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スイッチング

STP（スパニングツリープロトコル） すぱにんぐつりーぷろとこる

スパニングツリーループ防止ブロードキャストストームRSTPレイヤー2冗長化
STPって何？なんでスイッチに必要なの？

簡単に言うとこんな感じ！

ネットワークの「無限ループ防止係」だよ！スイッチを複数つないで冗長化すると、パケットがぐるぐる回り続ける「ブロードキャストストーム」が起きちゃう。STPはその危険な経路を自動的にふさいで、ループのないツリー状の安全な経路だけを使えるようにしてくれるプロトコルなんだ！

STPとは

STP（Spanning Tree Protocol） は、複数のスイッチで構成されるネットワークにおいて、パケットが無限に循環する「ループ」を自動的に防ぐレイヤー2のプロトコルです。IEEE 802.1Dとして標準化されており、現代のLAN設計に欠かせない基礎技術の一つです。

スイッチを冗長構成（障害に備えて複数の経路を用意すること）にすると、物理的にループが生まれます。このループにパケットが流れ込むと、同じデータが何度も転送され続けるブロードキャストストームが発生し、ネットワーク全体がダウンしてしまいます。STPはこの問題を解決するために、論理的にループを断ち切り、使用するポートと遮断するポートを自動で決定します。

仕組みとしては、スイッチ同士が BPDU（Bridge Protocol Data Unit） と呼ばれる制御メッセージを交換し合い、ネットワーク全体を「木（ツリー）構造」に整形します。障害が発生すると、遮断していたポートを再び有効化して自動的に経路を切り替えます。

STPの仕組みと動作フロー

STPは以下のステップで動作し、ループのないツリー構造を構築します。

① ルートブリッジの選出

全スイッチが BPDU を交換
         ↓
Bridge ID（プライオリティ + MACアドレス）が
最も小さいスイッチが「ルートブリッジ」に選ばれる
         ↓
ルートブリッジがツリーの「根っこ」になる

② ポートの役割決定

ポートの種類役割状態
ルートポートルートブリッジへの最短経路ポート転送（Forwarding）
指定ポートセグメントへの最適ポート転送（Forwarding）
非指定ポート（ブロックポート）ループになる経路を遮断ブロッキング（Blocking）

③ ポートの状態遷移

STPのポートは段階的に状態が変わります。収束（ループのないツリーが完成すること）まで最大50秒かかるのが旧来STPの弱点です。

Blocking（受信のみ）
    ↓ 15秒（リスニングタイマー）
Listening（BPDU送受信）
    ↓ 15秒（ラーニングタイマー）
Learning（MACアドレス学習）
    ↓
Forwarding（通常転送）

STPの覚え方

「ブロッキング → リスニング → ラーニング → フォワーディング」は
「ブ・リ・ラ・フォ」（ブリラフォ）と覚えよう！

STPのバリエーションと進化

STPは長い歴史の中で改善されてきました。

STPの進化系統 STP IEEE 802.1D（1990年） RSTP（高速STP） IEEE 802.1w（2001年）収束1〜2秒 PVST+ Cisco独自・VLAN別STP Rapid PVST+ Cisco独自・高速版 MSTP（多重スパニングツリー） IEEE 802.1s（2002年）複数VLAN対応 現在の主流 多くの機器でRSTP（802.1w）またはMSTP（802.1s）が標準搭載

各バージョンの比較

プロトコル規格収束時間VLAN対応備考
STPIEEE 802.1D最大50秒非対応最初の標準。現在は非推奨
RSTPIEEE 802.1w1〜2秒非対応STPの改良版。現在の主流
PVST+Cisco独自最大50秒○（VLAN別）Cisco機器で広く使われる
Rapid PVST+Cisco独自1〜2秒○（VLAN別）RSTP＋PVST+の組み合わせ
MSTPIEEE 802.1s1〜2秒○（グループ単位）大規模環境向け

STPの重要な用語まとめ

用語意味
ルートブリッジツリーの起点となるスイッチ。Bridge IDが最小のもの
Bridge IDプライオリティ（既定値32768）＋MACアドレスで構成
BPDUスイッチ間でやり取りする制御メッセージ
パスコストルートブリッジまでの経路の「コスト」。帯域幅が高いほど低い
ブロードキャストストームループによりパケットが無限に増殖する障害
PortFastエンドデバイス接続ポートでSTP待ち時間を省略するCiscoの機能

歴史と背景

  • 1985年頃 — Digital Equipment Corporation（DEC）のRadia Perlman氏がスパニングツリーアルゴリズムを考案。「STPの母」と呼ばれる
  • 1990年 — IEEE 802.1DとしてSTPが標準化。LAN設計の基礎技術として普及
  • 1990年代 — Ciscoが独自拡張のPVST（Per-VLAN Spanning Tree）を開発。VLAN単位でツリーを管理できるように
  • 2001年 — 収束時間の遅さを解決したRSTP（IEEE 802.1w）が標準化。1〜2秒での収束を実現
  • 2002年 — 複数VLANをグループ管理できるMSTP（IEEE 802.1s）が標準化
  • 2004年 — IEEE 802.1DがRSTPを取り込む形で改訂。旧STPは事実上置き換えられる
  • 現在 — 多くのスイッチでRSTpまたはMSTPがデフォルト。大規模DCではSTPを使わない設計（SPB・TRILL・VXLAN等）も増加

実務上の注意点

STPが原因の障害あるある

【よくあるトラブル】

① ループ検出されずにブロードキャストストーム発生
  → 原因: STPが無効化されていた、または設定ミス

② 収束に時間がかかりネットワーク断が長引く
  → 原因: 旧STP（802.1D）を使用中。RSTPへ移行を検討

③ 意図しないポートがブロックされる
  → 原因: ルートブリッジが意図しないスイッチに選出された
  → 対策: 重要なスイッチのプライオリティを低く設定する

④ サーバーやPCをつないだら30秒ほどつながらない
  → 原因: STPの収束待ち
  → 対策: エンドデバイス接続ポートにPortFast（RSTP: Edge Port）を設定

発注・選定時のチェックポイント

確認事項ポイント
対応バージョンRSTPまたはMSTP対応か確認。旧STPのみは避ける
PortFast / Edge Portサーバー・PC接続ポートに設定可能か
BPDU Guard誤接続によるループを防ぐ保護機能があるか
ルートブリッジ制御プライオリティ手動設定で意図したスイッチをルートに固定できるか

関連する規格・RFC

規格・RFC番号内容
IEEE 802.1DSTPの原規格（現在はRSTPを包含）
IEEE 802.1wRSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）
IEEE 802.1sMSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）
IEEE 802.1QVLANの標準規格。STPと組み合わせて使われる

関連用語

  • VLAN — ネットワークを論理的に分割する技術。STPと組み合わせてVLAN単位でループ管理を行う
  • [レイヤー2ス