2-6 STP と RSTP | ちらりんブログ

1. なぜ STP が必要か

L2 スイッチは、宛先 MAC アドレスが CAM テーブルにない時、そのフレームを受信ポート以外の全ポートにフラッディングします。これは未知ユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャストのいずれでも同じ挙動です。スイッチが 1 台だけ、あるいは 2 台を 1 本のリンクで結んだだけの構成では、この「全ポートにばら撒く」動きは何の問題も起こしません。

問題は、スイッチを 3 台以上で環状に結んだ瞬間に発生します。下図のように SW1・SW2・SW3 を 3 本のトランクで三角形に接続したケースが典型です。

STP 検証トポロジ

ここで SW1 配下のホストがブロードキャストフレームを 1 枚送出すると、以下の連鎖が起こります。SW1 はそれを Gi0/1 と Gi0/2 の両方にフラッディングします。SW2 と SW3 はそれぞれ受け取ったブロードキャストを「受信したポート以外の全ポート」に再フラッディングします。すると SW2 → SW3 と SW3 → SW2 の経路でもう一度同じフレームが流れ、そのフレームは SW1 へ戻ってきます。SW1 から見れば「自分が出したフレームと同じ内容のものが戻ってきた」状態ですが、L2 フレームには TTL に相当するホップカウントが存在しないため、SW1 はこれを区別できません。受け取ったフレームは再びフラッディングされ、ループが永続します。

ループに乗ったブロードキャストは、現実の機器では十数ミリ秒のうちにリンク帯域を埋め尽くします。これが ブロードキャストストーム (Broadcast Storm) です。同時に、同じ MAC アドレスを持つフレームが複数のポートから次々に届くため、各スイッチの CAM テーブルは「ホスト A は Gi0/1 にいる」「いや Gi0/2 にいる」という書き換え合戦を起こし、正常なユニキャスト転送も巻き添えで破綻します。1 つのループで L2 ドメイン全体が停止するという、L2 ループの怖さです。

一方で冗長性の観点から、現場では「リンク 1 本切れてもサービスは止めない」設計を要求されます。複数のスイッチを冗長に結ぶ以上、物理的なループは避けて通れません。物理ループを許しつつ論理的にループを断つ仕組みが必要となります。それが本節で扱う Spanning Tree Protocol (STP) です。

2. STP の役割

STP (Spanning Tree Protocol、IEEE 802.1D) は、物理的にループを持つトポロジから論理的にループのない木構造 (Spanning Tree) を 1 つ選び出すプロトコルです。木構造とは、グラフ理論で「ループのない連結グラフ」を指します。SW1 / SW2 / SW3 の三角形であれば、3 本のリンクのうち 2 本だけを使って木を作れば、ループは解消され、かつ全ノードが到達可能な状態は保たれます。

STP の発想はシンプルで、「全スイッチが BPDU (Bridge Protocol Data Unit) という制御フレームを交換し、誰が木の根元 (Root Bridge) か、各リンクで誰が転送責任を持つかを分散的に合意する」点に尽きます。合意が取れたら、木に含まれないポートは 論理的にフレーム転送を止めます。物理リンクは up したまま、BPDU だけは受け取り続けますが、データフレームは送信も受信もしません。この状態を Blocking と呼びます。

Blocking 状態のポートは「使われていない」ように見えますが、Root Bridge や他のリンクに障害が起きると Forwarding に切り替わって木を再構築します。ただし旧来の STP (802.1D) では Blocking から Forwarding へ移る際に Listening → Learning という遷移状態を通り、標準では合計 30 秒 (Forward Delay 15 秒 × 2) ほどかかります。後述の RSTP では、こうした待機ポート (Alternate Port) を点対点リンクなどの条件下で高速に Forwarding へ昇格できます。普段は遊んでいるように見えて、いざという時の予備路として待機する運用です。

