STPとは？ わかりやすく10分で解説

はじめに

STPとは？

STP（Spanning Tree Protocol）は、Ethernet（L2）ネットワークに冗長な経路があるときに発生し得るループ（L2ループ）を防ぐためのプロトコルです。IEEE 802.1Dとして標準化され、冗長リンクを残しつつも、論理的にはループのないツリー構造になるようにスイッチのポートを制御します。

L2ループが起きると、ブロードキャストや未知ユニキャストがネットワーク内を回り続け、ブロードキャストストーム、MACアドレステーブルの不安定化（フラッピング）、CPU負荷上昇などを引き起こし、最悪の場合はネットワーク全体が利用困難になります。STPはこのような事態を避けるために、冗長な経路の一部を待機（遮断）させ、障害時には別経路へ切り替えられる状態を維持します。

STPの歴史

Ethernetはもともとフレームを宛先MACアドレスで転送する仕組みであり、IPのように「経路情報に基づいてループを避ける」機能を持ちません。そのため、可用性を高める目的で冗長リンクを張ると、L2ループのリスクが現実的になります。

この課題に対して、ルートブリッジを中心としたツリーを形成し、冗長リンクを論理的に抑止する仕組みとしてSTPが普及しました。後に、収束（切り替え）を高速化するRSTPや、VLAN環境に対応した拡張方式が登場し、用途に応じた選択肢が増えています。

STPが解決する問題

STPが解決する中心課題は、L2ループが引き起こす次のような障害です。

• ブロードキャストストーム：ブロードキャストが回り続け、帯域やCPUを枯渇させる
• MACアドレステーブルの不安定化：同一MACが複数ポートで観測され、転送が乱れる
• 未知ユニキャストの増加：学習が追いつかず、不要なフラッディングが増える

STPはスイッチ間でBPDU（制御フレーム）を交換し、ネットワークトポロジーを判断して、ループになり得るポートを論理的に遮断します。結果として、冗長構成を保ちながらも、平常時はループを作らない安定した状態を維持できます。

STPの機能と利点

STPの利点は「冗長化」と「安定運用」の両立です。

• ループ防止：L2ループを論理的に排除し、ネットワーク崩壊を防ぐ
• 冗長性の確保：待機リンクを残し、障害時に代替経路へ切り替えられる
• 自動制御：スイッチ間の情報交換により、トポロジー変化へ追従する

一方で、STPは「帯域を最大限に使って負荷分散する」設計ではありません。平常時は冗長リンクの一部が遮断されるため、帯域効率を重視する設計では、L3設計や別方式（MLAGなど）も含めて検討されます。

STPの仕組み

STPは、スイッチ同士がBPDUを交換し、ルートブリッジを決め、各リンク上で「転送してよいポート」と「待機させるポート」を決定することで、論理ツリーを形成します。

BPDUとは？

BPDU（Bridge Protocol Data Unit）は、STPの制御に使われるフレームです。スイッチはBPDUを定期的に送受信し、ルートブリッジ情報やパスコストなどの情報をやり取りして、最適なツリーを維持します。

なお、BPDUは一般的な意味の「ブロードキャスト」ではなく、STP用に予約された宛先（特定のMACアドレス）へ送られる制御フレームとして扱われます。これにより、STPが想定しない機器や領域へ無制限に広がらないようになっています。

ルートブリッジの選出

STPではまず、ネットワーク全体の基準点となるルートブリッジを選びます。一般的にはBridge ID（優先度＋MACアドレス）が最も小さい（優先度が低い、同値ならMACが小さい）スイッチがルートになります。

運用上は、意図したスイッチがルートになるように優先度を調整するのが定石です。ルートが想定外の場所にあると、経路が不自然になったり、切り替え時の影響範囲が読みにくくなったりします。

ポート役割とポート状態

ルートが決まると、各スイッチはルートへ向かう最短経路（パスコスト）を基に、ポートの役割を決めます。代表的な役割は次のとおりです。

• Root Port：そのスイッチからルートへ向かう最良のポート（基本的に1つ）
• Designated Port：そのセグメントで転送を担当するポート
• Non-Designated（Alternate）：ループ回避のため待機させるポート

また、STP（802.1D）のポート状態は、主に以下のように遷移します。

• Blocking：ユーザートラフィックを転送せず、ループを回避する
• Listening：トポロジー確定に向けてBPDUを処理する（学習はまだ）
• Learning：MACアドレスを学習する（転送はまだ）
• Forwarding：ユーザートラフィックを転送する

この状態遷移により、トポロジー変更時でもループが生じにくいように慎重に切り替えが行われます。ただし、その分だけ収束に時間がかかる点が、クラシックSTPの弱点でした。

STPの収束とタイマー

STPはトポロジー変化が起きた際に再計算を行い、必要に応じて遮断ポートを転送状態へ切り替えます。この挙動にはタイマー（Hello、Max Age、Forward Delayなど）が関わり、結果として切り替え完了までに一定の時間がかかることがあります。

「障害時に数十秒単位で通信断が起きることがある」という性質は、設計・運用で必ず把握しておくべきポイントです。高速収束が必要な環境では、後述するRSTP系の採用が一般的です。

STPの注意点

STPは便利な一方、設定や設計が曖昧だと「守ってくれるはずの仕組み」が逆に事故を広げることがあります。代表的な注意点は次のとおりです。

• ルートブリッジの意図的な設計：ルートを固定し、経路と影響範囲を読みやすくする
• エッジポートの扱い：端末接続ポートは、意図せずSTP計算に巻き込まれないよう配慮する
• BPDUの受け入れ範囲：想定外のスイッチ接続でトポロジーが変わらないよう対策する
• 方式の混在：STP/RSTP/MSTPなどの混在は、挙動理解と検証が重要

