スパニングツリープロトコルのループ保護

ループ保護はどのように機能しますか?

スパニング ツリー トポロジーのループフリー ネットワークは、BPDU(ブリッジ プロトコル データ ユニット)と呼ばれる特殊なタイプのフレームの交換によってサポートされます。スイッチ インターフェイス上で実行されているピア STP アプリケーションは、BPDU を使用して通信します。最終的に、BPDU の交換によって、どのインターフェイスがトラフィックをブロックし(ループを防止)、どのインターフェイスがルート ポートになってトラフィックを転送するかが決まります。

ただし、ブロックしているインターフェイスは、セグメント上の指定されたポートからの BPDU の受信を停止すると、エラーで転送ステートに移行することがあります。このような遷移エラーは、スイッチにハードウェア エラーがある場合、またはスイッチとそのネイバー間にソフトウェア設定エラーがある場合に発生する可能性があります。

ループ保護が有効な場合、スパニングツリートポロジーがルートポートとブロックされたポートを検出し、両方がBPDUを受信し続けるようにします。ループ保護が有効なインターフェイスが、指定ポートからの BPDU の受信を停止すると、このインターフェイスの物理接続の問題に対応するのと同じように反応します。インターフェイスを転送状態に遷移させるのではなく、ループ不整合状態に遷移させます。インターフェイスは回復し、BPDU を受信するとすぐにスパニングツリー ブロッキング ステートに戻ります。

STPプロトコルでのループ保護の利点

デフォルトでは、ブリッジ プロトコル データ ユニット(BPDU)データ フレームの受信を停止したスパニングツリー プロトコル インターフェイスは、指定ポート(転送)状態に移行し、潜在的なループを作成します。

どのようなアクションがループを引き起こしますか?

スパニングツリープロトコルファミリーは、冗長リンクを持つブリッジのネットワークでループを切断する役割を担います。ただし、ハードウェア障害が発生すると、転送ループ(STP ループ)が発生し、大規模なネットワーク停止が発生する可能性があります。スパニングツリープロトコルは、ポート(インターフェイス)をブロックすることでループを遮断します。ただし、ブロックされたポートが誤って転送状態に移行すると、エラーが発生します。

理想的には、スパニングツリープロトコルブリッジポートは、接続されたLANセグメントにルートブリッジへの上位代替パスが存在する限り、ブロックされたままになります。この指定ポートは、そのポート上のピアから上位 BPDU を受信することによって決定されます。他のポートが BPDU を受信しなくなった場合、スパニングツリープロトコルはトポロジーにループがないとみなします。ただし、ブロックされたポートまたは代替ポートが転送状態に移行すると、ループが発生します。

BPDUが到着しない場合、ループ保護で何ができるでしょうか。

スパニングツリー インスタンス インターフェイスが、受信した BPDU の不足を、指定されたポート ロールを引き受ける「誤検知」状態と解釈しないようにするには、次のいずれかのループ保護オプションを設定します。

• タイムアウト間隔中にスパニングツリー インスタンス インターフェイスが BPDU を受信しなかった場合にアラーム条件を発生させるようにルーターを設定します。

• タイムアウト間隔中にインターフェイスが BPDU を受信しなかった場合、スパニングツリー インスタンス インターフェイスをブロックするようにルーターを設定します。

手記：

スパニングツリーインスタンス インターフェイスループ保護は、インターフェイス上のすべてのスパニングツリーインスタンスに対して有効ですが、ブロックまたはアラームは、BPDU の受信を停止したインスタンスのみ有効です。

ループ保護はいつ使用する必要がありますか?

スパニングツリープロトコルループ保護を設定することで、レイヤー2ネットワークの安定性を向上させることができます。ループ保護は、ルート インターフェイスや代替インターフェイスなど、指定されていないインターフェイスでのみ設定することを推奨します。そうしないと、指定リンクの両側でループ保護を設定すると、特定の STP 設定イベント(ループの多いトポロジーでルート ブリッジの優先度を劣った値に設定するなど)によって、両方のインターフェイスがブロッキング モードに移行することがあります。

ルートポートまたは指定ポートになる可能性があるすべてのスイッチインターフェイスでループ保護を有効にすることをお勧めします。ループ保護は、スイッチド ネットワーク全体で有効にすると最も効果的です。ループ保護を有効にする場合、少なくとも 1 つのアクション(ログ、ブロック、またはその両方)を設定する必要があります。

手記：

インターフェイスは、ループ保護またはルート保護のいずれかに設定できますが、両方に設定することはできません。

ループ保護を使用しないとどうなりますか?