3. STP の用語

STP の挙動を読むには、最低限 4 つの用語を押さえる必要があります。

Root Bridge: 全 STP インスタンスの起点となるスイッチ。木構造の根元にあたる存在。Bridge Priority (既定 32768) が最小のスイッチが選ばれ、priority が同値なら MAC アドレスが小さい方が勝ち。設計上はコアスイッチを意図的に低 priority に設定して固定するのが定石。
Root Port (RP): Root Bridge ではない各スイッチが、Root へ向けて最短経路で出るポート。コストが最小のポートが選ばれる。1 スイッチあたり 1 つだけ存在。
Designated Port (DP): 各物理リンクで「このリンクの転送責任を持つ」と合意されたポート。Root Bridge では全ポートが Designated になる。それ以外のスイッチでは、リンクの両端でコスト比較などを経て一方のスイッチのポートが Designated に選ばれる。
Alternate Port / Blocking Port: Root でも Designated でもない、余ったポート。データフレームは送らず BPDU だけを聞く。RSTP では Alternate Port、旧 STP では単に Blocking と呼ぶ。

「Root Bridge を選ぶ → 各スイッチが Root Port を 1 つ選ぶ → 各リンクで Designated Port を選ぶ → 残りを Blocking する」という順序で木が決まります。本節の検証では、3 つ目までで木が完成し、4 つ目の Blocking が現れる構成になっています。

ポートのコストは、リンク速度から決まる整数値です。IEEE が定めた short cost では 10 Mbps = 100、100 Mbps = 19、1 Gbps = 4、10 Gbps = 2 となります。本節で使う 1 Gbps リンクのコストは 4 で、後の show 出力で繰り返し登場します。

4. RSTP — 収束を高速化

旧 STP (802.1D) には、致命的とは言わないまでも実運用で痛い欠点があります。それは 収束が遅い 点です。リンクが新しく up した時、ポートはまず Listening 状態に入り、ここで 15 秒 (Forward Delay) BPDU を聞いて木の状態を判断します。次に Learning 状態に 15 秒留まり、データフレームの転送はせずに MAC 学習だけを行います。そこからようやく Forwarding に遷移します。リンク 1 本が up してから実際にトラフィックを流せるまで 30 秒、Root Bridge 障害などで木の再計算が走るケースでは合計 50 秒近くかかります。サーバや SIP 電話などの再接続にはあまりに長い時間です。

RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol、802.1w) は、この収束を数秒に短縮するために設計されました。BPDU の意味を拡張し、ポート役割 (Root / Designated / Alternate / Backup) と状態 (Discarding / Learning / Forwarding) を分離します。隣接スイッチ同士で「自分の側で見ている木の状態」を直接ハンドシェイクし、合意が取れた瞬間に Forwarding へ遷移する仕組み (Proposal / Agreement) が追加されました。結果、点対点リンクであれば 1〜2 秒で新しい木が安定します。

Cisco では、VLAN ごとに別の STP インスタンスを動かす PVST+ (Per-VLAN Spanning Tree Plus) が標準ですが、これを RSTP ベースで動かすモードを Rapid PVST+ と呼びます。グローバルコンフィグで spanning-tree mode rapid-pvst と入れるだけで切り替わります。現代の Cisco スイッチではこのモードが事実上の標準で、旧 STP を意図して使う場面はほぼありません。本ラボもこのモードで検証します。

5. CML での検証

検証は CML (Cisco Modeling Labs) 上の iosvl2 で行います。前節までと同じ理由で、Cat9000v ではなく軽量な iosvl2 を採用しました。STP / RSTP の挙動は IOS と IOS-XE で完全に共通です。

トポロジは図に示したとおり 3 台のスイッチを三角形に結んだ構成で、SW1 が Root Bridge になるよう priority を 4096 に固定しました。SW2 / SW3 は既定値の 32768 のままです。

snippet

              Gi0/1
         ┌──────────┐
   SW1 ──┤          ├── SW2
   Gi0/1 │          │ Gi0/1
         │          │
   Gi0/2 │          │ Gi0/2
   SW1 ──┤          ├── SW3
              Gi0/2 (SW3 側 Gi0/1 が SW2 と)

