スパニングツリープロトコルの概要
スパニングツリープロトコルの仕組み
ループが発生すると、イーサネットネットワークはブロードキャストストームの影響を受けやすくなります。しかし、イーサネットネットワークには、リンク障害が発生した場合に冗長パスを提供するループを含める必要があります。スパニングツリープロトコルは、リンクの冗長性を提供すると同時に望ましくないループを防止するため、これらの問題の両方に対処します。
デバイスの各デバイスは、スパニングツリープロトコル(STP)、ラピッドスパニングツリープロトコル(RSTP)、マルチプルスパニングツリープロトコル(MSTP)、およびVLANスパニングツリープロトコル(VSTP)によって、レイヤー2ループ防止を提供します。RSTPは、イーサネットネットワーク上のループを防止するためのデフォルトのスパニングツリープロトコルです。
このトピックでは、以下について説明します。
- スパニングツリープロトコルを使用するメリット
- スパニングツリープロトコルがブロードキャストストームを防止
- ルート ブリッジと指定ブリッジを選択するためのブリッジ プライオリティの理解
- ポートの役割によってスパニングツリーへの参加が決定
- ポートの状態によって、ポートがフレームを処理する方法が決まります
- エッジ ポートは、スパニング ツリーに含めることができないデバイスに接続します
- BPDU はスパニングツリーを維持します
- ルートブリッジに障害が発生した場合
- リンク障害発生後、デバイスはMACアドレスを再度学習する必要がある
スパニングツリープロトコルを使用するメリット
スパニングツリープロトコルには次の利点があります。
リンクの冗長性を提供すると同時に、望ましくないループを防止
ブロードキャストストームの防止
PC、サーバー、ルーター、ハブなど、他のスイッチと接続されていない STP に対応していないデバイスには、エッジ ポートを使用して接続します
スパニングツリープロトコルがブロードキャストストームを防止
スパニングツリープロトコルは、ツリーのルートとリーフの間に利用可能なパスが1つだけあるブリッジングされたネットワーク全体のツリートポロジー(スパニングツリー)を作成することにより、ネットワーク内のループをインテリジェントに回避します。その他のパスは、強制的にスタンバイ状態になります。ツリー ルート は、STA(スパニングツリー アルゴリズム)によって選択されるネットワーク内のスイッチで、ネットワーク全体のブリッジとルート ブリッジ間の最適パスを計算するときに使用します。フレームは、ネットワークを介して、ブランチに沿って宛先(エンドユーザーPCなどの リーフ )に移動します。ツリー ブランチ は、ブリッジ間のネットワークセグメントまたはリンクです。STP スパニングツリーを介してフレームを転送するスイッチは 、指定ブリッジと呼ばれます。
拡張レイヤー2ソフトウェア(ELS)設定スタイルをサポートするEXシリーズおよびQFXシリーズスイッチでJunos OSを使用している場合、 force-versionを設定することで、RSTPまたはVSTPの代わりに元のIEEE 802.1Dスパニングツリープロトコル(STP)バージョンを強制的に実行できます。
ルート ブリッジと指定ブリッジを選択するためのブリッジ プライオリティの理解
ブリッジ プライオリティを使用して、どのブリッジをルート ブリッジとして選択するかを制御し、最初のルート ブリッジに障害が発生したときにどのブリッジをルート ブリッジに選択するかも制御します。
各スパニングツリープロトコルインスタンスのルートブリッジは、ブリッジIDによって決定されます。ブリッジ ID は、設定可能なブリッジ プライオリティとブリッジの MAC アドレスで構成されます。ブリッジIDが最も小さいブリッジがルートブリッジとして選択されます。ブリッジのプライオリティが等しい場合、またはブリッジのプライオリティが設定されていない場合、MAC アドレスが最も低いブリッジがルート ブリッジとして選択されます。
ブリッジ プライオリティは、どのブリッジが LAN セグメントの指定ブリッジになるかを決定するためにも使用できます。2 つのブリッジのルート ブリッジへのパス コストが同じ場合、ブリッジ ID が最も小さいブリッジが指定ブリッジになります。
