Cisco Nexus 9000 シリーズ NX-OS レイヤ 2 スイッチング コンフィギュレーション ガイド リリース 6.x

レイヤ 2 イーサネット ネットワークが正常に動作するには、2 つの端末間で存在できるアクティブ パスは 1 つだけです。 STP の動作はエンド ステーションに対してトランスペアレントなので、単一の LAN セグメントに接続されているのか、それとも複数セグメントからなるスイッチド LAN に接続されているのかを、エンド ステーションが検知することはできません。

フォールト トレラントなインターネットワークを作成する場合、ネットワーク上のすべてのノード間にループフリー パスを構築する必要があります。 STP アルゴリズムは、スイッチド レイヤ 2 ネットワーク上で最良のループフリー パスを算出します。 レイヤ 2 LAN ポートは STP フレーム（Bridge Protocol Data Unit（BPDU:ブリッジ プロトコル データ ユニット））を一定の時間間隔で送受信します。 ネットワーク デバイスは、これらのフレームを転送せずに、フレームを使用してループフリー パスを構築します。

エンド ステーション間に複数のアクティブ パスがあると、ネットワーク内でループが発生する原因になります。 ネットワークにループが存在する場合、エンド ステーションが重複したメッセージを受信したり、ネットワーク デバイスが複数のレイヤ 2 LAN ポート上でエンド ステーション MAC アドレスを学習したりする可能性があります。

STP は、ルート ブリッジおよびそのルートからレイヤ 2 ネットワーク上のすべてのネットワーク デバイスへのループフリー パスを備えたツリーを定義します。 STP は冗長データパスを強制的にブロック状態にします。 スパニングツリーのネットワーク セグメントに障害が発生した場合、冗長パスがあると、STP アルゴリズムにより、スパニングツリー トポロジが再計算され、ブロックされたパスがアクティブになります。

ネットワーク デバイス上の 2 つのレイヤ 2 LAN ポートがループの一部になっている場合、デバイス上のどちらのポートがフォワーディング ステートになり、どちらのポートがブロッキング ステートになるかは、STP ポート プライオリティおよびポート パスコストの設定によって決まります。 STP のポート プライオリティ値は、その場所でポートがトラフィックを送受信する場合の効率を示します。 STP ポート パスコスト値は、メディア速度から算出されます。

スパニングツリーに参加している LAN 内のすべてのデバイスは、BPDU を交換して、ネットワーク内の他のスイッチに関する情報を収集します。 この BPDU の交換により、次のアクションが発生します。

• そのスパニングツリー ネットワーク トポロジでルート スイッチが 1 台選択されます。

• LAN セグメントごとに指定スイッチが 1 台選定されます。

• 冗長スイッチ ポートをバックアップ ステートにすることにより、スイッチド ネットワーク上のループが排除されます。スイッチド ネットワーク内のどの場所からも、ルート デバイスに到達するために必要でないパスは、すべて STP ブロック ステートになります。

アクティブなスイッチド ネットワーク上のトポロジは、次の情報によって決定されます。

• 各デバイスに対応付けられた一意のデバイス ID（デバイスの MAC アドレス）

• 各スイッチ ポートに対応付けられたルートへのパス コスト

• 各スイッチ ポートに対応付けられたポート ID

スイッチド ネットワークでは、ルート スイッチが論理的にスパニングツリー トポロジの中心になります。 STP は BPDU を使用して、スイッチド ネットワークのルート スイッチおよびルート ポートを選定します。

（注）

mac-address bpdu source version 2 コマンドを実行すると、STP が新しいシスコの MAC アドレス（00:26:0b:xx:xx:xx）を、vPC ポートで生成される BDPU の発信元アドレスとして使用できるようになります。 このコマンドを適用するには、両方の vPC ピア スイッチまたはピアの設定が同一である必要があります。 STP 不整合に起因するトラフィックの中断を最小限に抑えるため、このコマンドを実行する前に、エッジ デバイスの EtherChannel ガードをディセーブルにすることを強くお勧めします。 両方のピアの更新後に、EtherChannel ガードを再びイネーブルにします。

各ネットワーク装置上の各 VLAN には、一意の 64 ビット ブリッジ ID が設定されています。ブリッジ ID はブリッジ プライオリティ値、拡張システム ID（IEEE 802.1t）、および STP MAC アドレス割り当てで構成されています。