正確には、SW1-SW2 が SW1 Gi0/1 ↔ SW2 Gi0/1、SW2-SW3 が SW2 Gi0/2 ↔ SW3 Gi0/1、SW3-SW1 が SW3 Gi0/2 ↔ SW1 Gi0/2 という結線で、3 本ともトランクとして上げてあります。各スイッチの day0 config から STP とトランクに関わる部分を抜くと、SW1 は以下のとおりです。

snippet

spanning-tree mode rapid-pvst
spanning-tree vlan 1 priority 4096
!
interface GigabitEthernet0/1
 description Trunk
 switchport trunk encapsulation dot1q
 switchport mode trunk
!
interface GigabitEthernet0/2
 description Trunk
 switchport trunk encapsulation dot1q
 switchport mode trunk

SW2 / SW3 は priority のラインがなく spanning-tree mode rapid-pvst だけ、それと Gi0/1 / Gi0/2 がトランクとして設定されている点だけが SW1 と異なります。VLAN は default の 1 のみで検証します。Cisco の PVST+ は VLAN ごとに独立した STP インスタンスを持つため、VLAN を増やすと VLAN 10 と VLAN 20 で別々に Root を選ぶ設計も可能となりますが、ここでは木構造の基本動作を見るために VLAN 1 だけに絞ります。

6. SW1 (Root) — 全ポート Designated Forwarding

まず SW1 から確認します。show spanning-tree summary で全体像を把握します。

snippet

SW1#show spanning-tree summary
Switch is in rapid-pvst mode
Root bridge for: VLAN0001
Extended system ID                      is enabled
Portfast Default                        is disabled
Portfast Edge BPDU Guard Default        is disabled
Portfast Edge BPDU Filter Default       is disabled
Loopguard Default                       is disabled
PVST Simulation Default                 is enabled but inactive in rapid-pvst mode
Bridge Assurance                        is enabled
EtherChannel misconfig guard            is enabled
Configured Pathcost method used is short
UplinkFast                              is disabled
BackboneFast                            is disabled

Name                   Blocking Listening Learning Forwarding STP Active
---------------------- -------- --------- -------- ---------- ----------
VLAN0001                     0         0        0          3          3
---------------------- -------- --------- -------- ---------- ----------
1 vlan                       0         0        0          3          3

冒頭 Switch is in rapid-pvst mode で動作モード、Root bridge for: VLAN0001 で SW1 が VLAN1 の Root であることが明示されています。下段の集計を見ると、Blocking が 0、Forwarding が 3 で、SW1 の 3 ポート (Gi0/0 / Gi0/1 / Gi0/2) はすべて Forwarding 状態です。Root Bridge は全ポートが Designated になるという STP の基本そのままの状態です。Bridge Assurance や Pathcost method (short) などの既定値も Cisco rapid-pvst の標準どおりに有効化されています。

続いて VLAN 単位の詳細を見ます。

snippet

SW1#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    4097
             Address     5254.000e.7d61
             This bridge is the root
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    4097   (priority 4096 sys-id-ext 1)
             Address     5254.000e.7d61
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Gi0/0               Desg FWD 4         128.1    P2p 
Gi0/1               Desg FWD 4         128.2    P2p 
Gi0/2               Desg FWD 4         128.3    P2p

重要な情報は次の 3 点です。Spanning tree enabled protocol rstp で動作プロトコルが RSTP (Rapid PVST+ は内部で RSTP を動かしている) であることが分かります。This bridge is the root の 1 行で SW1 自身が Root であることが明示されています。そして Root ID Priority 4097 と Bridge ID Priority 4097 が完全に一致しています。これは「Root のブリッジ ID = 自分のブリッジ ID」、すなわち自分が Root であるという論理の表れです。