ブリッジの優先度は、4096 単位でのみ設定できます。
ポートの役割によってスパニングツリーへの参加が決定
各ポートには、役割と状態の両方があります。ポートの ロール によって、スパニングツリーへの参加方法が決まります。RSTP で使用される 5 つのポートの役割は次のとおりです。
ルート ポート:ルート ブリッジに最も近いポート(ブリッジからのパス コストが最も低いポート)。これは、ルートブリッジからフレームを受信し、ルートブリッジにフレームを転送する唯一のポートです。
指定ポート:ルートブリッジからリーフに向けてトラフィックを転送するポート。指定ブリッジには、サービスを提供するリンク接続ごとに 1 つの指定ポートがあります。ルート ブリッジは、指定ポートとして機能するすべてのポートからフレームを転送します。
代替ポート:ルート ポートに障害が発生し、破棄状態になった場合に、ルート ブリッジへの代替パスを提供するポート。このポートはアクティブなスパニングツリーの一部ではありませんが、ルート ポートに障害が発生すると、代替ポートがただちに引き継ぎます。
バックアップ ポート:指定ポートに障害が発生し、廃棄状態になった場合に、スパニングツリーのリーフへのバックアップ パスを提供するポート。バックアップ ポートは、2 つ以上のブリッジ ポートが、ブリッジが指定ブリッジとして機能する同じ LAN に接続する場合にのみ存在できます。指定されたポートのバックアップ ポートは、ポートに障害が発生した場合、直ちにそれを引き継ぎます。
無効ポート:ポートはアクティブなスパニングツリーの一部ではありません。
ポートの状態によって、ポートがフレームを処理する方法が決まります
各ポートには、状態とロールの両方があります。ポート の状態によって、 フレームの処理方法が決まります。RSTP は、指定されたブリッジの各ポートを 3 つの状態のいずれかにします。
Discarding:ポートはすべての BPDU を廃棄します。この状態のポートは、受信したすべてのフレームを廃棄し、MAC アドレスを学習しません。
学習—ポートは、MAC アドレス テーブルを構築するために、受信フレームの位置情報を調べてトラフィックを転送する準備をします。
[転送(Forwarding)]:ポートはフレームをフィルタリングして転送します。転送ステートのポートは、アクティブなスパニングツリーの一部です。
エッジ ポートは、スパニング ツリーに含めることができないデバイスに接続します
スパニングツリーでは、 エッジポートという概念も定義しています。これは、他のスイッチに接続されていないPC、サーバー、ルーター、ハブなど、STPに対応していないデバイスに接続する指定ポートです。エッジ ポートはエンド ステーションに直接接続するため、ネットワーク ループを作成することはできず、すぐに転送状態に移行できます。エッジ ポートは手動で設定でき、スイッチはエンド ステーションからの通信がないことに注意することでエッジ ポートを検出することもできます。
エッジ ポート自体は、ブリッジ プロトコル データ ユニット(BPDU)をスパニングツリーに送信します。ネットワークへの影響を十分に理解している場合は、エッジ ポート インターフェイスの RSTP を変更できます。
BPDU はスパニングツリーを維持します
スパニングツリー プロトコルは、BPDU(ブリッジ プロトコル データ ユニット)と呼ばれるフレームを使用して、スパニングツリーを作成および維持します。BPDU フレームは、あるスイッチから別のスイッチに送信されるメッセージで、ブリッジ ID、ルート パス コスト、ポート MAC アドレスなど、それ自身に関する情報を伝達します。スイッチ間の BPDU の最初の交換によって、ルート ブリッジが決定されます。同時に、BPDU は、ポート速度またはユーザー設定に基づいて、支社デバイス間の各リンクのコストを通信するために使用されます。RSTP は、このパス コストを使用して、データ フレームが 1 つのリーフから別のリーフに移動するための理想的なルートを決定し、他のすべてのルートをブロックします。エッジ ポートが BPDU を受信すると、自動的に通常の RSTP ポートに移行します。
