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ネットワークにおける冗長化技術のプロトコルです。IEEE 802.1dによって標準化され、円環状のネットワークでデータが永続的に循環するリスクを排除します。加えて、冗長化された経路を持つネットワーク上で物理的なループの解消を実施します。

物理的なループは、ネットワークトラフィックの混乱や、重要なネットワークリソースの無駄遣いを引き起こす可能性があります。STPはその役割を引き受け、ループが生まれないようにネットワークをツリー構造で管理します。

現代のネットワーク環境において、ネットワークループは避けがたい課題であり、STPはこの問題の解消方法を提供していると言えるでしょう。

STPの歴史

STPは、元々はデータネットワークの冗長化という目的で生まれました。ネットワークが拡大し、それに伴ってネットワークトラフィックも増加すると、物理的なループが発生し、ネットワークパフォーマンスが低下する問題が浮上しました。

ネットワーク技術者たちは、ネットワークトラフィックによる混乱を防ぎつつ、高い可用性を提供する方法としてSTPを発案しました。以来、STPはネットワーク冗長性と信頼性を向上させるための重要なツールとして活用されています。

STPの開発と普及は、ネットワーク冗長の確保と一貫したネットワークパフォーマンスの維持に貢献してきました。

STPが解決する問題

STPが解決する主要な問題は、物理的なループの解消と通称「ブロードキャストストーム」の防止です。ブロードキャストストームは、ネットワーク上でデータが無制限に転送され続ける状態を指し、ネットワークリソースを枯渇させます。

STPが有効なスイッチングハブが円環状に連結されているネットワーク環境では、このプロトコルが一定時間ごとに特殊なフレームを他のスイッチングハブに送信し、ネットワークの状態や変化を自動的に検知します。この過程により、STPはループの可能性を排除し、ブロードキャストストームを防ぐことが可能です。

通信障害の防止だけでなく、STPはネットワークの性能向上やリソースの使用効率向上にも寄与します。これは、通信経路の最適化により、ネットワークトラフィックの一貫性と安定性を保つからです。

STPの機能と利点

STPの一つの大きな機能は、ネットワークをツリー構造に制御し、ネットワークトラフィックを的確にルーティングすることで、ループの発生を確実に防ぐことです。

また、STPの別の重要な功績は「ブロードキャストストーム」の防止です。STPはデータフローを管理してネットワーク中のデータ混乱を防止し、高性能なネットワーク環境を保証します。

これらの機能により、STPはネットワーク環境の冗長性と信頼性を向上させることができ、これらはネットワークに最適なパフォーマンスと連続性を提供します。

STPの仕組み

STP（スパニングツリープロトコル）の仕組みは、広範なネットワークインフラストラクチャの安全な切り替えを可能にする鍵となる要素を含んでいます。以下では、その詳細について深掘りします。

BPDUとは？

STPの核心的な部分を形成するのがBPDU (Bridge Protocol Data Unit)です。これはSTPを制御する特別なデータフレームであり、一定の時間ごとにSTPが有効なスイッチングハブから他のスイッチングハブへとブロードキャストされます。

BPDUはループの防止と、ネットワークトポロジーの変更を検知する役割を果たすため、STPが円滑に動作する際の命令体系を作ります。

この仕組みのおかげで、STPはネットワークの状態を判断し、最適な通信経路を選択することが可能です。

ポート状態と遷移

STPの動作を理解するための重要な要素の一つがポートの状態です。これはSTPにおける各ポートの状態を示し、具体的にはブロッキング、リスニング、ラーニング、フォワーディングの四つがあります。

簡単に言うと、これらの状態はスイッチがトラフィックをどのように処理するかを決定します。例えば、ブロッキング状態では、スイッチはトラフィックをブロックしますし、フォワーディングの状態では、スイッチはトラフィックをそのまま転送します。

これらの状態遷移を理解することで、ネットワークの効率的な管理とトラフィックの統制が可能になります。

STPの起動プロセス

STPが起動する際のプロセスの流れも、STPの全体像を理解する上で重要な要素です。この流れは一般的に、イニシャライゼーション、選出、そして学習と転送の四つのフェーズから成り立っています。

