ブロードキャスト・フレームのループを作ってしまっているＬＡＮの例
ブロードキャスト・フレームのループを作ってしまっているＬＡＮの例
上の図の青い中継装置はすべてスイッチです。
上の図のようにパソコンＡがブロードキャスト・フレームを送信すると、図の赤い矢印ように流れてしまいます。
これだと送信したフレームが１周まわってループしてしまいます。そして、いつまでも巡回してしまいます。
もし、このようにスイッチやブリッジがループ状に繋がっている状態だと、このようなブロードキャスト・フレームが増加してネットワークを埋め尽くすブロードキャスト・ストームという現象を引き起こしてしまいます。
これを解決するためのプロトコルがＳＴＰです。
ＳＴＰは、Spanning Tree Protocolの略で、スパニング・ツリー・プロトコルと読みます。
ＳＴＰは、ＩＥＥＥ８０２.１Ｄとして標準化されています。
ＩＥＥＥとは、米国電気電子技術者協会のことです。
ＳＴＰは、ＯＳＩ参照モデルにおけるデータリンク層（レイヤ２）を対象とするリンク管理プロトコルです。
ＳＴＰは、ＩＥＥＥ８０２.１Ｄに準拠したブリッジまたはスイッチで動作します。
ＳＴＰでは、前述のような現象を引き起こさないようにするため、ループになっている経路を遮断し、ＬＡＮ全体を以下のようにツリー状にします。
ＳＴＰで改善したＬＡＮの例
今度は、ブロードキャスト・フレームのループを作ってしまっているＬＡＮの例を再検討し、上の図のように３台のスイッチと番号が付いた３つのネットワークの構成を変えてみました。
ＬＡＮの構成を上の図のように改善すれば、一つのＭＡＣフレームが同じ経路を２回以上通過することはなくなります。
番号が１のスイッチをＳＴＰではルートブリッジと言います。
なぜ、このようなＬＡＮを構成すると、スパニング・ツリーになるかと言いますと、以下の図に示したように木の根元から枝が生えているイメージになるからです。
ルートブリッジを根っ子にしたＳＴＰの木構造の例
こういう見方もできるので、ルートブリッジとなっているスイッチを根っ子にしたＬＡＮの論理的な構成がわかりやすいです。
これで、前のようなループ構造のＬＡＮの問題を解決できます。
ちなみに、スパニング・ツリーとは、広がる木というような意味です。
確かに上の図を見るとそんな感じですよね。
上に図を描きましたので、ＳＴＰに対応したＬＡＮのイメージは掴めたと思います。
ＳＴＰもプロトコルなので、ＭＡＣフレームの中に専用のヘッダーがあります。
このヘッダーを含むＢＰＤＵ（Bridge Protocol Data Unit）フレームをスイッチ間で一定間隔をおいて送受信します。
通常２秒間隔です。
ＢＰＤＵメッセージを運ぶＭＡＣフレームのフォーマットを以下の表に示しておきます。
| ＢＰＤＵメッセージを運ぶＭＡＣフレーム【単位：オクテット】 |
|---|
| 終点ＭＡＣアドレス【６】 |
| 始点ＭＡＣアドレス【６】 |
| ＭＡＣフレームの長さ【２】 |
| ＤＳＡＰ（４２）【１】 |
| ＳＳＡＰ（４２）【１】 |
| 制御（４２）【１】 |
| ＢＰＤＵ【３５または４】 |
| パディング【８または３９】 |
| ＦＣＳ【４】 |
| トポロジー変更通知ＢＰＤＵメッセージ【単位：オクテット（単位：ビット）】 |
|---|
| プロトコル識別子・・・０【２（１６）】 |
| バージョン識別子・・・０【１（８）】 |
| ＢＰＤＵタイプ・・・1000 0000【１（８）】 |
| コンフィギュレーションＢＰＤＵメッセージ【単位：オクテット（単位：ビット）】 | ||
|---|---|---|
| プロトコル識別子・・・０【２（１６）】 | ||
| バージョン識別子・・・０【１（８）】 | ||
| ＢＰＤＵタイプ・・・0000 0000【１（８）】 | ||
| フラグ【１（８）】 | ||
ルートブリッジ識別子【８（６４）】
| ||
| ルート・パス・コスト【４（３２）】 | ||
ブリッジ識別子【８（６４）】
| ||
ポート識別子【２（１６）】
| ||
| メッセージ年齢（message age）【２（１６）】 | ||
| 最大年齢（maximum age）【２（１６）】 | ||
| ハロー時間（hello time）【２（１６）】 | ||