デフォルトでは(つまり、スパニングツリープロトコルループ保護が設定されていない場合)、BPDUの受信を停止したインターフェイスは指定されたポートの役割を引き受け、スパニングツリープロトコルループが発生する可能性があります。

ブリッジループを理解する

ブリッジループを理解するために、4つのスイッチ(またはブリッジ)が4つの異なるサブセクション(サブセクションi、ii、iii、およびiv)に接続され、各サブセクションがネットワークノードの集まりであるシナリオを考えてみましょう( 図1を参照)。簡単にするために、サブセクションiとサブセクションiiを組み合わせてセクション1を形成します。同様に、サブセクションiiiとサブセクションivを組み合わせてセクション2を形成します。

スイッチの電源がオンになると、ブリッジ テーブルは空になります。サブセクション i のユーザー A がサブセクション iv のユーザー D に単一のパケット パケット 1 を送信しようとすると、リスニング モードのすべてのスイッチがパケットを受信します。スイッチは、以下の表に示すように、それぞれのブリッジング テーブルにエントリを作成します。

表 1: スイッチがそれぞれのブリッジング テーブルにエントリを作成

ブリッジ 1 ID |ポート向き方向	ブリッジ 2 ID |ポート向き方向	ブリッジ 3 ID |ポート向き方向	ブリッジ 4 ID |ポート向き方向
パケット1 |セクション1	パケット1 |セクション1	パケット1 |セクション1	パケット1 |セクション1

この時点では、スイッチはサブセクションivがどこにあるかを認識しておらず、パケットは送信元ポートを除くすべてのポートに転送されます(その結果、パケットのフラッディングが発生します)。この例では、サブセクション1がパケットを送信した後、スイッチはセクション1に面したポートでパケットを受信します。その結果、セクション2に面したポートを介してパケットの転送を開始します。どのスイッチが最初にパケットを送信するかは、ネットワーク構成によって異なります。この例では、スイッチ1が最初にパケットを送信するとします。セクション 1 からパケットを受信したため、パケットをセクション 2 にフラッディングします。同様に、同じくリスニング モードのスイッチ 2、3、および 4 は、セクション 2 に面したポートでスイッチ 1(元々はセクション 1 から送信)から同じパケットを受信します。次の表に示すように、ブリッジング テーブルを誤った情報で容易に更新します。

表 2: 誤った情報で更新されたブリッジング テーブル

ブリッジ 1 ID |ポート向き方向	ブリッジ 2 ID |ポート向き方向	ブリッジ 3 ID |ポート向き方向	ブリッジ 4 ID |ポート向き方向
パケット1 |セクション1	パケット1 |セクション2	パケット1 |セクション2	パケット1 |セクション2

したがって、セクション1とセクション2の両方から同じパケットを受信すると、ループが作成されます。 図 1 に示すように、スイッチ 1 にはセクション 1 のサブセクション i からパケットが送信されたという情報がありますが、他のすべてのスイッチには、同じパケットがセクション 2 から送信されたという誤った情報があります。

スイッチ 2 が元のパケットを送信する機会を得ると、プロセス全体が繰り返されます。スイッチ 2 は、セクション 1 から元のパケットを受信し、同じパケットをセクション 2 に送信します。最終的に、サブセクションivがどこにあるかまだわからないスイッチ1は、次の表に示すようにブリッジングテーブルを更新します。

表 3: スイッチ 1 がブリッジング テーブルを更新する

ブリッジ 1 ID |ポート向き方向	ブリッジ 2 ID |ポート向き方向	ブリッジ 3 ID |ポート向き方向	ブリッジ 4 ID |ポート向き方向
パケット1 |セクション2	パケット1 |セクション2	パケット1 |セクション2	パケット1 |セクション2

複雑なネットワークでは、このプロセスは、同じパケットが繰り返し送信されるため、すぐに巨大なパケット伝送サイクルにつながる可能性があります。

STP がループ排除にどのように役立つか

スパニングツリープロトコルは、ループを作成できる追加ルートをオフにすることで、ネットワーク内のループを排除するのに役立ちます。プライマリパスが無効化された場合、ブロックされたルートは自動的に有効になります。

STP がブリッジ ループをなくす手順を理解するために、3 つのスイッチを接続して単純なネットワークを形成する次の例を考えてみましょう( 図 2 を参照)。冗長性を維持するために、各デバイス間には複数のパスが存在します。スイッチは、2 秒ごとに送信されるブリッジ プロトコル データ ユニット(BPDU)を使用して相互に通信します。

手記：

BPDU は、ブリッジ ID、発信元のブリッジ ポート、ブリッジ ポートのプライオリティ、パスのコストなどで構成されるフレームです。BPDU は、マルチキャスト MAC アドレス 01:80:c2:00:00:00:00 として送信されます。BPDU には、設定 BPDU、トポロジー変更通知(TCN)BPDU、およびトポロジー変更確認(TCA)BPDU の 3 種類があります。

ネットワーク ループをなくすために、STP はこのサンプル ネットワークで次の手順を実行します。

1. ルート ブリッジ(またはスイッチ)を選択します。 ルート スイッチを選択する場合、STP はブリッジ ID を使用します。ブリッジ ID の長さは 8 バイトで、2 つの部分で構成されます。最初の部分は、ブリッジ優先度と呼ばれる2バイトの情報です。デフォルトのブリッジ プライオリティは 32,768 です。この例では、すべてのスイッチにデフォルト値が使用されています。残りの 6 バイトは、スイッチの MAC アドレスで構成されます。この例では、MACアドレスが最も小さいスイッチ1がルートスイッチとして選択されています。