最初にスイッチが起動すると、STPのイニシャライゼーションが始まります。次に、すべての接続されたネットワークデバイス間で、ルートブリッジ（ネットワーク上で最も優先度の高いブリッジ）の選出が行われます。

その後、ネットワークトポロジーがスタビライズするまでポートの状態遷移が行われ、最終的には最適な経路が選ばれ、データが転送されます。

STPの注意点

最後に、STPを運用する際の注意点も挙げておきます。まず一つは、STPが複数のスイッチ間で正しく運用できるよう、ネットワーク全体に渡って一貫したSTP設定を行うことが重要だということです。

また、あまりに多くのSTPインスタンスが同時に動作するとネットワークのパフォーマンスに悪影響を及ぼす可能性があるため、適切な数のSTPインスタンスをメンテナンスすることが求められます。

さらに、スイッチの冗長性を保つためにも、各スイッチに異なるルートブリッジを選出するなど、STPの設定を適切に行うことが必要です。

STPの関連技術

 STPは、ネットワークの冗長化を図りつつも、安定した通信を保つための重要なプロトコルです。そして、その応用として幾つかの技術が開発されています。ここでは、STPの応用として重要な位置を占める「PVST+」、「Rapid-PVST+」、「MSTP」といった技術について解説します。

PVST+

PVST+とは、Per VLAN Spanning Tree Plusの略で、複数のVLANで個別のネットワーク接続形態を構成することが可能な技術です。STPが適用されていないネットワークでは、VLANごとのツリー構造の設定は難しいものの、PVST+を使用することでそれが可能になります。これにより、VLANの柔軟性を損なうことなく、ネットワーク全体の安定性を高めることができます。

Rapid-PVST+

Rapid-PVST+は、PVST+の技術を採用したRapid Spanning Tree Protocol (RSTP)の拡張プロトコルです。この技術により、STPの再計算時間が大幅に短縮され、より速やかにネットワーク異常からの回復が可能となります。大規模ネットワークにおいては、わずかな時間でも通信の遅延が大きな問題となり得るため、Rapid-PVST+のような高速化技術は非常に重要です。

MSTP

MSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）は、IEEE 802.1Sを標準化した技術であり、複数のスパニングツリーを一つのフレーム内に収容することを可能としました。これにより、ネットワークリソースの有効活用が可能となり、大規模なネットワークにおける負荷分散や障害からの迅速な回復が期待できます。また、MSTPでは論理トポロジーによるグループを「インスタンス」と呼び、インスタンスごとにSTPの計算が処理されます。

各関連技術の違い

PVST+、Rapid-PVST+、MSTPはいずれもSTPを基に開発された技術ですが、その特性や利点は異なります。PVST+はVLANごとのスパニングツリー構造を可能にする点で重要で、Rapid-PVST+は再計算時間の短縮による迅速な回復が強みであり、MSTPは複数のスパニングツリーを一つにまとめることでリソースの有効活用が可能です。 これらの技術を選択する際には、それぞれの特性を理解し、ネットワークの大きさや運用方法、そして求められるサービスの内容に合せて最適なものを選択することが求められます。

STPによるネットワーク冗長化

STP (Spanning Tree Protocol)は、Ethernetネットワーク上での冗長性を提供するための重要なプロトコルです。ネットワーク構築における冗長化とは、ネットワーク環境において信頼性と可用性を提供するため、複数のパスを用意することです。しかし、その冗長性がL2ループという問題を引き起こし、通信を阻害する可能性があります。

そこでスポットライトを浴びるのが、このSTPです。STPはL2ループを解消し、ネットワークをツリー構造に制御する役割を担い、円環状のネットワークでデータが永続的に流れ、通信障害が発生する事態を防ぎます。

この章では、STPの適用を通じたネットワーク冗長化の実装について具体的に解説します。

ネットワーク冗長化とSTPの役割

ネットワーク冗長化は、信頼性と耐障害性を高めるために極めて重要な技術です。STPプロトコルは、この冗長化を支えるために重要な役割を果たします。

L2ループは通常、3台以上のスイッチングハブで円環状のネットワークを構成した場合に発生します。STPは、物理的なL2ループの解消と、ブロードキャストストーム（ネットワーク上でデータが終わることなく転送され続ける状態）の防止という二つの主要な機能を果たします。