Priority 4097 という半端な数字には理由があります。Cisco の PVST+ は VLAN ごとに別 STP を動かすため、Bridge Priority に VLAN ID (sys-id-ext と呼ぶ) を足し込む 仕様になっています。(priority 4096 sys-id-ext 1) の括弧書きが内訳で、設定値 4096 に VLAN 1 の 1 を足して 4097 となります。VLAN 10 なら 4106、VLAN 100 なら 4196 です。これを Extended System ID と呼び、有効化されている状態が show spanning-tree summary の Extended system ID is enabled に対応します。

下段のポート一覧では Gi0/0 / Gi0/1 / Gi0/2 のすべてが Desg FWD (Designated Forwarding)、Cost 4、Type P2p です。Cost 4 は 1 Gbps リンクの IEEE short cost そのもので、Type P2p (Point-to-Point) はそのリンクが点対点リンクであることを示します。RSTP は既定で全二重リンクを point-to-point、半二重リンクを shared とみなします (spanning-tree link-type で明示指定も可能)。P2p と判定されたリンクは RSTP の高速収束 (Proposal / Agreement) の対象になります。

7. SW3 — Blocking ポートが選ばれる（本節の山場）

SW2 と SW3 は priority 既定値の 32768 のままなので、SW1 に Root を奪われています。まず SW2 から確認します。

snippet

SW2#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    4097
             Address     5254.000e.7d61
             Cost        4
             Port        2 (GigabitEthernet0/1)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     5254.00bd.131d
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Gi0/0               Desg FWD 4         128.1    P2p 
Gi0/1               Root FWD 4         128.2    P2p 
Gi0/2               Desg FWD 4         128.3    P2p

Root ID Priority 4097 と Bridge ID Priority 32769 が異なる値になっており、SW2 が Root ではないことが分かります。Bridge ID 32769 は priority 32768 (既定) に VLAN 1 の sys-id-ext を足した値です。Root ID Cost 4 は SW2 から Root までのパスコストで、Gi0/1 リンク 1 本ぶんの 4 がそのまま乗っています。

下段ポート一覧では、SW1 へ直接向いている Gi0/1 が Root FWD (Root Port) に選ばれています。これが SW2 から見た Root への最短経路です。SW3 へ向かう Gi0/2 は Desg FWD (Designated) で、SW2 側はこのリンクの転送責任を持っています。ただし対向の SW3 Gi0/1 が後述のとおり Altn BLK でブロックされているため、SW2-SW3 リンクは end-to-end ではデータ転送に使われません。実際にフレームが通る転送木は SW1-SW2 と SW1-SW3 の 2 本で、SW2 はその一翼を担う立ち位置にあります。

ここまでは予想どおりの結果です。問題は SW3 です。SW3 は 3 角形の最後の頂点で、SW1 と SW2 の両方に直接繋がっています。両方を Forwarding で使うとループが完成します。STP がここで何を選ぶかが本節の核心です。

snippet

SW3#show spanning-tree vlan 1

VLAN0001
  Spanning tree enabled protocol rstp
  Root ID    Priority    4097
             Address     5254.000e.7d61
             Cost        4
             Port        3 (GigabitEthernet0/2)
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec

  Bridge ID  Priority    32769  (priority 32768 sys-id-ext 1)
             Address     5254.00c9.df4b
             Hello Time   2 sec  Max Age 20 sec  Forward Delay 15 sec
             Aging Time  300 sec

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
Gi0/0               Desg FWD 4         128.1    P2p 
Gi0/1               Altn BLK 4         128.2    P2p 
Gi0/2               Root FWD 4         128.3    P2p

注目すべきは下段の 2 行です。SW1 へ直接向いている Gi0/2 は Root FWD で、コスト 4 で Root に到達する経路として選ばれています。問題は SW2 へ向かう Gi0/1 で、ここが Altn BLK (Alternate / Blocking) になっています。これが本節の核心です。

