スパニングツリープロトコル（SPT）とは？
スパニングツリープロトコル（STP）は、ブリッジ接続されたイーサネットローカルエリアネットワーク（LAN）で、ループのないトポロジーを実現するネットワークプロトコルだ。つまりSTPは、ネットワークをより効率的に移動するための設計図や羅針盤の役割を果たす。
多くの島々を複雑な橋のネットワークで結んだ都市を想像してみよう。閉ループの形成を防ぐ設計図がなければ、トラフィックは終わりのない循環に巻き込まれ、都市全体で混乱と渋滞を引き起こすだろう。
同様に、STPはデータパケットがネットワークを通過する最適な経路を示し、ループの可能性を排除するとともに、ネットワーク機器間の効率的な通信を確保する。
スパニングツリープロトコルの仕組み
STPはブリッジプロトコルデータユニット（BPDU）を基盤としている。BPDUはLAN内の隣接スイッチ間で常に送受信され、そのフレームにはSTPに関するすべてのデータが含まれている。
BPDUを送信する際、スイッチは送信元ポートに関連付けられた固有の送信元MACアドレスを使用し、特定の宛先MACによって特徴付けられるマルチキャストアドレスを宛先とする。
ブリッジがネットワークに接続されたときやトポロジーが変化したときは必ず、ブリッジは設定を要求する特別なBPDUを受信する。
STPは階層構造で動作し、その基盤となるのがルートブリッジの確立だ。通常、ルートブリッジは最も小さいMACアドレスに基づいて自動的に選ばれる。これは最も古く、最も低速な機器であることが多いため、ルートブリッジを手動で選択したほうがよい場合もある。
ルートブリッジが決まると、ほかのすべてのスイッチがパスコストを計算する際の基準点になる。
パスコストは個々のリンクコストの累積値で決まり、値が小さいほど有利な経路を示す。
ルートブリッジが選択され、最小のパスコストが確定すると、ループの形成を防ぐために冗長な経路はブロッキング状態に置かれ、残りのアクティブな経路がデータトラフィックを円滑に流す。
STPが動作するすべてのブリッジとスイッチは802.1Dに準拠している。
STPの5つのポート状態
スパニングツリープロトコルの動作中、ネットワークスイッチのポートは5つの異なる状態を切り替わる。ループのないトポロジーを実現するため、それぞれに固有の役割がある。状態は、無効、ブロッキング、リスニング、ラーニング、フォワーディングだ。
- 無効：ポートは管理上シャットダウンされ、STPに参加しない。
- ブロッキング：ポートはBPDUを受信して処理するが、データフレームは転送せず、ループの形成を効果的に防止する。
- リスニング：ポートはルートブリッジと指定ポートの選出に積極的に参加し、受信したBPDUを処理するが、データフレームの転送は依然として行わない。
- ラーニング：データフレームの転送はまだ行わないが、受信した送信元アドレスに基づいてMACアドレステーブルを更新できるようになる。
- フォワーディング：この最終状態では、ポートは完全に動作し、データフレームの流れとBPDUの処理を可能にする。
STPの4つのモード
スパニングツリープロトコルには、ネットワーク管理者の多様な要件に対応する複数の動作モードがある。
- Common Spanning Tree（CST）：VLANの数にかかわらず、単一のSTPインスタンスでネットワーク全体をカバーする。CSTはシンプルだが、きめ細かな制御と柔軟性に欠ける。
- Per-VLAN Spanning Tree（PVST）：Cisco製デバイス独自の方式で、VLANごとに個別のスパニングツリーを作成できる。PVSTはより高度な制御を可能にする一方、リソース消費が増える。
- Per-VLAN Spanning Tree Plus（PVST+）：PVSTを拡張した方式で、IEEE 802.1Q規格を実装するCisco以外のデバイスとの相互運用を可能にする。
- Multiple Spanning Tree（MST）：複数のVLANを1つのスパニングツリーインスタンスにまとめられる非常に効率的なモードで、リソース使用量と管理の複雑さを軽減する。
STPの3つのタイマー
スパニングツリープロトコルの動作は3つの基本タイマーによって制御され、ネットワークの収束をタイムリーかつ効率的に実現する。
- Helloタイマー：ルートブリッジが隣接スイッチにBPDUを送信する間隔で、通常は2秒に設定される。
- Forward Delay：ポートがリスニング状態とラーニング状態にとどまってからフォワーディング状態へ移行するまでの時間で、デフォルト値は15秒。
- Max Age：スイッチがBPDUを保持する最大時間。これを超えると古い情報と判断して破棄する。デフォルトでは20秒に設定される。
STPを有効にする価値はあるか？
STPを有効にするかどうかは、企業ネットワークの具体的なニーズと目的によって決まる。STPは、ループやブロードキャストストームのリスクが差し迫っている冗長経路を持つ企業ネットワークで特に有用だ。一方、冗長性がほとんどない小規模ネットワークや、レイヤー3の境界が明確なネットワークでは、STPはそれほど重要ではない場合がある。
