とことこロゴス
スパニングツリープロトコル
スイッチ間でBPDUという制御フレームを交換し、一部のポートでデータの転送を止めてレイヤ2のループを防ぐプロトコルである。物理的な予備経路を残しつつ、転送に使う経路をループのない木構造にする。
イマシルちゃんの解説
スイッチ3台を三角形につなぐと、1本のケーブルが切れても予備経路を残せるよ。
でも輪のような経路であるループがあるまま転送すると、全員宛てのブロードキャストフレームなどが回り続け、通信を妨げることがあるんだ。
スパニングツリープロトコル（STP）は、こうしたレイヤ2のループを防ぐプロトコルだよ。
スイッチどうしが構成を知らせるBPDUという制御フレームを交換するんだ。
その情報を基に、一部のポートをデータ転送を止めるブロッキング状態にして、転送経路からループをなくすよ。
ケーブル自体はつないだままだから、使用中の経路が故障したら構成を見直して、使える予備経路へ切り替えられるんだ。
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より深い解説
どんな役割を持つか
STPは、OSI基本参照モデルのデータリンク層（第2層）で働く。L2スイッチが制御フレームを交換し、ループにならない転送経路を選ぶプロトコルである。
メリット：物理的な予備経路を残しながら、フレームがループすることを防げる。
弱点：転送を止めたリンクは平常時の通信に使えず、障害後の経路切り替えも遅い。
ループを放置すると、ブロードキャストフレームなどが循環・増加するブロードキャストストームや、MACアドレステーブルの学習先が頻繁に変わる問題が起こる。
構成図から転送経路を決める
以下は同じVLANに属するPC-BとPC-Cを、スイッチB・Cへつないだ例である。スイッチ間の3本のリンクはすべてパスコスト10とする。パスコストは経路を選ぶための重みであり、小さい経路ほど優先する。
実線：転送に使用 破線：停止・断線 ×：転送できない側
各スイッチはBPDU（Bridge Protocol Data Unit）をやり取りする。BPDUには、根になる機器の識別値（ルートID）、そこまでの合計コスト（ルートパスコスト）、送信元のブリッジIDやポートIDなどが入る。
- 優先度とMACアドレスなどで構成されるブリッジIDを比べ、最小のAをルートブリッジに選ぶ。
- BとCは根への最小コストの経路を探し、Aへ向かうポートをそれぞれルートポートに選ぶ。直結なら10、相手を経由すると20になる。
- 各リンクで根までの経路を最も有利に通知できる指定ポートを選ぶ。B–Cでは両側のコストが同じなので、識別値が小さいB側を選ぶ。C側はどちらの役割にも選ばれず、予備経路として残る。
ブリッジIDの比較では、まずブリッジプライオリティが小さい機器を優先する。同じVLAN・インスタンスで優先度も同じなら、MACアドレスが小さい機器を選ぶ。ルートポートと指定ポートのどちらにも選ばれなかったポートを、従来のSTPでは非指定ポートと呼び、通常のデータ転送を止める。経路コストが等しい場合も、送信元のブリッジIDやポートIDなどを順に比較して一意に決める。
図のAは自分自身が根なので、根までのコストは0である。Aから別々のスイッチへつなぐ各リンクではA側が最も有利な情報を通知でき、どちらも指定ポートになる。根への入口を選ぶルートポートは、根以外のスイッチにある。
そのためPC-BからPC-Cへのフレームは、B → A → Cの順に届く。B–Cのケーブルは抜かれていない。C側の停止したポートでもBPDUを受け取れるため、経路の変化に備えられる。
5つの状態から障害時の動きを理解する
従来型STPのポートには5つの状態がある。ただし、5つをすべて順番に通るわけではない。ここでは図のCの2つのポートに注目すると、それぞれの違いが分かる。
平常時、CのB向けポートはブロッキングで待機する。B–Cのケーブルはつながっているが、通常のフレームは転送せずMACアドレスも学習しない。一方、BPDUは受信できるため、Bを通る予備経路の情報は持ち続けられる。
ここでA–Cのケーブルが切れたとする。CのA向けポートはリンクそのものが使えなくなり、ディスエーブルドになる。ブロッキングは「接続は生きているがループ防止のため転送しない状態」、ディスエーブルドは「リンクダウンや管理上の無効化などでSTPに参加しない状態」である。 この2つは、通常のデータを転送しない点は同じでも原因が異なる。
CはB経由なら根のAへ到達できるため、B向けポートを新しいルートポートに選ぶ。しかし、いきなり転送を始めると古い経路情報によってループが発生するおそれがある。そこで、このポートは次の順に転送へ向けて準備する。
まずリスニングに入り、BPDUを処理しながら構成が落ち着くのを待つ。この段階では通常のフレーム転送もMACアドレスの学習もしない。続くラーニングではMACアドレスの学習だけを始めるが、データフレームの転送はまだ止めておく。最後にフォワーディングへ進むと、MACアドレスの学習に加えて通常のデータフレームも転送できる。
つまりCのB向けポートは、待機中のブロッキングからリスニング → ラーニング → フォワーディングへと移る。リスニングとラーニングの決定的な違いは、通常のデータ転送はどちらも行わないが、後者ではMACアドレスを学習できることである。 一方、断線したA向けポートのディスエーブルドは、この転送再開の4段階には含まれない。
切り替え後の経路と所要時間
転送を再開すると、PC-BからPC-CへのフレームはB → Cへ直接届く。Cの根までのパスコストは10＋10＝20になる。
実線：転送に使用 破線：停止・断線 ×：転送できない側
リスニングとラーニングの待機時間は標準でそれぞれ15秒なので、情報の失効待ちが不要なら切り替えまで約30秒かかる。古いBPDUの有効期限である最大エージ（標準20秒）を待つ場合には、合計で約50秒になる。すべての障害で必ず50秒待つわけではない。
経路が変わるとTCN BPDUで根へ変更を通知し、根からは構成BPDUのTCフラグなどで変更を伝える。古いMACアドレス学習情報が残り続けないようにするためである。
従来型STPでは、この通知に応じてMACアドレステーブルの動的エントリーのエージング時間を短くする。標準的な動作では転送遅延の値を使うため、古い経路で学習した情報を早く失効させ、新しい経路から学び直せる。「通知を受けた瞬間に、全装置の全エントリーを一律に消す」という動作とは区別する。RSTPは構成変更の検出・伝達や対象ポートの情報消去の仕組みも改良している。
後継プロトコルでは何が改善されたか
- RSTP：STPの遅い切り替えを改善した方式。ポート状態をディスカーディング・ラーニング・フォワーディングの3種類に整理し、隣接スイッチとの情報交換などによって条件が整えば速やかに切り替える。ループを防ぐという目的は変わらない。
- MSTP：複数のVLANをグループ化して複数のスパニングツリーへ割り当てる方式。VLANグループごとに異なる転送経路を使えるため、停止させるリンクを分散できる。高速収束の仕組みはRSTPを基礎とする。
STPの理解で重要なのは、「どの機器が根になるか」「どのポートが転送を止めるか」「断線後にどの経路へ切り替わるか」を、構成図から説明できることである。