物理的には Gi0/1 は up しており、対向の SW2 Gi0/2 と正しく繋がっています。トラフィックを通そうと思えば通せる状態にあります。にもかかわらず、STP はこのポートを論理的にブロックし、データフレームの送受信を止めています。BPDU だけは受信し続けて、SW1 や SW2 で何か変化 (リンクダウン等) があれば即座に Forwarding へ切り替えられるよう待機している、というのが Alternate Port の役割です。

これを単独ポート表示で見ても同じ結論が確認できます。

snippet

SW3#show spanning-tree interface Gi0/1

Vlan                Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
VLAN0001            Altn BLK 4         128.2    P2p
SW3#show spanning-tree interface Gi0/2

Vlan                Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- --------------------------------
VLAN0001            Root FWD 4         128.3    P2p

物理レイヤの状態と論理レイヤの状態を切り分けて見るには、show interfaces status を併せて読みます。

snippet

SW3#show interfaces status

Port      Name               Status       Vlan       Duplex  Speed Type 
Gi0/0                        notconnect   1          a-full   auto RJ45
Gi0/1     Trunk              connected    trunk      a-full   auto RJ45
Gi0/2     Trunk              connected    trunk      a-full   auto RJ45

Gi0/1 / Gi0/2 はどちらも connected で、物理リンクは両方 up しています。にもかかわらず STP の上では Gi0/1 だけが Blocking、Gi0/2 だけが Forwarding という非対称な状態が選ばれています。「物理的にループしているが、STP が 1 ポートを論理的にブロックすることで、実害のあるループが発生しない」 という、STP の存在意義がそのまま現れた状態です。

仮に SW3 Gi0/2 のリンクが故障して SW1-SW3 直接路が失われた場合、Gi0/1 で受信していた BPDU の役割が突然「最良ルート」に格上げされ、Alternate だった Gi0/1 が即座に Root Port に昇格して Forwarding に切り替わります。SW3 は SW2 経由で Root に到達する木に再収束します。RSTP であれば、この再収束は数秒で完了します。「普段使わないリンク」が「いざという時の予備路」として機能する、というのが STP / RSTP の本質です。

3 つのスイッチがどの木に収束したかを整理すると以下のとおりです。

スイッチ	Gi0/1	Gi0/2
SW1 (Root)	Desg FWD（→SW2）	Desg FWD（→SW3）
SW2	Root FWD（→SW1）	Desg FWD（→SW3）
SW3	Altn BLK（→SW2）	Root FWD（→SW1）

論理的に使われているリンクは SW1-SW2 と SW1-SW3 の 2 本だけで、SW2-SW3 の片側 (SW3 Gi0/1) が Blocking になっています。3 角形の 1 辺を「切った」結果、ループのない木構造 (SW1 を根とする V 字) が出来上がっています。

8. 落とし穴・補足

PVST+ は VLAN ごとに別 STP インスタンス: Cisco の Rapid PVST+ は VLAN ごとに独立した STP インスタンスを動かします。VLAN 10 と VLAN 20 で別のスイッチを Root にする、いわゆる Root 分散の設計が可能になる反面、VLAN 数 × スイッチ数のリソースを STP が消費します。VLAN が数十以上ある環境では MST (Multiple Spanning Tree、802.1s) でインスタンスを束ねるのが定石になります。
BPDU Guard: 後述の PortFast を有効にしたアクセスポートに、想定外の BPDU が届いた瞬間にそのポートを err-disable で強制シャットダウンする機能。ユーザーが机の下で勝手にスイッチを増設し、それが STP に参加してきて Root を奪うような事故を防ぐ、現場で最も多用される STP 系セキュリティ拡張です。
Root Guard: 特定のポート方向から「自分より優先度の高い BPDU」が届いた場合に、そのポートを root-inconsistent 状態にして転送を止める機能。意図しないスイッチに Root を奪われることを防ぎます。コアから見たアクセス側のポートで有効化するのが典型です。
PortFast: アクセスポートに対し、Listening / Learning を飛ばして即 Forwarding に遷移させるオプション。エンドポイント (PC、サーバ、IP 電話) が繋がる前提のポートで使います。スイッチ間トランクで PortFast を有効にしてはいけません (ループが収束前に発生する可能性があるため)。
Bridge Assurance: 双方向の BPDU 送信を相互確認し、片方向リンク障害などで BPDU が止まったポートを inconsistent で停止する機能。show spanning-tree summary の Bridge Assurance is enabled は、この機能がスイッチでグローバルに有効であることを示します。ただし Bridge Assurance が実際に効くのは link-type が network のポートに限られるため、当該機能を活かすにはトランクポートを network port に設定する必要があります（本ラボの各リンクは Type が P2p のみで、Bridge Assurance が個々のポートで動作している状態までは示していません）。