ネットワーク装置は STP インスタンス全体に BPDU を送信します。 各ネットワーク デバイスはコンフィギュレーション BPDU を送信して、スパニングツリー トポロジを伝達および計算します。 各コンフィギュレーション BPDU に含まれる最小限の情報は、次のとおりです。

• 送信側ネットワーク デバイスがルート ブリッジになると見なしているネットワーク デバイスの固有のブリッジ ID

• ルートまでの STP パス コスト

• 送信側ブリッジのブリッジ ID

• メッセージ経過時間

• 送信側ポートの ID

• hello タイマー、転送遅延タイマー、最大エージング タイム プロトコル タイマー

• STP 拡張プロトコルの追加情報

ネットワーク装置が Rapid PVST+ BPDU フレームを伝送すると、そのフレームが伝送される VLAN に接続されたすべてのネットワーク装置が BPDU を受信します。 ネットワーク装置が BPDU を受信しても、フレームは転送されません。代わりに、フレームに含まれる情報を使用して BPDU が計算されます。 トポロジが変更されると、ネットワーク装置は BPDU 交換を開始します。

BPDU 交換によって次の処理が行われます。

• 1 つのネットワーク デバイスがルート ブリッジとして選定されます。

• パス コストに基づいて、各ネットワーク デバイスのルート ブリッジまでの最短距離が計算されます。

• LAN セグメントごとに指定ブリッジが選択されます。 このネットワーク装置はルート ブリッジに最も近いネットワーク装置であり、このネットワーク装置を経由してルートにフレームが転送されます。

• ルート ポートが選定されます。 このポートにより、ブリッジからルート ブリッジまでの最適パスが提供されます。

• スパニングツリーに含まれるポートが選択されます。

VLAN ごとに、最小の数値 ID を持つネットワーク デバイスが、ルート ブリッジとして選定されます。 すべてのネットワーク デバイスがデフォルト プライオリティ（32768）に設定されている場合は、VLAN 内で最小の MAC アドレスを持つネットワーク デバイスがルート ブリッジになります。 ブリッジ プライオリティ値はブリッジ ID の最上位ビットを占めます。

ブリッジ プライオリティ値を変更すると、デバイスがルート ブリッジとして選定される可能性が変わります。 小さい値を設定するほどその可能性が大きくなり、大きい値を設定するほどその可能性は小さくなります。

STP ルート ブリッジは、レイヤ 2 ネットワークにおける各スパニングツリー トポロジの論理上の中心です。 レイヤ 2 ネットワーク内のどの場所からでも、ルート ブリッジに到達するために必要でないパスは、すべて STP ブロッキング モードになります。

BPDU には、送信側ブリッジおよびそのポートについて、ブリッジおよび MAC アドレス、ブリッジ プライオリティ、ポート プライオリティ、パス コストなどの情報が含まれます。 STP はこの情報を使用して STP インスタンスのルート ブリッジを選定し、ルート ブリッジへのルート ポートを選定し、各レイヤ 2 セグメントの指定ポートを判別します。

最適なネットワーク デバイスがルート ブリッジになるように、デバイスの数値を下げることで、ルートとして最適なネットワーク デバイスを使用する、新しいスパニングツリー トポロジを形成するように強制的に再計算させることができます。

図 2. スパニングツリー トポロジ. この図では、スイッチ A がルート ブリッジに選定されます。これは、すべてのネットワーク装置でブリッジ プライオリティがデフォルト（32768）に設定されており、スイッチ A の MAC アドレスが最小であるためです。 しかし、トラフィック パターン、フォワーディング ポートの数、リンク タイプによっては、スイッチ A が最適なルート ブリッジでないことがあります。

スパニングツリー トポロジをデフォルトのパラメータに基づいて計算すると、スイッチド ネットワーク上の送信元から宛先エンド ステーションまでのパスが最適にならない可能性があります。 たとえば、現在のルート ポートよりも数値の大きいポートに高速リンクを接続すると、ルート ポートが変更される場合があります。 最高速のリンクをルート ポートにすることが重要です。

