L2の処理をするデバイス。

送信されてきたフレームの、送信元MACアドレスを見て、
自分のMACアドレステーブルに、情報を記録しておく。
*「学習する」という表現が用いられる。
*記録された情報は、「既知の情報」という表現が用いられる。

送信されてきたフレームの、宛先MACアドレス部分を見て、
知っているMACアドレスなら、該当するポートにのみ、転送する。
知らないMACアドレスなら、送信されてきたポート以外の全ポートに転送する。(=フラッディング)

上記のように、ハブに比べて、頭の良い機能をしてくれるが、
リング状に接続した場合、この頭の良い機能が、逆に、問題を起こす。
<その1 ループ問題>

PC1111からPC3333に送信する場合。
PC1111フレーム発射。
S1111フレーム受信。
 →PC1111のMACアドレス学習
宛先MACアドレス(PC3333)のMACアドレスがテーブルにないので、
S2222とS3333の2方向に、フラッディング。
S2222、フレーム受信。
 宛先MACアドレスを知らないので、PC2222とS3333の2方向にフラッディング。
 →PC2222、自分宛てのフレームではないので、フレームを破棄。
 →S3333、宛先MACアドレスを(まだ)知らないので、PC3333とS1111の2方向にフラッディング。
  →PC3333、自分宛のフレームなので受信。返信フレーム送出。→S3333、フレーム受信。★
S1111、宛先MACアドレスを知らないので、PC1111とS2222の2方向にフラッディング。

この時点で、ループが開始されてしまっている。
あとは、延々と、フラッディングによるループが繰り返され、フレームが延々と回り続ける。
*ARPパケットのような返信するパケット(フレーム)がある場合には、
 ★の後で、PC3333からフレームが送出され、S3333がPC3333のMACアドレスを学習することができる。
 →ループ1週目にS3333に到着すると、宛先MACアドレスを知っているので、
  この時点でループは止まる。が、無駄に1ループはしてしまっている。

<その2 ブロードキャストストーム問題
上記と同じく、PC1からブロードキャストパケット(フレーム)を送信した場合、
ブロードキャストパケット(フレーム)は、延々とリング内を巡回し続ける。
=ブロードキャストフレームの嵐が吹き荒れる。
*ブロードキャストパケットのフレームの、宛先MACアドレスは、FF:FF:FF:FF:FF:FF。


これらの問題点の解決をするために考え出されたのが、
STP(Spanning Tree Protocol)=IEEE802.1d。

リング状になっている経路のどこかを、
効率的にカットするような制御ができれば、問題解消となる。

BPDU(Bridge Protocol Data Unit)という情報フレームを定期的に送信。
(2秒間隔)

BPDUには、ブリッジIDが入っている。
ブリッジID=プライオリティ値+MACアドレス

最も低いブリッジIDを持つブリッジ(スイッチ)が、ルートブリッジとなる。
=ルートブリッジが決定

最短ルートを決める。
回線の種類に応じた、ルールで決められているパスコスト値を元に、
各スイッチのポートにて、ルートブリッジからの距離(=累計パスコスト値)を算出して、
それによって、最短ルートを導き出す。
<パスコスト値>
帯域幅旧コスト値新コスト値
10Mbps100100
100Mbps1019
1Gbps14
10Gbps12
*最近では、新コスト値が使われる。

各スイッチにて、ポートの種類を決める。
種類該当資格BPDUの扱いユーザデータの扱い
(=一般のデータフレーム)
ルートポートルートブリッジ以外のそれぞれのスイッチにて、
ルートブリッジに最も近いポート
送受信OK送受信OK
代表ポート(=指定ポート)ルートブリッジの全ポート。
各セグメントにて、
役割のまだ決まっていないポートで、ルートブリッジに最も近いポート。
(パスコスト値が等しい場合には、ブリッジIDが低いスイッチ側のポートが選出される)
送受信OK送受信OK
非代表ポート(=非指定ポート)上記以外のポート受信のみOK両方NG(=ブロック=遮断)