9. 次節

ここまでで、L2 ループの危険性、STP / RSTP がループを論理的に断つ仕組み、そして Cisco Rapid PVST+ における Root Bridge 選出と Blocking ポート選択を、3 SW 三角構成の実機出力で追いました。物理的にループしているリンクのうち 1 本だけを論理ブロックすることで、フレームの永久周回を防いでいる、というのが核心でした。

2-7 EtherChannel では、複数の物理リンクを 1 つの論理リンクに束ねる仕組みを扱います。EtherChannel で束ねた複数本のリンクは、STP からは「1 ポート」として扱われ、束ねた本数ぶんの帯域を素直に合算できます。STP に Blocking させるのではなく、最初からループにならない「太い 1 本」を作る、という発想の冗長化手法を見ていきましょう。

Claurin

ご主人、前の節の最後に「スイッチを輪っか状につなぐと L2 ループが起きる」って書いてあって、ちょっと身構えてるりん。ループって、そんなに危ないものなりん？

ご主人

かなり危ないよ。まず仕組みを思い出そう。スイッチは宛先 MAC が CAM テーブルに無いと、受信ポート以外の全ポートにフラッディングする。これはブロードキャストでも未知ユニキャストでも同じだ。スイッチ 1 台や、2 台を 1 本で結んだだけなら、この「ばら撒き」は何も問題を起こさない。問題は、スイッチを 3 台以上で環状に結んだ瞬間に起きるんだ。

STP 検証トポロジ

ご主人

この図みたいに SW1・SW2・SW3 を三角形につないだとする。SW1 配下のホストがブロードキャストを 1 枚送ると、SW1 はそれを両隣に流す。SW2 と SW3 はそれぞれ「受信ポート以外の全ポート」へ再フラッディングする。すると SW2→SW3 と SW3→SW2 でもう一度同じフレームが流れて、SW1 へ戻ってくる。

Claurin

戻ってきたフレームを、SW1 はまた配るりん…？あれ、これって永遠に止まらないりん？

ご主人

そこなんだ。L2 フレームには、IP パケットの TTL みたいな「ホップカウント」が無い。だから SW1 は「これはさっき自分が出したフレームだ」と気づけず、また配ってしまう。ループが永久に続くんだ。現実の機器だと、十数ミリ秒でリンク帯域を埋め尽くす。これが ブロードキャストストーム だ。

Claurin

たった 1 枚のフレームが、ネットワーク全部を埋め尽くすりん…！ぞっとするりん。

ご主人

しかも同時に、同じ MAC のフレームが複数ポートから次々届くから、各スイッチの CAM が「ホスト A は Gi0/1 だ」「いや Gi0/2 だ」と書き換え合戦を起こして、正常なユニキャスト転送まで巻き添えで壊れる。1 つのループで L2 ドメイン全体が止まる、というのがループの怖さだよ。でもね、現場では「リンク 1 本切れてもサービスは止めない」冗長性も要求される。冗長にする以上、物理ループは避けられない。だから ── 物理ループは許しつつ、論理的にループを断つ仕組みが要る。それが今日の主役、STP（Spanning Tree Protocol）だ。