ネットワークが定常状態の場合、スパニングツリー アルゴリズム(STA)がルート ブリッジと指定ブリッジの両方を識別し、すべてのポートが転送状態またはブロッキング 状態になると、スパニングツリーが収束します。ツリーを維持するために、ルート ブリッジは hello タイム 間隔(デフォルトは 2 秒)で BPDU を送信し続けます。これらの BPDU は、現在のツリー トポロジーを引き続き通信します。ポートが hello BPDU を受信すると、その情報が受信ポートにすでに保存されている情報と比較されます。スイッチが BPDU を受信すると、次の 3 つのアクションのうちの 1 つが実行されます。
BPDU データが MAC アドレス テーブルの既存のエントリと一致する場合、ポートは max age と呼ばれるタイマーを 0 にリセットし、現在のアクティブなトポロジ情報を含む新しい BPDU をスパニングツリーの次のポートに転送します。
BPDU のトポロジが変更されると、MAC アドレス テーブルの情報が更新され、 max age が再度ゼロに設定され、新しい BPDU が現在のアクティブなトポロジ情報とともにスパニングツリーの次のポートに転送されます。
ポートが Hello BPDU を 3 回受信せず、そのポートがルート ポートの場合は、スパニングツリーの完全なやり直しが発生します( ルート ブリッジ障害が発生した場合を参照)。一方、ブリッジが非ルート ブリッジの場合、RSTP は接続されたデバイスが BPDU を送信できないことを検出し、そのポートをエッジ ポートに変換します。
ルートブリッジに障害が発生した場合
ルート ポートへのリンクがダウンすると、トポロジ変更通知(TCN)と呼ばれるフラグが BPDU に追加されます。この BPDU が VLAN の次のポートに到達すると、MAC アドレス テーブルがフラッシュされ、BPDU が次のブリッジに送信されます。最終的には、VLAN内のすべてのポートのMACアドレステーブルがフラッシュされます。次に、RSTP は新しいルート ポートを設定しますルート ポートまたは指定ポートに障害が発生すると、プロポーザル合意ハンドシェイクと呼ばれる BPDU の交換後に代替ポートまたはバックアップ ポートがそれを引き継ぎます。RSTP は、1 つのポートを別のポートに接続する 2 つのネットワーク ノードまたはスイッチ間の専用リンクである ポイントツーポイント リンクを介して、このハンドシェイクを伝播します。ローカルポートが新しいルートポートまたは指定ポートになると、プロポーザル合意ハンドシェイクを使用して、最も近い隣接スイッチの受信ポートと迅速な移行をネゴシエートし、ループのないトポロジーを確保します。
リンク障害発生後、デバイスはMACアドレスを再度学習する必要がある
リンク障害が発生すると、関連するすべてのポートがMACアドレステーブルをフラッシュするため、MACアドレスを再学習するためにフラッディングするため、ネットワークが遅くなる可能性があります。この再学習プロセスをスピードアップする方法があります。TCN伝播中に、スイッチのレイヤー2転送テーブルがフラッシュされ、データパケットがフラッドされます。アドレス解決プロトコル(ARP)機能により、スイッチは ARP キャッシュ内の IP アドレス(レイヤー 3 VLAN インターフェイスのために存在します)に対する ARP 要求をプロアクティブに送信します。STPのARPを有効にすると、応答が着信すると、スイッチはレイヤー2転送テーブルを構築し、後のフラッディングを制限します。STP で ARP を有効にすると、RVI を使用する大規模なレイヤー 2 ネットワークで過剰なフラッディングを防止するのに最も役立ちます。
ARP 機能は、ELS(拡張レイヤー 2 ソフトウェア)設定スタイルをサポートする EXシリーズ スイッチの Junos OS では使用できません。
参照
スパニングツリープロトコルの選択
スパニングツリープロトコルを選択する際には、2つの基本的な質問を考慮してください。
どのようなSTP機能が必要ですか?
どのスイッチまたはルーターを使用しますか?
