スパニングツリープロトコル

読み：すぱにんぐつりーぷろとこる　／　英語表記：Spanning Tree Protocol

スイッチ（ブリッジ）をループ状に接続したネットワークで、一部のポートをブロックして論理的に木構造にし、フレームが回り続けるのを防ぐプロトコル。IEEE 802.1Dで定められている。

イマシルちゃんの解説

スイッチを輪っかのようにつなぐと、1本ケーブルが切れても別の道で通信できて安心だよね。
でも、そのままだとブロードキャストのフレームが輪っかの中をぐるぐる回り続けて、
ネットワークがパンクしちゃうんだ。これをブロードキャストストームっていうよ。

そこでスパニングツリーは、輪っかのどこか1か所を「通行止め」にして、ループをなくすんだ。
しかも、使っている道が切れたら、通行止めを自動で解除して迂回路にしてくれる。
冗長性とループ防止を両立する、かしこい仕組みなんだよ！

より深い解説

定義

スパニングツリープロトコル（STP）は、レイヤ2のネットワークに物理的なループがあるとき、ブリッジ同士でBPDU（Bridge Protocol Data Unit）という制御フレームを交換し、ループのない木構造（スパニングツリー）を論理的に作るプロトコルである。木に含まれないポートは、データのフレームを転送しないブロッキング状態にする。

なぜループが問題なのか

イーサネットのフレームには、IPのTTLのような「寿命」がない。ループがあると、次の問題が起こる。

問題	内容
ブロードキャストストーム	ブロードキャストのフレームが、ループを回りながら増え続け、帯域を使い尽くす
MACアドレステーブルの不安定	同じ送信元MACアドレスのフレームが、別々のポートから届き、学習内容が書き換わり続ける
フレームの重複	同じフレームが宛先に何度も届く

スパニングツリーの作り方

ルートブリッジを選ぶ

ブリッジID（ブリッジプライオリティ＋MACアドレス）が最も小さいブリッジが、木の根（ルートブリッジ）になる

ルートポートを選ぶ

ルートブリッジ以外の各ブリッジで、ルートブリッジまでのルートパスコスト（経由するリンクのコストの合計）が最小になるポートを、ルートポートにする

指定ポートを選ぶ

各リンク（セグメント）で、ルートブリッジまでのコストが最小のブリッジのポートを、そのリンクの指定ポートにする。ルートブリッジのポートはすべて指定ポートになる

残りをブロックする

ルートポートでも指定ポートでもないポートを、ブロッキングポートにする

コストが同じ場合は、相手のブリッジID、ポートIDの小さいほうが優先される。

コストから木を求める考え方

ルートポートの選び方は、「ルートブリッジから各ブリッジまでの最短経路」を求めることと同じである。そのため、各区間のコストが与えられた図からスパニングツリーを求めるには、ルートを始点にしたダイクストラ法の要領で、近いブリッジから順に「最短でたどり着く経路」を決めていけばよい。各ブリッジについて、最短経路の最後の区間が木に含まれる辺になる。

例：ルートをR、区間のコストを R─X (2)、R─Y (6)、X─Y (3)、X─Z (5)、Y─Z (1) とする

ブリッジ	ルートまでの最小コスト	経路	木に入る区間
X	2	R→X	R─X
Y	5	R→X→Y	X─Y
Z	6	R→X→Y→Z	Y─Z

木に入らないR─Y、X─Zの区間は、どちらかの端のポートがブロックされる。直接つながっている区間でも、コストが大きければ木に含まれないことに注意する。

パスコストの標準値（IEEE 802.1D-1998）

リンク速度	コスト
10Mbit/s	100
100Mbit/s	19
1Gbit/s	4
10Gbit/s	2

速いリンクほどコストが小さく、ルートへの経路として選ばれやすい。

ポートの状態遷移（802.1D）

状態	フレームの転送	MACアドレスの学習	BPDUの処理
ブロッキング	しない	しない	受信のみ
リスニング	しない	しない	送受信
ラーニング	しない	する	送受信
フォワーディング	する	する	送受信

ブロッキングからフォワーディングに移るまで、リスニングとラーニングにそれぞれ転送遅延（標準15秒）がかかる。障害を検知するまでの最大エージ（標準20秒）を合わせると、切り替えに最大50秒程度かかる。この遅さを改善したのがRSTPである。

スパニングツリーの弱点

ブロックしたリンクは、平常時にはまったく使われない（帯域の無駄）
障害時の切り替えが遅い
VLANが複数あっても、1つの木しか作れない（MSTPで解決）

このため、データセンターなどでは、リンクアグリゲーションやスタック、レイヤ3の冗長化と組み合わせて、STPに頼らない設計も増えている。