Claurin

物理的にはつなぐけど、論理的には切る…？どうやってそんな器用なことをするりん？

ご主人

STP は、ループのある物理トポロジから、ループのない木構造（Spanning Tree）を 1 つ選び出すんだ。三角形なら、3 本のうち 2 本だけ使えばループは消えて、しかも全ノードには到達できる。発想はシンプルで、「全スイッチが BPDU という制御フレームを交換して、誰が木の根元（Root Bridge）か、各リンクで誰が転送責任を持つかを分散的に合意する」。合意できたら、木に含まれないポートは論理的に転送を止める。物理リンクは up したまま BPDU は聞き続けるけど、データフレームは送受信しない。この状態を Blocking と呼ぶ。

Claurin

使わないポートは「黙って待機」してるんりん。…でもご主人、いくつか用語が出てきて、頭がこんがらがってきたりん。整理してほしいりん。

ご主人

よし、最低限の 4 つを押さえよう。Root Bridge ＝木の根元になるスイッチ。Bridge Priority（既定 32768）が最小のものが選ばれて、同値なら MAC が小さいほうが勝つ。Root Port（RP） ＝各スイッチが Root へ向かう最短の出口ポート。1 台に 1 つだけ。Designated Port（DP） ＝各リンクで「このリンクの転送責任を持つ」と合意されたポート。Root Bridge では全ポートが Designated になる。そして Alternate / Blocking Port ＝ Root でも Designated でもない余ったポートで、データは送らず BPDU だけ聞く。順序は「Root を選ぶ → 各スイッチが Root Port を選ぶ → 各リンクで Designated を選ぶ → 残りを Blocking」だ。

Claurin

根元を決めて、出口を決めて、責任者を決めて、余りを黙らせる ── 4 ステップなんりん。ところでご主人、STP って「収束が遅い」って聞いたことがあるりん。RSTP はその改良版りん？

ご主人

そのとおり。旧 STP（802.1D）は、リンクが上がってから実際に使えるまでが遅いんだ。ポートは Listening に 15 秒、Learning に 15 秒留まって、ようやく Forwarding になる。合計 30 秒、Root 障害の再計算だと 50 秒近くかかる。サーバや IP 電話の再接続には長すぎる。そこで RSTP（802.1w）が、これを数秒に縮めた。隣接スイッチ同士で木の状態を直接ハンドシェイクして（Proposal / Agreement）、合意した瞬間に Forwarding へ移る仕組みを足したんだ。点対点リンクなら 1〜2 秒で安定する。

Claurin

30 秒が数秒に…！ずいぶん速くなったんりん。今のスイッチは RSTP なりん？

ご主人

Cisco では、VLAN ごとに別の STP を動かす PVST+ を RSTP ベースで動かす Rapid PVST+ が事実上の標準だ。spanning-tree mode rapid-pvst と入れるだけ。今回のラボもこれで検証する。じゃあ実機を見よう。CML で iosvl2 を 3 台、三角形に結んで、SW1 が Root になるよう priority を 4096 に固定した。SW2 / SW3 は既定の 32768 のままだ。まず Root の SW1 から。

snippet

SW1#show spanning-tree vlan 1
  Root ID    Priority    4097
             This bridge is the root

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- -----
Gi0/0               Desg FWD 4         128.1    P2p
Gi0/1               Desg FWD 4         128.2    P2p
Gi0/2               Desg FWD 4         128.3    P2p

ご主人

This bridge is the root で SW1 自身が Root だと明示されている。全ポートが Desg FWD（Designated Forwarding）だろう。Root Bridge は全ポートが Designated になる、という基本そのままだ。Cost 4 は 1 Gbps リンクの値、Type P2p は点対点リンクで RSTP の高速収束の対象、という意味だよ。

