STPの派生いろいろ

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PVST

PVST(Per VLAN Spanning Tree)はVLANごとにスパニングツリーを形成するためのプロトコルです．標準のSTPでは同一のネットワーク全体で1つのスパニングツリーを形成します．これはCST(Common Spanning Tree)と呼ばれます．

VLAN単位でイーサネットフレームの転送負荷分散を実現できます．PVSTでVLANごとに構成されるスパニングツリーは以下のようになります．1つのポートでVLANごとに複数の役割が割り当てられます．VLANごとにポートの役割が異なる場合があります．

スイッチポートVLAN 1VLAN2
SW 1Port 1RPNDP
Port 2NDPRP
SW 2Port 1DPDP
Port 2DPRP
SW 3Port 1RPDP
Port 2DPDP

PVSTを利用することにより，VLANごとに最適なスパニングツリーを構成することができます．これにより，SW 1ではVLANごとにフレームを転送するポートを分散させています．
ただし，複数のVLANが存在するネットワークでは，PVSTのBPDUがVLANの数だけやり取りされるため，スパニングツリーの再計算にも多くのリソースを使われることになります．

RSTP(Rapid Spanning Tree Protocol)

RSTPの概要

STPではトポロジー変更時の経路切り替えに数十秒単位で時間がかかっていました．このままでは可用性に問題があるため，経路の切り替えをより高速に行えるRSTPが開発されました．RSTPはIEEE802.1wで標準化されています．

RSTPでは原則としてP2Pの全二重通信を前提します．P2Pリンク間でハンドシェイクを行うことでより素早くスイッチのポートを決定できます．

ポートの役割と状態

RSTPではポートの役割が5種類あります．

ポートの役割略称状態説明
ルートポートRPForwardingルートブリッジへのコストが最も低いポート．
代表ポートDPForwardingリンクの代表となり，トラフィックを流すポート．
オルタネートポートAPDiscardingルートポートの次候補として待機しているポート．
バックアップポートBPDiscarding代表ポートの次候補として待機しているポート．
ディセーブルポート–Disble無効となっているポート．

RSTPのコンバージェンス時間

RSTPでは1秒程度でスパニングツリーの再計算が終了します．STPと比べかなり高速にコンバージェンスするので，瞬断レベルでの切り替えが可能となります．

RSTP BPDU 

RSTPのBPDUはSTPとほぼ同等です．主な違いはフラグで用いられるbit数が増えていることと，フォーマットの最後にバージョン1長さが追加されていることです．STPではコンフィグレーションBPDUとTCN BPDUがあったがRSTPでは1種類のみです．

フラグの各bitが表す役割は以下の通りです．

ビット役割
8TCN ACKフラグ
7アグリーメントフラグ
6フォワーディングフラグ
5ラーニングフラグ
4,3ポートの役割(00:Unknown, 01:代替ポート, 10:ルートポート, 11:代表ポート)
2プロポーザルフラグ
1TCフラグ

ポートの役割の決定 

RSTPではP2Pの2つのポート間でハンドシェイクして，代表ポートとルートポートを決定できるようにしています．そのために利用するのがプロポーザルポートとアグリーメントフラグです．プロポーザルフラグは自身のポートを代表ポートであると主張するフラグです．アグリーメントフラグは対向ポートを代表ポートとして受け入れ自身のポートをルートポートとして振舞おうとするフラグです．

P2Pで接続されたスイッチは互いのポートをディスカーディング状態にした上で，自身をルートブリッジであると仮定して代表ポートとしてプロポーザルフラグをセットしたBPDUを送信します．
プロポーザルBPDUを受信したスイッチはルートブリッジの情報やルートパスコストを比較します．相手の方が勝っている場合は対向のポートを代表ポートとして認め，自身のポートをルートポートとしてアグリーメントBPDUを送信します．

自身のポートが勝っている場合は待機して，対向からアグリーメントBPDUを受信したらすぐに代表ポートとしてフォワーディング状態に移行します．もしもプロポーザルBPDUを受信したポートよりもルートポートに適切なポートがある場合，アグリーメントBPDUは送信しません．その場合，対向のポートは転送遅延タイム2回分を待って代表ポートとなり，フォワーディング状態に移行します．

MST(Multiple Spanning Tree)

MSTの概要

MSTはVLANごとにスパニングツリーを構成できるように，また高速なコンバージェンスをできるように標準化された技術です．IEEE802.1sで標準化されており，PVSTとRSTPを組み合わせたような技術です．

MSTリージョン

MSTではスイッチをMSTリージョンという単位でグループ化します．MSTリージョンはMSTリージョン名，リビジョン番号，VLAN番号とインスタンスといった情報で構成されます．同一のMSTリージョンではリビジョン番号が一致している必要があります．

MSTインスタンス

複数のVLANをMSTインスタンスに対応づけし，MSTインスタンスごとにスパニングツリーを構成します．同時に利用できるMSTインスタンスは64個までです．MSTではMSTインスタンスごとにVLANを対応づけ，各スイッチはインスタンスごとのプライオリティに基づいてポートの役割を決定します．

以下の図では，VLAN1〜5をMSTインスタンス1に，VLAN6〜10をMSTインスタンス2に割り当てています．MSTインスタンス1ではSW2のプライオリティが最も小さいのでルートブリッジになります．SW3はセカンダリルートブリッジとなり，SW1のポート2が代替ポートに割り当てられます．同様にMSTインスタンス2でもポートの役割が決定され，SW1のリンクは転送経路が負荷分散されるようになります．

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