【Cisco】 STPとは

2023年5月4日 13:55

STP（Spanning Tree Protocol）

ネットワーク内のループを防ぐことでブロードキャストストームを防ぐために使用されるプロトコル。

ブロードキャストストーム
大量のブロードキャストパケットがネットワーク上を循環し続ける現象。ブロードキャストパケットの急増によってネットワークの帯域幅が消費され、ネットワークパフォーマンスが大幅に低下する。

ルートブリッジ

スパニングツリーの中心に位置するスイッチで、ネットワーク上の他のスイッチとの通信の起点となります。ルートブリッジは、各スイッチが持つブリッジID（BID）に基づいて選出されます。ブリッジIDは、スイッチの優先度（デフォルトは32,768）とMACアドレスから構成され、最も低いBIDを持つスイッチがルートブリッジになります。

ルートポート

ネットワーク上の非ルートブリッジスイッチ（ルートブリッジ以外のスイッチ）が、ルートブリッジへの最短パスを持つポートです。ルートポートは、パスコストを最小にするように選ばれます。パスコストは、リンク速度に基づいて計算され、低速なリンクは高いコストが割り当てられます。各スイッチは、ルートブリッジへの最短パスを維持するために、1つのルートポートを持ちます。

指定ポート

スパニングツリー内の各ネットワークセグメント上で、他のスイッチとの通信を担当するポートです。指定ポートは、ルートポートと同様に、パスコストが最小になるように選ばれ

STPの流れ

ルートブリッジ選出

全てのスイッチから送られるBPDU（Bridge Protocol Data Unit）フレームを使用して、最も優先度の高いスイッチをルートブリッジとして選出します。優先度とMACアドレスの組み合わせで選出されます。

ルートポート選出

各スイッチは、ルートブリッジまでのコストが最小となるポートをルートポートとして選択します。コストは、伝送速度に基づく値です。

指定ポート選出

各セグメント上で、最もルートブリッジまでのコストが低いスイッチが指定ポートを選出します。指定ポートは、そのセグメントからルートブリッジへのパスを提供します。

ブロックされたポート

ルートポートと指定ポート以外のポートは、ブロック状態に遷移します。これにより、ループが形成されることを防ぎます。

ポート状態の遷移

Disabled

ポートが管理上の理由でシャットダウンされている状態。

Blocking

この状態では、ポートはスパニングツリーの構築に参加していますが、データフレームの転送は行われません。ポートはBPDU（Bridge Protocol Data Unit）を受信し、スパニングツリーの情報を更新します。ブロッキング状態にあるポートは、ループを回避するためにブロックされています。

Listening

ポートがルートブリッジや指定ポートに選出される可能性がある場合、リスニング状態に遷移します。この状態では、ポートはBPDUを受信し、送信しますが、データフレームの転送は行われません。リスニング状態は、スパニングツリーが安定化するまでの待機時間であり、通常は15秒（フォワーディングディレイタイマー）です。

Learning

リスニング状態の後、ポートはラーニング状態に遷移します。この状態では、ポートは依然としてデータフレームの転送を行いませんが、MACアドレステーブルへの学習が開始されます。ラーニング状態も通常15秒間（フォワーディングディレイタイマー）続きます。

Forwarding

ラーニング状態が終了すると、ポートはフォワーディング状態に遷移し、データフレームの転送が開始されます。この状態では、ポートはBPDUの受信と送信を続ける。

障害からの復旧例

スイッチ4つ構成で仮に1つのスイッチが障害を起こした場合を想定

スイッチAとスイッチBが接続
スイッチAとスイッチCが接続
スイッチBとスイッチCが接続
スイッチBとスイッチDが接続
スイッチCとスイッチDが接続

   [Switch A]
    /      \
[Switch B] [Switch C]
    \      /
   [Switch D]

スイッチAがルートブリッジです。スイッチBとスイッチCのポートはルートポートになります。スイッチDについては、スイッチB経由かスイッチC経由のいずれかが指定ポートになります。

収束

障害発生後、スイッチCはルートブリッジからのBPDUを受信できなくなります。Max Age（20秒）の時間経過後、スイッチCは現在の情報が古くなったと判断します。
スイッチCはスイッチD経由でスイッチA（ルートブリッジ）との接続を確立しようとします。このとき、スイッチCとスイッチDは、Listening状態（Forward Delayの15秒）とLearning状態（さらにForward Delayの15秒）を経る必要があります。
BPDUの伝播時間は、ネットワーク機器やリンクの速度に依存しますが、通常は数ミリ秒から数十ミリ秒程度です。ただし、この時間は状況によって異なります。

したがって、収束までの時間は、おおよそ 20秒（Max Age）+ 15秒（Forward Delay: Listening）+ 15秒（Forward Delay: Learning）+ BPDU伝播時間となります。この場合、合計約50秒（＋BPDU伝播時間）が収束までにかかる時間となります。