例>





STP機能を有したスイッチの、ポートの状態遷移
*ある特定の1台のスイッチの、あるポートに的を絞って、その動作状況を観察した場合の動き。
-電源ON-
--
00:00:00IOS起動
=ブロッキング状態スタート
↓20秒間ブロッキング状態・BPDUの受信のみをする。
 =他のスイッチの様子を観察。
00:00:20リスニング状態スタート
↓15秒間リスニング状態・BPDUの送受信をする。
 =他のスイッチとやり取りをする。
  自分のブリッジID値が最も低かった場合には、ルートブリッジとなる。
  ポートの種類も決定される。
   ルートポート:→ラーニング状態へ
   代表ポート:→ラーニング状態へ
   非代表ポート:→ブロッキング状態へ
00:00:35ラーニング状態スタート
↓15秒間ラーニング状態・BPDUの送受信をする。
・ユーザデータの受信のみを行う。
 =フラッディングを軽減することに繋がる、MACアドレスを学習するための時間。
(*ラーニング=学習)
00:00:50フォワーディング状態スタート
フォワーディング状態・BPDUの送受信をする。
・ユーザデータの送受信をする。
=BPDUによってスパニングツリーの状況を確認しながら、
通常業務(転送処理)を行う。
BPDUの送受信によって、相互に情報をやり取りし、
スパニングツリーの構成に変化があったら
それに応じた対応(処理)(状態に遷移)をする。
 
-ディスエーブル状態管理者によって、ポートが手動で閉じられた状態



RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)=IEEE802.1w
STPでは、集束までに最低50秒もかかってしまう。
それを改善し、1〜10秒でフォワーディングに移行させて集束させてしまえるプロトコル。

<STPとRSTPの、ポートの状態遷移の比較>
RSTPSTPデータの送受信MACアドレス学習
ディスカーディングディスエーブル××
 
ブロッキング××
リスニング××
ラーニングラーニング×する
フォワーディングフォワーディングするする

暗記法:
蛍光灯にも、点灯の早いラピッドスタート型という種類の蛍光灯がある。
ラピッド→ラビット→うさぎ→うさぎが笑う→笑う→w→IEEE802.1w


ブリッジ:ソフトウェアベース
スイッチ:ハードウェアベース(ASIC)

異なるLANセグメント間の通信を、トランスペアレントに行う。

送信元MACアドレスを学習する。
=送信元MACアドレスを、受信ポート番号と共に、MACアドレステーブルに記録(=学習)しておき、
 フレームの転送処理を、適切に行える。
 *MACアドレステーブルは、CAM(Content-Addressable Memory)テーブルとも呼ばれる。
<MACアドレステーブルの概念図>
送信元ポート送信元MACアドレス
fa0/211:22:33:44:55:66:77:88
fa0/311:22:33:44:55:66:77:90



スイッチングモード
スイッチングモード名称チェック対象範囲転送遅延信頼性備考
カットスルー宛先MACアドレス部分のみ早い小さい(一定値)エラーを抱えているフレームも転送してしまう
フラグメントフリー先頭から64Byteまでやや早い2番目に小さい(一定値)64Byte目以降にエラーを抱えているフレームも転送してしまう。
Cisco1900シリーズのデフォルト転送モード。
ストアアンドフォワードフレーム全体遅い大きい(変動値)フレーム全体をチェック後に転送するので、
エラーフレームは転送しない。(=その場で破棄する)
Cisco2900シリーズ(以降)などのデフォルト転送モード。
今日の、民生用のスイッチも、ほぼ100%この転送モード採用。




STP(Spaninng Tree Protocol)=IEEE802.1d
・BPDU(Bridge Protocol Data Unit)
  スイッチ同士で情報をやり取りするフレーム。
  スイッチ同士で、2秒間隔でやり取りされる。

・ブリッジID
  プライオリティ値+MACアドレス。
  プライオリティ値とは、重み係数。(デフォルトでは、32768という数になっている)
  最も低いブリッジIDを持つスイッチが、ルートブリッジに選出される。

・ルートブリッジ
  論理的な、STPツリーを作成する際に、
  最も最上位に位置するスイッチのこと。


*備考:VTP標準(タグ付け)プロトコルは802.1q
STPの進化版プロトコルRSTP(ラピッドSTP):802.1w

参考:
http://ccstudy.org/study/stp/basic/basic.html
http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/2006041...
http://www.soi.wide.ad.jp/class/20030038/slides/39...
http://www.itbook.info/study/p20.html


コマンド
Switch#show spanning-tree
インターフェースごとに、STPの状況を一覧詳細表示。

Switch#debug spantree events
ポートにケーブルを接続したりした場合の、状況を表示する。

Switch#debug spantree tree

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