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スイッチング技術：MAC アドレス学習とループ防止（STP / RSTP）

NW(CCNA)
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目次

1. スイッチの基本動作とは？

スイッチ（L2スイッチ）は、同一ネットワーク（同一VLAN）内の端末間通信を中継する機器です。 通信を中継する際、スイッチは「どのポートにどの端末（MACアドレス）が接続されているか」を記憶しており、この情報をもとに通信を最適化します。 この仕組みが MACアドレス学習（MAC Address Learning） です。

2. MACアドレス学習の仕組み

スイッチは受信したフレームのヘッダを確認し、以下の動作を行います。

ステップ内容
①フレームを受信したポートを記録
②送信元MACアドレスを確認
③「送信元MACアドレス」と「受信ポート」を対応付けてMACアドレステーブルに登録
④宛先MACアドレスを確認し、転送先を判断

転送動作の種類

状況動作
宛先MACがテーブルに存在該当ポートにユニキャスト転送
宛先MACが不明全ポートにフラッディング（Flooding）
宛先MACがブロードキャスト全ポートにブロードキャスト転送

3. スイッチングループの問題

複数のスイッチを冗長構成で接続すると、ネットワーク上にループが発生する可能性があります。 このループが発生すると、以下のような重大な障害を引き起こします。

  • ブロードキャストストーム： フレームが無限に回り続け、帯域を圧迫
  • MACアドレステーブルの不安定化： 同一MACが複数ポートで学習され、転送が混乱
  • 通信断・遅延： ネットワーク全体が麻痺するケースもある

この問題を防ぐために使用されるのが STP（Spanning Tree Protocol） です。

4. Spanning Tree Protocol（STP）の概要

STPはIEEE 802.1Dで規定されたループ防止プロトコルです。 スイッチ間でBPDU（Bridge Protocol Data Unit）を交換し、ループが発生しないようにトポロジを制御します。

STPの基本動作

  1. ルートブリッジの選出： BPDUを交換し、最も優先度の高いスイッチ（Bridge IDが最小）をルートブリッジに選定。
  2. 経路の選出： 各スイッチはルートまでの最短経路を計算し、不要な経路はブロッキング。
  3. 冗長経路のスタンバイ化： 障害時にブロックされた経路を再開放して通信を維持。

5. STPのポート状態

状態説明
BlockingBPDU受信のみ。データ転送なし。
ListeningBPDUを交換しトポロジ確認中。
LearningMACアドレスを学習中（転送はまだ行わない）。
Forwardingデータ転送を実施中。
Disabled手動または障害により無効化。

従来のSTPでは、トポロジ変更時に30秒以上の収束時間が必要でした。

6. RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）

IEEE 802.1wで定義されたRSTPは、STPの課題である「収束遅延」を解消した高速版プロトコルです。 互換性を保ちながら、数秒以内の切り替えを実現します。

RSTPの特徴比較

項目STPRSTP
標準IEEE 802.1DIEEE 802.1w
収束時間約30〜50秒約1〜3秒
ポートロールRoot / Designated / BlockedRoot / Designated / Alternate / Backup / Edge
特徴安定性重視高速性重視（即時切替）

特にエッジポート（末端機器接続ポート）は即座にForwardingできるため、 サーバやPCへの接続時に有効です。

7. STP / RSTP の設定例（Cisco）


# STPを有効化
Switch(config)# spanning-tree mode pvst

# RSTPを有効化
Switch(config)# spanning-tree mode rapid-pvst

# 優先度を下げてルートブリッジにする
Switch(config)# spanning-tree vlan 1 priority 4096

RSTP（Rapid PVST+）は現在の主流で、多くのCiscoスイッチではデフォルトで有効です。

8. 現場でのポイント

  • STPは原則ONで運用する（無効化するとループで全停止の恐れ）
  • Edgeポート（末端機器）は portfast を設定する
  • STPトポロジ変更（TCN）ログを監視し、頻発時は設定誤りやループを疑う
  • 新規構築ではSTPよりRSTPを採用するのが基本

9. トポロジ例

[PC1]──┐
        ├──[SW1]──[SW2]──[SW3]──┐
[PC2]──┘                       └───┘ ← このループをSTPが自動で制御

STPは自動的に1本の経路をブロックしてループを防止します。 障害が発生した場合は、ブロックしていた経路を即座に有効化し、通信を維持します。

10. まとめ

項目内容
MACアドレス学習スイッチがポートとMACの対応を記憶し、転送を最適化
ループ発生フレームが無限に回り続け、通信が停止するリスク
STPループを防ぎ、冗長経路を制御するプロトコル
RSTP高速収束版STP。現場での標準的な方式
NW(CCNA)
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