STPを適用することで、冗長なネットワーク構造がもたらすリスクを軽減し、安定した通信環境の維持が可能です。

STPの設定

STPの設定過程は、まずネットワーク全体のトポロジーと、各スイッチでのポート状態を自動的に認識することから始まります。

この認識は、STPが制御する特殊なフレームであるBPDU (Bridge Protocol Data Unit)のブロードキャストによって行われます。そして、BPDUは一定時間ごとにSTPが有効なスイッチングハブから他のスイッチングハブにブロードキャストされるものです。

BPDUの情報を基に、スイッチポートの状態がブロッキング、リスニング、ラーニング、フォワーディングのいずれかとなり、最終的な有効パス（スパニングツリー）が決定されます。

デバッグとトラブルシューティング

構築したネットワークが意図通りに動作しない場合、STPの設定や動作を確認することが必要です。デバッグおよびトラブルシューティングのためのスキルは、ネットワーク管理者にとって不可欠です。

STPが適切に機能しているかを確認するためには、各スイッチのポート状態を取得する、BPDUの情報を解析するなどの方法があります。

また、冗長化が必要な部分のみにSTPを適用するなど、ネットワーク全体の設計を見直すことで問題を解消する場合もあります。

STPによるネットワーク最適化

STPを活用したネットワークの最適化には、複数の手法が存在します。

PVST+は、複数のVLAN（仮想LAN）で個別のネットワーク接続形態を構成し、Rapid-PVST+は同様にRSTP（Rapid STP）の拡張プトロコルとして機能します。またMSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）は、論理トポロジーによるグループを「インスタンス」と呼び、インスタンスごとにSTPの計算を行う技術です。

これらの技術により、STPは大規模なネットワークでも柔軟かつ効率的な冗長化を実現します。

STPの今後

STPの利用トレンド

STPは、Ethernetネットワーク環境での冗長化をフィーチャーとするプロトコルとして広く利用されています。また、BPDU（Bridge Protocol Data Unit）という特殊フレームを使ったネットワーク制御は、STPの特徴的機能として評価されています。

最近のトレンドとして、伝統的なSTPに加えて、Rapid-PVST+やMSTP（Multiple Spanning Tree Protocol）などの新しいプロトコルの利用が増えています。これらの拡張プロトコルは各々独特の特性を持っており、特定の場面でSTPより優れたパフォーマンスを発揮することがあります。

しかし、大規模なネットワーク環境では依然としてSTPが重要な役割を果たしており、その利用は現在においても必要性が高いままです。

SDNとSTP

ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）は、ネットワークの制御を中央集中型で行う技術であり、近年注目を集めています。SDNとSTPを比較すると、それぞれに一長一短があることが分かります。

SDNでは、全体のネットワーク構成を一元的に把握し、トラフィックフローを最適にコントロールできます。一方、STPはネットワーク上のループ構造を解消し、物理トポロジーに対する忍耐性を保証します。

実は、これら2つの技術は排他的なものではなく、一部の大手ネットワーク機器製造業者はすでにSDNとSTPを統合するソリューションを提供しています。つまり、ネットワークインフラの柔軟性と耐障害性を同時に確保することが可能です。

ネットワーク技術発展

ネットワーク技術は日進月歩で進化していますが、その中でもSTPは今後も引き続き重要な位置を占めるでしょう。STPの基本的な機能であるループ防止と冗長性の確保は、どのようなネットワーク設計においても必要不可欠な要素です。

近年、IoTやエッジコンピューティングなどの新たな技術の台頭に伴い、各デバイスが相互に通信を行うネットワーク構成が増えてきました。こうした複雑なネットワーク環境で、STPは引き続き円環構造を解消し、データフローの制御に貢献することが期待されます。

また、新たなプロトコルとともにSTPを強化、改良する研究開発も進行中です。これにより、より効率的な円環構造の解消や尚更の冗長化を実現することが可能になるかもしれません。