTPは、タイマーを待ちながらポートを転送の状態に進めるので、障害の後の切り替えに30〜50秒ほどかかりました。RSTP(IEEE 802.1wとして作られ、のちに802.1Dに統合)は、隣り合うスイッチどうしの提案と合意のやり取りや、あらかじめ決めておく代替ポートによって、多くの場合数秒以内に切り替えます。VLANのグループごとに別の木を作れるMSTP(マルチプルスパニングツリー)を使うと、VLANによって使うリンクを分け、冗長なリンクも活用できます。

スパニングツリープロトコル(STP)の練習問題に挑戦

スイッチを冗長な経路でつないだネットワークで、スパニングツリープロトコル(STP)が果たす役割として正しいものはどれか。

  1. A一部のポートを論理的に止めて、ループのない木の形の経路にし、ブロードキャストのフレームが回り続けるのを防ぐ
  2. Bスイッチの間の複数のリンクにフレームを均等に振り分けて、帯域を増やす
  3. C異なるVLANの間でフレームを中継して、VLANどうしが通信できるようにする
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正解:A. 一部のポートを論理的に止めて、ループのない木の形の経路にし、ブロードキャストのフレームが回り続けるのを防ぐ

スイッチをループ状につなぐと、ブロードキャストや宛先の分からないフレームがループを回り続けて増え(ブロードキャストストーム)、ネットワークが止まってしまいます。イーサネットのフレームには、IPのTTLのように通過の回数を数えて捨てるしくみがないためです。STPは、スイッチどうしでBPDUというメッセージを交換し、ルートブリッジを根とする木の形になるように一部のポートをブロックします。使っているリンクが切れると、ブロックしていたポートを転送の状態にして、別の経路に切り替えます。

STPで、3台のスイッチのブリッジIDが次のように分かっている。SW1は優先度32768、MACアドレス 00-00-5E-00-53-01、SW2は優先度61440、MACアドレス 00-00-5E-00-53-05、SW3は優先度4096、MACアドレス 00-00-5E-00-53-0A である。ルートブリッジに選ばれるスイッチはどれか。

  1. ASW1
  2. BSW2
  3. CSW3
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正解:C. SW3

STPでは、ブリッジIDが最も小さいスイッチがルートブリッジになります。ブリッジIDは、優先度を上位に、MACアドレスを下位に並べた値なので、まず優先度を比べ、同じときだけMACアドレスを比べます。ここでは優先度が最も小さい4096のSW3が、MACアドレスにかかわらずルートブリッジになります。優先度の既定値は32768で、何も設定しないとMACアドレスの最も小さいスイッチが選ばれてしまうので、中心に置くスイッチの優先度を小さく設定しておくのが一般的です。

よくある質問

STPがあればループの心配はいりませんか?

STPは、BPDUをやり取りするスイッチどうしでできたループを防ぎますが、STPを無効にしたポートや、BPDUを扱わない機器でできたループは防げません。端末をつなぐポートでBPDUを受け取ったらそのポートを止める機能や、ブロードキャストの量を制限する機能と組み合わせて使うのが一般的です。

STPでブロックされたリンクは無駄になりませんか?

1つの木では、ブロックされたリンクは待機用になり、ふだんは通信に使われません。リンクの帯域も使いたい場合は、複数のリンクを1本に束ねるリンクアグリゲーション(STPからは1本のリンクに見えます)や、VLANごとに木を分けるMSTP、L3でルーティングする構成などを使います。

解説の中の「スパニングツリープロトコル(STP)」

「スパニングツリープロトコル(STP)」が出てくる問題(5問)

  1. スイッチを冗長な経路でつないだネットワークで、スパニングツリープロトコル(STP)が果たす役割として正しいものはどれか。
  2. STPで、3台のスイッチのブリッジIDが次のように分かっている。SW1は優先度32768、MACアドレス 00-00-5E-00-53-01、SW2は優先度61440、MACアドレス 00-00-5E-00-53-05、SW3は優先度4096、MACアドレス 00-00-5E-00-53-0A である。ルートブリッジに選ばれるスイッチはどれか。
  3. 3台のスイッチSW1、SW2、SW3を、互いに1本ずつのリンクで三角形につないだ。STPのルートブリッジはSW1で、ブリッジIDはSW2の方がSW3より小さい。どのリンクもパスコストは同じとする。ブロックされる(フレームを転送しない)ポートはどれか。
  4. 従来のSTP(IEEE 802.1D)は、既定のタイマーのままでは、障害の後にブロックされていたポートが転送を始めるまでに30〜50秒ほどかかる。RSTPが切り替えを速くしたしくみとして正しいものはどれか。
  5. 2台のスイッチの間の1 Gbpsのリンク4本を、リンクアグリゲーションで1本の論理的なリンクに束ねた。フレームは、送信元と宛先のアドレスやポート番号の組み合わせ(フロー)ごとに、どのリンクで送るかを決める一般的な方式で振り分ける。1つのTCPコネクションで得られるスループットの上限に最も近いものはどれか。

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