ブリッジとスパニングツリーとは

ブリッジは、2つのLANの間でフレームを中継する機器です。スパニングツリー（STP）は、冗長な線が作るループを防ぐ仕組みです。ループを防ぐと、フレームが際限なく回り続けるブロードキャストストームも防げます。

故障に備えてスイッチを2本の線でつなぐと、その線がループになります。STPは、片方の線を止めておき、故障したときだけ使う形にします。

ブリッジは、中継するかどうかを宛先MACアドレスで判断します。この判断の仕組みは、ハブ・スイッチ・ルータの違いの記事で説明したスイッチと同じです。送信元MACアドレスと受信ポートの組を、MACアドレステーブルに学習します。

宛先が受信した側と同じセグメントにいれば、ブリッジはそのフレームを反対側へ流しません。この働きをフィルタリングと呼びます。これにより、ブリッジでつないだ2つのセグメントは、別々のコリジョンドメインになります。

宛先が不明なフレームとブロードキャストは、受信ポート以外の全ポートへ送られます。この動きをフラッディングと呼びます。そのため、ブリッジでつないでもブロードキャストドメインは1つのままです。

機器ごとの分かれ方の一覧は衝突ドメインとブロードキャストドメインの違いの記事にまとめています。

ブリッジは、一般に2〜数ポートの機器として登場しました。同じ仕組みのまま、ポートを増やして専用のハードウェアで高速に処理するようにしたものが、現在のスイッチです。そのため、スイッチは「多ポートのブリッジ」と説明されることがあります。スイッチは、スイッチングハブとも呼ばれます。

ブリッジは宛先MACアドレスを見て、同じネットワークの中でフレームを中継します。ルータは宛先IPアドレスを見て、別のネットワークへパケットを中継します。

いちばん大きな差は、ブロードキャストの扱いです。前の節で見たとおり、ブリッジはブロードキャストを反対側へも流すので、つないだ2つのセグメントは1つのブロードキャストドメインのままです。ルータはブロードキャストを別のネットワークへ流さないため、ポートごとにブロードキャストドメインが分かれます。

故障に備えて、2台のスイッチを2本の線でつなぐことがあります。このとき配線図の上にできる輪を、ループと呼びます。

ハブ・スイッチ・ルータの違いの記事で説明したとおり、ブロードキャスト宛てのフレームは、受信ポート以外の全ポートへ常に転送されます。MACアドレステーブルの中身は関係ありません。

ループの中では、フレームを受け取ったスイッチが、それをもう一方の線へ転送します。イーサネットのフレームには、回った回数で消える仕組みがありません。そのため、フレームは消えずに回り続けます。

ブロードキャストが出るたびに、回り続けるフレームが積み重なります。線が何重にも重なったループでは、1つのフレームが複数の線へ複製され、数そのものが増えていきます。やがて回線とスイッチの処理能力を使い切ります。

この状態を、ブロードキャストストームと呼びます。

VLANの記事で説明したブロードキャストドメインの分割だけでは、このループは防げません。同じドメイン内に冗長な線がある限り、輪そのものは残るからです。輪を断ち切る仕組みが、次に説明するSTPです。

スパニングツリープロトコル（STP）は、物理的な冗長リンク、つまり予備の線を残したまま、一部のポートを論理的にブロックします。規格の名前はIEEE 802.1Dです。

ブロックの結果、ループの無い木構造ができます。この木構造を、スパニングツリーと呼びます。線を抜くわけではないので、ブロックしたポートは障害時の迂回路として使えます。

スイッチどうしは、BPDUという制御用のフレームを交換します。このやり取りによって、どのポートを転送に使い、どのポートをブロックするかが自動的に決まります。管理者が手作業でループを避ける配線を考える必要はありません。

STPは、まずネットワークの中で、木構造の頂点になる1台を選びます。このスイッチをルートブリッジと呼びます。

各スイッチは、優先度とMACアドレスを合わせたブリッジIDという値を持ちます。スイッチどうしは、このブリッジIDをBPDUに載せて交換します。最小のブリッジIDを持つスイッチが、ルートブリッジに選ばれます。

比べるときは、まず優先度を見ます。優先度の既定値は32768で、管理者が変えられます。優先度が同じなら、MACアドレスの小さいほうが選ばれます。

ルートブリッジが決まると、他の各スイッチは、ルートブリッジまでの経路のコストを比べます。コストは経路の遠さを表す値で、回線が速いほど小さくなります。最もコストが低い経路につながるポートを、ルートポート（RP）にします。

次に、線のセグメントごとに、転送を受け持つポートを1つ選びます。このポートを指定ポート（DP）と呼びます。ルートブリッジのポートは、すべて指定ポートになります。ルートポートにも指定ポートにもならなかったポートは、ブロックされます。

結果として、転送できる経路全体がルートブリッジを頂点にした木構造になり、ループは生じません。リンクが切れるなどして構成が変わると、スイッチは新しいBPDUを交換します。その結果、ブロックしていたポートが転送側に切り替わります。

STPのポートは、5つの状態のどれかを取ります。フォワーディングに至るまでに時間をかけるのは、構成が変わった直後に一時的なループができるのを避けるためです。

タイマーの既定値は次のとおりです。これはIEEE 802.1Dが推奨する値で、Cisco製スイッチも同じ値を既定にしています。管理者が変更することもできます。

ルートブリッジからのBPDUが届かなくなったことに気づくまで、最大で20秒かかります。この20秒がMax Ageです。そこからリスニング・ラーニングで、さらに合計30秒かかります。障害発生からフォワーディングに戻るまで、数十秒かかることがあります。

ポートの状態が決まり、転送が安定することを収束と呼びます。この収束の遅さを改善したプロトコルがRSTPで、規格の名前はIEEE 802.1wです。

RSTPは、ポートの状態をディスカーディング・ラーニング・フォワーディングの3つに整理しました。また、すぐ転送してよいかを隣のスイッチと確かめ合うので、タイマーを待たずにフォワーディングへ移れます。ルートポートの予備になるポートも決めておくので、障害時は予備へすぐ切り替えます。その結果、収束は数秒以内に短くなります。

ブリッジやスイッチと一緒に出てくる、ネットワークをつなぐ用語を整理します。

カスケード接続は、前の節で見たとおり、スイッチやハブを数珠つなぎにして階層状に広げる接続です。

LANの機器を公衆回線や専用線につなぐ装置を、まとめて回線接続装置と呼びます。デジタル回線のDSU（デジタル回線終端装置）や、アナログ電話回線のモデムが当てはまります。