スパニングツリー機能の比較
表 1 では、スパニングツリー プロトコル STP、RSTP、MSTP、VSTP の違いについて説明します。
| プロトコル | の長所 | と短所 |
|---|---|---|
RSTP |
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先端：
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先端：
RSTP が元の STP バージョンとして強制的に実行された場合は、 強制 IEEE 802.1D STP から RSTP または VSTP に戻すことで、RSTP に戻すことができます。 |
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STP |
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先端：
STPインスタンスに参加するインターフェイスを設定するには、 |
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MSTPの |
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先端：
どの論理インターフェイスがMSTPに参加するかを指定するには、 |
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VSTPの |
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先端：
VSTP を使用する場合は、VSTP ブリッジ プロトコル データ ユニット(BPDU)を受信できるすべての VLAN で VSTP を有効にすることを推奨します。
先端：
先端：
スイッチ上のVSTPがサポートするVLANの最大数は、拡張レイヤー2ソフトウェア(ELS)設定スタイルをサポートするEXシリーズおよびQFXシリーズスイッチにJunos OSを使用しているか、ELSをサポートしていないJunos OSを使用しているかによって異なります。 同じネットワーク内で、VSTP を搭載したジュニパーネットワークス スイッチと、PVST+ と Rapid-PVST+ を搭載したシスコ スイッチを使用できます。シスコは、独自の Per-VLAN Spanning Tree(PVST)プロトコルをサポートしており、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1つのスパニングツリーにより、きめ細かなロードバランシングが可能になりますが、VLANの数が増えるにつれて、より多くのBPDU CPU処理が必要になります。PVST は、ジュニパーがサポートしていないシスコ独自の ISL トランク上で動作します。ジュニパースイッチは、PVST+ および Rapid-PVST+ とのみ相互運用可能です。 |
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スパニングツリー プロトコルはすべて、独自の BPDU を生成します。PC 上で動作するユーザー ブリッジ アプリケーションも BPDU を生成できます。これらの BPDU がスイッチ上で実行されている STP アプリケーションによって取得されると、STP の誤計算がトリガーされ、その誤算がネットワーク障害につながる可能性があります。 スパニング ツリー インターフェイスでの BPDU 保護の設定を参照してください。
任意のスパニングツリープロトコル(STP、MSTP、RSTP、VSTP)のインターフェイスを設定する場合、flexible-vlan-taggingファミリーオプションでインターフェイスを設定すると、interface all、vlan all、およびvlan-groupオプションは使用できません。
スイッチとルーターのスパニングツリーのサポートと制限
すべてのスイッチとルーターがまったく同じ機能と設定をサポートしているわけではありません。既知の相違点を 表2に示します。
ルーターまたはスイッチ |
考慮 事項 |
|---|---|
MXシリーズルーター |
MXシリーズ ルーターのみ、仮想スイッチ ルーティング インスタンス タイプを使用して、スパニングツリー インスタンスで LAN セグメントを分離し、VLAN ID 空間を分離できます。MXシリーズルーターでの仮想スイッチルーティングインスタンスの設定を参照してください トレーシングとグローバルトレーシングは、グローバル traceoptions ステートメントを使用して、ACXおよびMXルーターで使用できます(スパ ニングツリープロトコルのトレースオプションについてを参照してください)。 リリース14.1R1以降、これらのSTPログ拡張機能がMXシリーズルーターでサポートされています。
MXおよびACXルーターでは、RSTP、MSTP、VSTPインスタンスインターフェイスをエッジポートとして設定することで、元のSTPバージョンよりも高速なコンバージェンスを実現します。エッジ ポートは直接転送状態に移行するため、プロトコルはエッジ ポートで BPDU が受信されるまで待つ必要はありません。 プロバイダーネットワークでRSTPまたはMSTPを実行しているMXシリーズルーターでは、RSTPまたはMSTPインスタンスへのプロバイダブリッジ参加を有効にすることができます。 RSTPまたはMSTPインスタンスへのプロバイダブリッジ参加についてを参照してください。 |