2. ルート ポートを選択します。 通常、ルート ポートは、1 つのスイッチから別のスイッチへの最小コスト パスを使用します。この例では、すべてのパスのコストが類似していると仮定します。したがって、 図 3 に示すように、もう 1 つのパスはスイッチ 3(コスト 4 + 4)を経由するため、スイッチ 2 のルート ポートはスイッチ 1 から直接パス(コスト 4)を介してパケットを受信するポートになります。同様に、スイッチ 3 の場合、ルート ポートはスイッチ 1 からの直接パスを使用するポートです。

   図 3: ルート ポートの選択

3. 指定されたポートを選択します。 指定ポートは、ルート スイッチ以外のスイッチでフレームを受信および転送できる唯一のポートです。これらは通常、最小コストのパスを使用するポートです。 図 4 では、指定ポートにマークが付けられています。

   図4:指定ポートの選択と冗長パスのブロック

ネットワークには複数のパスがあり、ルート ポートと指定ポートが識別されるため、STP はスイッチ 2 とスイッチ 3 の間のパスを一時的にブロックし、レイヤ 2 ループを排除できます。

サポートされるスパニングツリープロトコルのタイプ

レイヤー2環境では、さまざまなスパニングツリープロトコルのバージョンを設定して、レイヤー2ネットワークにループフリートポロジーを作成できます。

スパニングツリープロトコルは、冗長パスを含むスイッチネットワークを介して最適なパスを計算するレイヤー2制御プロトコル(L2CP)です。スパニングツリープロトコルは、ブリッジプロトコルデータユニット(BPDU)データフレームを使用して、他のスイッチと情報を交換します。スパニングツリープロトコルは、BPDUから提供される情報を使用して、ルートブリッジの選択、各スイッチのルートポートの識別、各物理LANセグメントの指定ポートの識別、特定の冗長リンクの削除によるループフリーツリートポロジーの作成を行います。結果として得られるツリートポロジーは、任意の2つのエンドステーション間に単一のアクティブレイヤー2データパスを提供します。

手記：

スパニング ツリー プロトコルの説明では、 bridge と switch という用語はしばしば同じ意味で使用されます。

ジュニパーネットワークスMXシリーズ5GユニバーサルルーティングプラットフォームとEXシリーズスイッチは、STP、RSTP、MSTP、VSTPをサポートしています。

• オリジナルのスパニングツリープロトコル(STP)は、IEEE 802.1D 1998仕様で定義されています。ラピッドスパニングツリープロトコル(RSTP)と呼ばれる新しいバージョンは、もともとIEEE 802.1wドラフト仕様で定義され、後にIEEE 802.1D-2004仕様に組み込まれました。マルチプルスパニングツリープロトコル(MSTP)と呼ばれる最近のバージョンは、もともとIEEE 802.1sドラフト仕様で定義され、後にIEEE 802.1Q-2003仕様に組み込まれました。VLAN スパニング ツリー プロトコル(VSTP)は、シスコシステムズのルータおよびスイッチでサポートされている Per-VLAN スパニング ツリー プラス(PVST+)および Rapid-PVST+ プロトコルと互換性があります。

• RSTPは、特定のリンクをポイントツーポイントとして識別し、固定タイムアウトではなくプロトコルハンドシェイクメッセージを使用することで、元のSTPよりも高速な再コンバージェンス時間を提供します。ポイントツーポイントリンクに障害が発生すると、プロトコルタイマーの期限が切れるのを待たずに、代替リンクを転送状態に移行できます。

• MSTP は、レイヤー 2 ネットワークを論理的に複数のリージョンに分割する機能を提供します。すべてのリージョンには一意の識別子があり、スパニング ツリーの複数のインスタンスを含めることができます。すべてのリージョンは、リージョン 間で ループフリーのトポロジーを作成する共通インスタンス・スパニング・ツリー(CIST)を使用してバインドされますが、マルチプル・スパニング・ツリー・インスタンス(MSTI)はリージョン 内の トポロジーを制御します。MSTP は収束アルゴリズムとして RSTP を使用し、以前のバージョンの STP と完全に相互運用可能です。

• VSTP は、VLAN ごとに個別のスパニング ツリー インスタンスを維持します。VLAN ごとに異なるスパニングツリー パスを使用できます。異なる VLAN が異なるスパニングツリー パスを使用している場合、構成される VLAN が増えるほど、消費される CPU 処理リソースが増加します。VSTP BPDU パケットは、対応する VLAN 識別子でタグ付けされ、プロトコル タイプ 0x010b でマルチキャスト宛先 MAC(メディア アクセス制御)アドレス 01-00-0c-cc-cc-cd に送信されます。VSTP BPDU は、純粋な IEEE 802.1q ブリッジによってトンネリングされます。

手記：

MX シリーズ ルーターで構成されたすべての仮想スイッチ ルーティング インスタンスは、1 つのスパニング ツリー プロセスのみを使用してサポートされます。レイヤー2制御プロトコルプロセスの名前はl2cpdです。