スイッチ B のあるポートが光ファイバ リンクであり、スイッチ B の別のポート（シールドなしツイストペア（UTP）リンク）がルート ポートであるとします。 ネットワーク トラフィックを高速の光ファイバ リンクに流した方が効率的です。 光ファイバ ポートの STP ポート プライオリティをルート ポートよりも高いプライオリティに変更すると（数値を下げる）、光ファイバ ポートが新しいルート ポートになります。

Rapid PVST+ は、VLAN ごとに実装されている IEEE 802.1w（RSTP）規格です。 （手作業で STP をディセーブルにしていない場合）STP の 1 つのインスタンスは、設定されている各 VLAN で実行されます。 VLAN 上の各 Rapid PVST+ インスタンスには、1 つのルート スイッチがあります。 Rapid PVST+ の実行中には、VLAN ベースで STP をイネーブルまたはディセーブルにできます。

（注）	デバイスのデフォルト STP モードは Rapid PVST+ です。

Rapid PVST+ では、ポイントツーポイントの配線を使用して、スパニングツリーの高速コンバージェンスが行われます。 Rapid PVST+ によりスパニングツリーの再設定を 1 秒未満に発生させることができます（802.1D STP のデフォルト設定では 50 秒）。 PVID は自動的にチェックされます。

（注）	Rapid PVST+ では、VLAN ごとに 1 つの STP インスタンスがサポートされます。

Rapid PVST+ を使用すると、STP コンバージェンスが急速に発生します。 デフォルトでは、STP 内の各指定ポートは 2 秒おきに BPDU を送信します。 トポロジ内の指定ポートで、hello メッセージが 3 回連続して受信されない場合、または最大エージング タイムが満了した場合、ポートはテーブル内のすべてのプロトコル情報をただちに消去します。 ポートで BPDU が受信されなかった回数が 3 に達するか、または最大エージング タイムが満了した場合、ポートは直接接続されたネイバーの指定ポートとの接続が切断されていると見なします。 プロトコル情報の急速な経過により、障害検出を迅速に行うことができます。

Rapid PVST+ を使用すると、デバイス、デバイス ポート、または LAN の障害後に、接続をすばやく回復できます。 RSTP は、エッジ ポート、新しいルート ポート、およびポイントツーポイント リンクで接続されているポートに次のような高速コンバージェンスを提供します。

• エッジ ポート：RSTP デバイスでエッジ ポートとしてポートを設定すると、エッジ ポートはフォワーディング ステートにすぐに移行します （この即時移行は、PortFast というシスコ独自の機能でした）。単一のエンド ステーションに接続するポートだけをエッジ ポートとして設定してください。 エッジ ポートでは、リンクの変更時にはトポロジの変更は生成されません。

STP エッジ ポートとしてポートを設定するには、spanning-tree port type インターフェイス コンフィギュレーション コマンドを入力します。

（注）	レイヤ 2 ホストに接続されたすべてのポートをエッジ ポートとして設定することを推奨します。

• ルート ポート：Rapid PVST+ が新規ルート ポートを選択した場合、古いルート ポートをブロックして、即座に新規ルート ポートをフォワーディング ステートに移行します。

• ポイントツーポイント リンク：ポイントツーポイント リンクによってあるポートと別のポートを接続することでローカル ポートが指定ポートになると、提案合意ハンドシェイクを使用して他のポートと急速な移行がネゴシエートされ、トポロジにループがなくなります。

Rapid PVST+ では、エッジ ポートとポイントツーポイント リンクでのみ、フォワーディング ステートへの急速な移行が達成されます。 リンク タイプは設定が可能ですが、システムでは、ポートのデュプレックス設定からリンク タイプ情報が自動的に引き継がれます。 全二重ポートはポイントツーポイント ポートであると見なされ、半二重ポートは共有ポートであると見なされます。

エッジ ポートでは、トポロジの変更は生成されませんが、直接接続されているネイバーから 3 回連続 BPDU の受信に失敗するか、最大エージング タイムのタイム アウトが発生すると、他のすべての指定ポートとルート ポートにより、トポロジ変更（TC）BPDU が生成されます。 この時点で、指定ポートまたはルート ポートは TC フラグが設定された BPDU を送信します。 BPDU では、ポート上で TC While タイマーが実行されている限り、TC フラグが設定され続けます。 TC While タイマーの値は、hello タイムに 1 秒を加えて設定された値です。 トポロジ変更の初期ディテクタにより、トポロジ全体で、この情報がフラッディングされます。