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先端：
MXシリーズとM Seriesルーター上の802.1adプロバイダーブリッジネットワーク(スタックVLAN)では、単一タグ付きアクセスポートと二重タグ付きトランクポートをシングルスパニングツリーコンテキストで共存できます。このモードでは、VLANスパニングツリープロトコル(VSTP)は、ギガビットイーサネット(ge)、10ギガビットイーサネット(xe)、および集合型イーサネット(ae)インターフェイス上で、タグなしラピッドスパニングツリープロトコル(RSTP)ブリッジプロトコルデータユニット(BPDU)を送受信できます。タグなしRSTP BPDUは、ダブルタグ付きトランクポートを介して送信されるタグ付きVSTP BPDUと相互運用します。二重タグ付けはインターネットサービスプロバイダにとって便利で、すでにVLANタグが付けられているクライアントからのトラフィックを混在させながら、内部でVLANを使用することができます。 |
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ACXシリーズルーター |
MXおよびACXルーターでは、RSTP、MSTP、VSTPインスタンスインターフェイスをエッジポートとして設定することで、元のSTPバージョンよりも高速なコンバージェンスを実現します。エッジ ポートは直接転送状態に移行するため、プロトコルはエッジ ポートで BPDU が受信されるまで待つ必要はありません。 トレーシングとグローバルトレーシングは、グローバル traceoptions ステートメントを使用して、ACXおよびMXルーターで使用できます(スパ ニングツリープロトコルのトレースオプションについてを参照してください)。 |
QFXシリーズスイッチ |
STPの設定を参照してください。 ネットワークに IEEE 802.1D 1998 ブリッジが含まれている場合は、RSTP を削除し、STP を明示的に設定します( RSTP または VSTP を IEEE 802.1D STP として実行する(CLI 手順)を参照してください)。STP を明示的に設定する場合、QFXシリーズ製品は IEEE 802.1D 2004 仕様、フォース バージョン 0 を使用します。この設定では、従来の基本的なSTPと互換性のあるバージョンのRSTPが実行されます。VLAN(仮想 LAN)を使用している場合は、ネットワーク上で VSTP を有効にできます。 QFXシリーズで提供されるSTPサポートには以下が含まれます。
QFXシリーズのネットワーク側でラピッドスパニングツリープロトコル(RSTP)を使用して、ベースのスパニングツリープロトコル(STP)よりも短いコンバージェンス時間を提供します。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ます。ポイントツーポイント リンクに障害が発生すると、代替リンクが転送状態に移行するため、コンバージェンスがスピードアップします。 インターフェイスは、ルート保護またはループ保護のいずれかを設定できますが、両方に設定することはできません。 ELS対応のJunos OSを実行しているEXシリーズ(EX9200を除く)およびQFXシリーズスイッチでは、VSTPは最大510のVLANをサポートできます。 EXシリーズまたは QFXシリーズ スイッチが、Rapid per VLAN スパニング ツリー(Rapid PVST+)を実行しているシスコ デバイスと相互運用する場合は、EXシリーズまたは QFXシリーズ インターフェイスで VSTP と RSTP の両方を有効にすることをお勧めします。 |
EXシリーズスイッチ |
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先端：
EXシリーズスイッチは、VSTP上に最大253のVLANを持つことができます。したがって、できるだけ多くのスパニングツリープロトコルVLANを使用するには、VSTPとRSTPの両方を使用します。RSTP は、VSTP の制限を超える VLAN に適用されます。RSTP はデフォルトで有効になっているため、VSTP を追加で有効にする必要があります。 |
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QFabric |
QFabric システムで STP を実行する必要はありませんが、QFabric システムを別のレイヤ 2 デバイスに接続して STP を使用することは可能です。STPトラフィックは、ネットワークノードグループでのみ処理できます。冗長サーバー ノード グループやサーバー ノード グループなどの他のノード グループは、STP ブリッジ プロトコル データ ユニット(BPDU)トラフィックを破棄し、インターフェイスを自動的に無効にします。サーバー・ノード・グループはホストに接続するプロトコルのみを処理しますが、ネットワーク・ノード・グループはサポートされているすべてのプロトコルを処理します。 |
SRXシリーズファイアウォール |
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