Claurin

Priority が 4097 って半端な数字りん。設定したのは 4096 のはずりん？

ご主人

よく気づいた。Cisco の PVST+ は VLAN ごとに別 STP を動かすから、Bridge Priority に VLAN ID を足し込むんだ。設定値 4096 ＋ VLAN 1 の 1 ＝ 4097。VLAN 10 なら 4106 になる。これを Extended System ID と呼ぶ。さて、ここからが本題だ。SW2 / SW3 は priority 既定のままだから、SW1 に Root を奪われている。問題は三角形の最後の頂点、SW3 だ。SW1 と SW2 の両方に直接つながっている。両方を Forwarding で使うとループが完成してしまう。STP がここで何を選ぶか ── これが本節の山場だよ。

Claurin

両方使うとループ…じゃあ片方を切るしかないりん。STP はどっちを切るりん？ドキドキするりん。

ご主人

見てごらん。これが SW3 だ。

snippet

SW3#show spanning-tree vlan 1
  Root ID    Priority    4097
             Cost        4
             Port        3 (GigabitEthernet0/2)

Interface           Role Sts Cost      Prio.Nbr Type
------------------- ---- --- --------- -------- -----
Gi0/0               Desg FWD 4         128.1    P2p
Gi0/1               Altn BLK 4         128.2    P2p
Gi0/2               Root FWD 4         128.3    P2p

ご主人

注目は下の 2 行だ。SW1 へ直接向く Gi0/2 が Root FWD ── Root への最短経路として選ばれた。そして SW2 へ向かう Gi0/1 が Altn BLK（Alternate / Blocking）になっている。これが核心だ。物理的には Gi0/1 は up していて、対向の SW2 とちゃんとつながっている。通そうと思えば通せる。にもかかわらず、STP はこのポートを論理的にブロックして、データフレームの送受信を止めているんだ。

Claurin

つながってるのに、わざと使わない…！もったいない気もするけど、これでループが消えるんりん。

ご主人

そう、そこが STP の存在意義そのままなんだ。物理的にはループしているのに、1 ポートを論理ブロックすることで実害のあるループが起きない。しかも Gi0/1 は BPDU だけは聞き続けている。だから、もし SW3 Gi0/2 のリンクが故障して SW1 への直接路が失われたら、Blocking だった Gi0/1 が即座に Root Port に昇格して Forwarding に切り替わり、SW2 経由で Root に再収束する。RSTP なら数秒だ。「普段使わないリンク」が「いざという時の予備路」になる ── これが STP / RSTP の本質だよ。

Claurin

ただ遊んでるんじゃなくて、非常時の控え選手なんりん…！かっこいいりん。3 台がどう収束したか、まとめて見たいりん。

ご主人

表にするとこうだ。

スイッチ	Gi0/1	Gi0/2
SW1 (Root)	Desg FWD（→SW2）	Desg FWD（→SW3）
SW2	Root FWD（→SW1）	Desg FWD（→SW3）
SW3	Altn BLK（→SW2）	Root FWD（→SW1）

ご主人

実際に使われているリンクは SW1-SW2 と SW1-SW3 の 2 本だけ。SW2-SW3 の片側（SW3 Gi0/1）が Blocking だ。三角形の 1 辺を「切った」結果、SW1 を根とする V 字の木が出来上がっている。物理は三角でも、論理は木 ── これが Spanning Tree という名前の意味だね。

Claurin

三角を木に変える ── 名前どおりの仕事りん！ループの恐怖から、論理ブロックで木構造を作る安心まで、すっきり追えたりん。ありがとうご主人！

ご主人

よく追えた。STP は「ループのある物理から 1 本を Blocking して木を作る」発想だったけど、次はちょっと違う発想の冗長化を見るよ。2-7 EtherChannel では、複数の物理リンクを 1 つの論理リンクに束ねる仕組みをやる。STP に Blocking させるんじゃなくて、最初からループにならない「太い 1 本」を作る、という手法だ。束ねた本数ぶん帯域も増える、おいしい話だよ。