STPのメリット
スパニングツリープロトコルは、ネットワーク管理者にいくつかの重要なメリットをもたらす。
- ループ防止：STPの主な機能はループを排除し、安定したネットワークトポロジーを確保するとともに、ブロードキャストストームを防ぐことだ。
- 冗長性：ポートを選択的にブロックまたはブロック解除することで、STPは冗長経路を効率的に利用し、ネットワークの障害耐性を高める。
- 拡張性：STPは新しいスイッチやVLANの追加に対応し、必要に応じてネットワークトポロジーを動的に調整できる。
- ブリッジロジックの簡素化：STPはネットワーク内のすべてのトラフィックを把握するルートブリッジを確立し、効率的なデータ転送を実現することで、ブリッジロジックを簡素化する。
- バックアップ：また、メイン接続に技術的な問題が発生した際にアクティブになるバックアップも提供する。
STPのデメリット
メリットがある一方で、STPにはいくつかの制約と欠点もある。
- 収束時間：STPの収束は、特に大規模ネットワークでは比較的遅く、データトラフィックが一時的に中断する可能性がある。
- リンクの非効率な利用：ブロックされたポートはトポロジーが変化するまで非アクティブなままになるため、帯域幅が無駄になる。
- 複雑さ：STPの設定と管理は、複数のVLANやスパニングツリーインスタンスを持つネットワークでは特に複雑になり得る。
ラピッドスパニングツリープロトコル（RSTP）とは？
ラピッドスパニングツリープロトコル（RSTP）は、IEEE 802.1w規格で定義された、従来のSTPを発展させたプロトコルだ。
RSTPは、より高速な収束時間と効率の向上を実現することで、STPの欠点の一部に対処することを目的としている。代替ポートやバックアップポートなどの機能を導入することで、RSTPはネットワークトポロジーの変化に素早く対応し、収束時間を短縮するとともに中断を最小限に抑えられる。
STPに代わる技術はあるか？
STPとその派生方式はループ防止の一般的な選択肢であり続けているが、Shortest Path Bridging（SPB）やTransparent Interconnection of Lots of Links（TRILL）など、同様の目的を達成できる代替技術もある。
Shortest Path Bridging（SPB）
SPBは、IEEE 802.1aq規格に基づき、OSIレイヤー2とレイヤー3のプロトコルの利点を組み合わせ、ループ防止とネットワーク管理のためのシンプルで拡張性の高いソリューションを提供する。
SPBの主な特徴の1つは、ダイクストラ法を利用することだ。これは、重み付きグラフ内のノード間の最短経路を見つけるために設計された、グラフ理論に基づくアルゴリズムである。SPBはダイクストラ法を実装することで、スイッチ間の最適な経路を計算し、効率的なデータトラフィックの流れを確保しながら、ループのリスクも排除する。
さらにSPBは、同一コストの複数経路をサポートすることでネットワークの柔軟性と耐障害性を高め、ロードバランシングと障害耐性の向上を実現する。
Transparent Interconnection of Lots of Links（TRILL）
TRILLは、IETF RFC 6326規格に基づき、OSIモデルのレイヤー2で最短経路ルーティングプロトコルを使用し、マルチホップ環境をサポートする。任意のネットワークトポロジーで動作し、通常ならブロックされるリンクも利用でき、STPと同時に使用することも可能だ。実際、STPの後継として、同じRadia Perlmanが設計した。
TRILLの主なメリットは、STPを使用する場合にルーティングループ防止のため利用できないネットワーク容量を解放し、イーサネットフレームが宛先まで最短経路を通れるようにすることだ。その結果、ネットワークインフラをより効率的に利用でき、費用対効果も高まる。
こうしたメリットは、クラウドコンピューティング基盤を運用するデータセンターで特に重要だ。ハードウェア障害が発生した際の復旧時間が短いため、TRILLはSTPより安定しているとも考えられている。
結論：企業ネットワークでSTPを利用する
ループのないネットワークトポロジーを確保できるスパニングツリープロトコルは、ネットワーク管理者の重要な手段であり続けている。
STPには欠点もあるが、ラピッドスパニングツリープロトコルや代替技術の登場により、ネットワークの安定性と最適化を実現するための選択肢が増えている。
STPとその派生方式を十分に理解すれば、ネットワーク管理者はネットワークの可能性を最大限に引き出し、それぞれのネットワーク固有の要件に合った判断を下せるようになる。
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