STP / Spanning Tree Protocol

■ STP。Spanning Tree Protocol。

  レイヤ2ネットワークでのネットワークループを論理的に遮断し、
  ブロードキャストストーム等の発生を防ぐプロトコル。
  IEEE 802.1dに規定されている。 

  STPが動作する網では、
  各ブリッジが相互にBPDU(Bridge PDU)メッセージを交換することで、
  常にネットワークをモニタしている。
  具体的には、2つの端末間を結ぶ複数の通信経路(ループ)を検出した場合、
  1つのインターフェースのみを生かして他の経路はすべて止めてしまう。
  この結果、あるMACブリッジを根元とするツリー状のネットワークを形成する。

  スパニングツリープロトコルでは、
  スパニングツリーアルゴリズムが使用されている。

  VLANごとに個別のスパニングツリーを形成することができる。

  スイッチは複数のスパニングツリーを保持できる。
  ブリッジはスパニングツリーを1つしか保持できない。

■ ブロードキャストストーム。Broadcast Storm。

  LANスイッチを使用してネットワークを拡張する際、
  冗長のため物理的にループする構成をとることがある。
  このようなネットワークでブロードキャストフレームが出た場合、
  永遠に転送（無限ループ）されて、
  網内にいつまでも残ってしまう（ブロードキャストストーム）。

  このように、多量のブロードキャストが同時に発生して、
  ネットワークの全帯域を使い、
  システムのタイムアウトを引き起こしている状態を
  ブロードキャストストームと言う。
  当然だが、ネットワークの状態としては好ましくない。

■ スパニングツリーの構成手順。

  (1) ネットワーク上で最も基本になるブリッジ(ルートブリッジ)を選択する。
      選択にはブリッジIDを使用する。

  (2) 各スイッチのポートの中で、
      ルートブリッジに最も近いポートをルートポートと決めて、
      転送状態にする。
      選択には、パスコストの合計値を使用する。

  (3) 各セグメントの中で、
      ルートブリッジに最も近いポートを代表ポートと決めて、
      転送状態にする。
      選択には、パスコストの合計値を使用する。

  (4) 上記以外のポートは使用しないようにブロックする。

  (5) ルートブリッジを頂点とする
      論理的なツリートポロジ(スパニングツリー)が生成される。

■ ルートブリッジの決定

  まずネットワーク全体のルートブリッジを決める必要がある。
  ルートブリッジは、各スイッチが持つブリッジIDによって決定する。
  ここでブリッジIDとは、プライオリティ値+MACアドレスのことである。

  (1) 最初に、プライオリティ値が一番小さいものを、
      ルートブリッジとして選出する。

  (2) プライオリティ値が同値の場合には、
      MACアドレス値が最も小さいものを、ルートブリッジとして決定する。

      ルートブリッジに選出されたブリッジは、2秒間隔でBPDUを送り、
      ループのないトポロジを維持する役割を持つ。

■ ルートポートの決定

  非ルートブリッジは、
  自分自身のルートポート(RP:Root Port)を決める必要がある。

  (1) ルートブリッジに直接接続されているポートがあれば、
      そのポートがルートポートになる。

  (2) 直接接続されているポートがない場合は、
      パスコストの合計が一番小さいポートを選ぶ
      (各パスのコスト値は、リンク帯域幅に依存する)。

  (3) パスコストが同値の場合は、ポート番号値が最小のポートになる。

  ルートポートは、フォワーディング状態(転送状態)にする。

■ 代表ポートの決定

  各セグメントごとに、
  代表ポート(DP:Designed Port)を決める必要がある。

  (1) ルートブリッジに直接接続されているポートがあれば、
      そのポートが代表ポートになる。
      このため、ルートブリッジでは全てのポートがDPになる。

  (2) ルートブリッジに直接接続されているポートがなければ、
      パスコストの合計が一番小さいポートを代表ポートに決める
      (各パスのコスト値は、リンク帯域幅に依存する)。

  代表ポートは、フォワーディング状態(転送状態)にする。

■ ポートのフォワーディングとブロッキング。

  (1) ルートポート(RP)と代表ポート(DP)は、
      すべてフォワーディング状態(転送状態)にする。

  (2) ルートポート(RP)以外、代表ポート(DP)以外のポートは、
      すべてブロッキング状態にする。NDPと呼ぶ。

  ルートブリッジに選出されたブリッジは、2秒間隔でBPDUを送り、
  ループのないトポロジを維持する役割を持つ。

  他のブリッジは、20秒間経過しても新規BPDUが受信されない場合は、
  STPの再計算が必要だと判断する。

■ コンバージェンス。収束。

  ネットワークの物理トポロジが変化した場合に、
  スパニングツリーが再構成されること。
  例えば、フォワーディングしているリンクに障害が発生した場合、
  自動的に冗長リンクに切り替わる。

  すべてのデバイスが同じ情報を共有するまで、
  データの転送は再開されないため、
  コンバージェンスに掛かる時間は短ければ短いほど良い。
  通常、コンバージェンスに至るまでの時間は、50秒かかる。

  数十台〜数百台の大規模ネットワークの場合は、
  きちんとした設計しないと、STPが収束できず、
  結果として網がダウンすることがある。

■ STPにおけるポート状態。

  コンバージェンスに際し、
  STPが稼動するブリッジやスイッチ上のポートは、
  下記の4種類の状態の間を遷移する。

  ブロッキング	BPDUに耳を澄ませている状態。
    ↓20秒
  リスニング	ルートブリッジへの別のパスを学習している状態。
    ↓15秒
  ラーニング	MACアドレステーブルの学習をしている状態。
    ↓15秒
  フォワーディング	 データの送受信ができる状態。

■ STPの再計算。



■ スパニングツリー高速再構成（高速STP） IEEE802.1w

  従来のスパニングツリープロトコルは、
  迂回路の切替に1分以上かかっていた。
  1分では多くのアプリケーションが通信異常と判断する。
  高速STPでは、あらかじめ迂回路を識別しておくことで、
  経路切替時間の短縮化を図る。
  切替時間は2〜3秒と大幅に小さくなる。

以上。

2004/03/24 pm