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STP を究める 基礎編 (4)スパニングツリーの役割

「STP を究める 基礎編 (1)スパニングツリーとルーティングプロトコル」でも書いたように、STP は、各ブリッジからルートブリッジへの最短パスを探し出すことを目的としたプロトコルです。

ルートブリッジへのパスが複数ある場合は、最短パス以外を待機系とします。
最短パスが使用不可能となると、待機系となっているパスの中で最も最短のパスが改めて選出されます。

そうすることで、ブリッジ間だけではなく、任意の二点間のパスがひとつだけとなり、ループを防ぐことができます。

トポロジの変化を察知して最新の状況に対応するためには、ブリッジ同士が情報を交換するための規則と、交換した情報を元に正しく判断するための規則が必要なります。
これらの規則を総称して、STA (Spanning Tree Algorithm) と呼びます。

STA は、IEEE 802.1D の第八章で定義されています。
IEEE 802.1D は、MAC フレームの宛先アドレスを読んで転送先ポートを決定する、いわゆるTransparent MAC Bridge (透過MAC ブリッジ) の仕様を定めた規格です。

IEEE 802.1D の第八章第一節では、STA に必要とされる項目が挙げられています。

8.1 Requirements to be met by the algorithm

a) It will configure the active topology of a Bridged LAN of arbitrary topology into a single spannning tree, such that there is at most one data route between any two end stations, eliminating data loops.

任意のトポロジを単一のツリートポロジーに収束させることで、任意の二点間のパスをひとつにし、ループを防ぐことが求められています。

b) It will provide for fault tolerance by automatic reconfiguration of the spanning tree topology as a result of Bridge failure or a breakdown in a data path, within the confines of the available Bridged LAN components, and for the automatic accomodation of any Bridge or Bridge Port added to the Bridged LAN without the formation of transient data loops.

ブリッジやポートの追加や、故障に対応して、自動的にトポロジを変化させることが求められています。
また、新しいトポロジに対応するまでの間、一時的なループが発生しないことも要求されます。

c) The entire active topology will stabilize in any sized Bridged LAN. It will, with a high probability, stabilize within a short, known bounded interval in order to minimize the time for which the service is unavailable for communication between any pair of end stations.

Bridged LAN の大きさにかかわらず、安定動作することが求められています（これには、例外があります）。
また、状況の変化を受けてトポロジを変更する際、収束するまでの時間が短いことが、また、計測可能な範囲であることが求められています。
つまり、「いつかは収束する」というのは許されません。

d) The active topology will be predictable and reproducible, and may be selected by management of the parameters of the algorithm, thus allowing the application of Configuration Management, following traffic analysis, to meet the goals of Performance Management.

同じパラメータを設定している限り、必ず同じトポロジに収束することが求められています。
また、パラメータを操作することで、任意のトポロジを構成できることが求められています。
つまり、「構築するたびに、異なるトポロジ」は許されません。

e) It will operate transparently to the end statins. such that they are unaware of their attachment to a single LAN or a Bridged LAN when using the MAC Services.

端末から見て、透過的に動作することが求められています。
これは、STP への要求というよりは、ブリッジに求められている要件です。
IP で使われるデフォルトゲートウェイのような要素が必要ないことを意味します。

f) The communications bandwidth consumed by the Bridges in establishing and maintining the spanning tree on any particular LAN will be a small percentage of the total available bandwidth and independent of the total traffic supported by the Bridged LAN regardless of the total number of Bridges or LANs.

ブリッジ間でやり取りする情報が、帯域を浪費しないことが求められています。

g) The memory requirements associated with each Bridge Port are independent of the number of Bridges and LANs in the Bridged LAN.

LAN 上にブリッジが何台存在していても、LAN 上に情報を発信するのは通常一台だけです。

h) Bridges do not have to be individually configured before being added to the Bridged LAN, other than having their MAC Addresses assigned through normal procedures.

ブリッジをLAN に接続する際、事前の設定は必要ありません。
IP ルータのような、アドレスの設定が必要がないことを意味します。
ただし、任意のトポロジを構成するためには、設定を操作する必要があります。

これらSTA に求められる要件をブリッジに実装したのが、STP (Spanning Tree Protocol) です。
以後のページでは、これらの要件がどのように実現されているのか、詳細を追っていきます。

STP を究める 基礎編 の内容は、特に明記しない限り、1998年版のIEEE 802.1D に基づいています。
Bridge ID、Port ID、Path Cost 値など、IEEE 802.1T で行われた仕様の拡張は、2004年版のIEEE 802.1D に盛り込まれています。
これらの拡張仕様については、応用編にて説明する予定です。