| 転送遅延（forward delay）【２（１６）】 |
ＳＴＰで改善し、閉鎖ポートを示したＬＡＮの例
これでフレームがぐるぐる回ることはありません。
スイッチ同士は、互いにＢＰＤＵというプロトコルに従って、ＢＰＤＵメッセージのやりとりをし、それぞれのスイッチが持つ情報を互いに交換し合います。
それぞれのスイッチは、相手から来た情報を基にブリッジ優先度と使用するポートを決めます。
ブロックする必要があるポートは、どこかと通信できないように閉鎖します。
ルートブリッジを決めるには、ブリッジ識別子を使用します。
ルートブリッジが決まれば、ルートポートや運用できる有効なポートを決定していくことができます。
これら以外のポートは、無効なポートなのでブロックします。
ブロックされるポートを決めるには、パス・コストを使用します。
ルートブリッジになれなかったスイッチでは、ルートブリッジまで最短パスでフレームを送れるポートを決めます。
このポートをルートポートと呼びます。
最短パスは、パス・コストで決めます。
パス・コストの値が小さいポートがルートポートになります。
パス・コストで判断できない場合は、ブリッジ識別子やポート優先度などを使用します。
次に、通信可能な有効なポート（ルートポートでもブロックされたポートでもないポート）を決めます。
このようなポートは、物理セグメントからルートブリッジまで最短パスでフレームを送れるポートになります。
これらの何れでもないポートは、ブロックされる対象となるポートです。
こうして、スパニング・ツリーができあがります。
ＳＴＰは、通常使用するルートとは異なるルートを障害用に代替ルートとして使用します。
ＳＴＰは、ＬＡＮの障害を検出することもできます。
通常使用するルートの障害時には、この代替ルートに切り替えて運用を続行することになります。
自動的に新しい経路に切り替わるのに、経路の再計算が必要となるため、復旧に３０秒以上かかるというのがちょっと問題です。
こうして、ＳＴＰはスパニング・ツリーが倒れないように維持しようとします。
その後、スイッチ同士は、定期的に相互通信を行ってＬＡＮが正常に動作し、障害がないかどうかを確認しています。
もし、障害を検出すると、スパニング・ツリーを再構成し、ブロックされていたポートでの通信を可能にし、運用を続行します。
このように、ネットワークに冗長性（Redundancy）を加えることで信頼性を高めています。
ネットワークの場合、あえて冗長性を加える（冗長構成にする）ことで信頼性を高めますが、元々冗長性とは無駄が多い性質を言います。
従って、ネットワークの場合は、あえて無駄を増やすわけですが、ネットワークの場合は現実的に見て無駄がある方が安心できることになるので、ＳＴＰの場合は、あえて普段使わない代替ルートを用意しておきます。
さて、次はポートステータスについて説明します。
ＳＴＰでは、５つのポートステータスがあり、このステータスを調べればポートの状態がわかるようになっています。
これでＳＴＰの仕組みに関する解説は終わりとします。
ところで、ＳＴＰはどのようなスイッチに実装されているのでしょうか。
ＳＴＰは、レイヤ２以上のスイッチで対応していますが、低価格なスイッチングハブでは対応していない機種も多くありますので、購入の際は製品仕様をよく見て検討する必要があります。
５０００円くらいのスイッチングハブがありますが、こんなのではまず対応していないです。
５万円以上くらいのインテリジェントハブでも買わないと、ＳＴＰには対応していません。
このくらいの価格の機種なら、ミラーリングポートも付いていますし、ＳＮＭＰやＶＬＡＮにも対応しています。
ＳＴＰに関する解説はこれでおしまいとしたいのですが、最新の情報としてＲＳＴＰ（Rapid STP）という新しいＳＴＰの技術が登場しました。
前の方で、自動的に新しい経路に切り替わるのに、経路の再計算が必要となるため、復旧に３０秒以上かかるのが以前のＳＴＰでは問題であることを述べましたが、このＲＳＴＰを利用すれば、経路再計算が数秒に縮まります。
このＲＳＴＰ（Rapid STP）は、ＩＥＥＥ８０２.１ｗとして標準化され、代替経路切り替えの高速化のために作られました。
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