STPの関連技術

STPには、収束の高速化やVLAN環境への対応を目的とした拡張・派生が存在します。ここでは、現場で名前を見かけやすい方式を整理します。

RSTP

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）は、IEEE 802.1wとして標準化された高速版STPです。クラシックSTPよりも収束が速く、リンク障害やトポロジー変更からの回復時間を短縮できます。現在のスイッチでは、RSTPを標準として扱うケースも多く、STPを使うならRSTP前提で設計されることが増えています。

PVST+ / Rapid-PVST+

PVST+（Per VLAN Spanning Tree Plus）は、VLANごとにスパニングツリーを持つ方式で、ベンダー実装（代表的にはCisco系）として広く知られています。VLAN単位でルートを分けて設計できるため、VLANごとの経路最適化や負荷分散に活用されることがあります。

Rapid-PVST+は、PVST+の考え方をRSTP相当で動かす方式です。VLANごとに高速収束を狙える一方で、VLAN数が多いと管理・負荷の観点で設計が難しくなることがあります。

MSTP

MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）は、複数のVLANをグループ化し、グループ単位（インスタンス単位）でスパニングツリー計算を行う方式です。VLANごとに個別計算する方式と比べて、インスタンス数を抑えられるため、大規模環境での運用性や負荷面で利点があります。

各関連技術の違い

選定の考え方は次のように整理できます。

• STP（802.1D）：基本形。収束は遅め
• RSTP（802.1w）：高速収束。現代的なL2冗長の基本
• PVST+ / Rapid-PVST+：VLANごとにツリー（主にベンダー実装）。柔軟だが規模が大きいと管理・負荷に注意
• MSTP：VLANをまとめてインスタンス単位で計算。大規模向き

重要なのは「どれが優れているか」ではなく、VLAN規模、収束要件、運用体制、ベンダー構成などの前提に合う方式を選ぶことです。

STPによるネットワーク冗長化

冗長化は可用性を高める基本ですが、L2では冗長リンクがそのままループのリスクになります。STPは、冗長リンクの一部を待機させることで、平常時はループを作らず、障害時には代替経路へ切り替えられる状態を維持します。

ネットワーク冗長化とSTPの役割

L2冗長化の典型は、スイッチを複数台でリング状またはメッシュ状に接続する構成です。このとき、ループ防止がないとブロードキャストストームなどが発生します。STPは、BPDUでトポロジーを判断し、どのリンクを転送に使い、どのリンクを待機させるかを決めることで、冗長性と安定性を両立します。

STPの設計ポイント

「STPを有効化したから安心」ではなく、少なくとも次の観点は設計で押さえます。

• ルートブリッジの固定：意図したコア／集約がルートになるよう優先度を設計する
• 経路の意図：遮断されるリンクが想定通りか（平常時の利用リンク）を確認する
• 障害時の切り替え要件：許容できる復旧時間に合う方式（RSTP/MSTPなど）を選ぶ
• 境界の管理：想定外のスイッチ接続でトポロジーが変わらないよう対策する

トラブルシューティングの基本

STP関連トラブルの切り分けは、「ルートは誰か」「遮断されているポートはどれか」「なぜその判断になっているか」を順に確認します。確認ポイントは次のとおりです。

• ルートブリッジ：想定した装置がルートになっているか
• ポート役割／状態：Root/Designated/Alternate と Forwarding/Blocking が想定通りか
• トポロジー変更：頻発していないか（不安定リンク、誤配線、ループ混入の兆候）
• BPDUの受信：想定外のBPDUが入っていないか（誤接続・誤設定）

運用では、障害時に切り替えが起きること自体は正常ですが、切り替えが頻発する場合は、物理層の不安定、配線ミス、ルート設計の不備などが疑われます。

STPの今後

STPの利用トレンド

現代のL2ネットワークでは、クラシックSTP（802.1D）よりも、RSTP（802.1w）や、規模に応じてMSTPを採用する構成が一般的です。一方で、STP系は今も「L2ループを確実に防ぐ」という基本要件に対して有効であり、運用現場で避けて通れない技術でもあります。

ただし、データセンターや帯域効率を強く求める領域では、STPでリンクを止める設計よりも、別方式（MLAG等）やL3設計を採るケースも増えています。どちらが正しいというより、要件に合う方式を選ぶことが重要です。

SDNとSTP

SDNは集中制御で経路やポリシーを最適化しやすい一方、L2の基本的なループ対策が不要になるわけではありません。実際の設計では、SDNの制御下でも、境界条件やフェイルセーフの観点から、STP系の仕組みが併用されることがあります。

「集中制御で最適化する領域」と「分散制御で最低限守る領域」を分けて設計することで、柔軟性と耐障害性を両立しやすくなります。

ネットワーク技術発展

IoTやエッジの増加により、L2が長く伸びる構成や、現場都合で配線変更が起きやすい環境も増えています。そうした場面では、L2ループのリスクは今後も現実的であり、STP系の知識と運用設計は引き続き重要です。

STPは「古い技術」になりつつも、現場での事故を防ぐ最後の砦として機能します。採用するなら、方式選定（RSTP/MSTP等）とルート設計、そして運用時の監視・切り分け手順まで含めて整備しておくことが、安定運用につながります。