Rapid PVST+ により、トポロジの変更が検出される場合、プロトコルでは次の処理が発生します。

• 必要に応じて、すべての非エッジ ルート ポートおよび指定ポートに対して、hello タイムの 2 倍の値に設定された TC While タイマーを開始します。

• これらのすべてのポートに関連付けられている MAC アドレスがフラッシュされます。

トポロジ変更通知は、トポロジ全体で迅速にフラッディングされます。 システムでトポロジの変更が受信されると、システムにより、ポート ベースでダイナミック エントリがただちにフラッシュされます。

（注）	TCA フラグが使用されるのは、そのデバイスが、レガシー 802.1D STP が稼働しているデバイスと相互作用している場合のみです。

トポロジの変更後、提案と合意のシーケンスがネットワークのエッジ方向に迅速に伝播され、接続がただちに回復します。

Rapid PVST+ および 802.1w では、次の情報を追加するために、フラグ バイトの 6 ビットをすべて使用しています。

• BPDU の送信元ポートのロールおよびステート

• 提案と合意のハンドシェイク

図 3. BPDU の Rapid PVST+ フラグ バイト.

次の図に、Rapid PVST+ の BPDU フラグの使用法を示します。

もう 1 つの重要な変更点は、Rapid PVST+ BPDU がタイプ 2、バージョン 2 であるため、デバイスが接続先のレガシー（802.1D）ブリッジを検出できることです。 802.1D の BPDU はタイプ 0、バージョン 0 です。

図 4. 高速コンバージェンスの提案と合意のハンドシェイク.

次の図では、スイッチ A がスイッチ B にポイントツーポイント リンクで接続され、すべてのポートはブロッキング ステートになっています。 このとき、スイッチ A のプライオリティが、スイッチ B のプライオリティよりも小さい数値であるとします。 スイッチ A は提案メッセージ（提案フラグ セットを設定したコンフィギュレーション BPDU）をスイッチ B に送信し、自分自身を指定スイッチとして提案します。

スイッチ B が提案メッセージを受信すると、提案メッセージを受信したポートを新しいルート ポートとして選択し、すべての非エッジ ポートを強制的にブロッキング ステートにします。さらに、その新しいルート ポート経由で合意メッセージ（合意フラグが設定された BPDU）を送信します。

スイッチ B から合意メッセージの受信後、スイッチ A でも、その指定ポートがただちにフォワーディング ステートに移行されます。 スイッチ B がエッジ以外のすべてのポートをブロックし、かつスイッチ A とスイッチ B の間にポイントツーポイント リンクがあるので、ネットワークでループは形成されません

スイッチ C がスイッチ B に接続されると、類似したハンドシェイク メッセージのセットがやり取りされます。 スイッチ C は、そのルート ポートとしてスイッチ B に接続されたポートを選択し、リンクの両端がただちにフォワーディング ステートになります。 アクティブ トポロジにスイッチが追加されるたびに、このハンドシェイク プロセスが実行されます。 ネットワークが収束するにつれて、提案と合意のハンドシェイクは、次の図に示すようにスパニング ツリーのルートからリーフに向かって進みます。

スイッチはポートのデュプレックス モードからリンク タイプを学習します。全二重ポートはポイントツーポイント接続と見なされ、半二重ポートは共有接続と見なされます。 デュプレックス設定によって制御されるデフォルト設定は、spanning-tree link-type インターフェイス コンフィギュレーション コマンドを入力することで上書きできます。

この提案と合意のハンドシェイクが開始されるのは、非エッジ ポートがブロッキング ステートからフォワーディング ステートに移行した場合だけです。 次に、ハンドシェイク処理は、トポロジ全体に段階的に広がります。

Rapid PVST+ では、ポート ロールを割り当て、アクティビティ トポロジを認識することによって、高速収束が行われます。 Rapid PVST+ は、802.1D STP を利用して、最も高いスイッチ プライオリティ（最小プライオリティ値）を持つデバイスをルート ブリッジとして選択します。 Rapid PVST+ により、次のポート ロールの 1 つが個々のポートに割り当てられます。

• ルート ポート：デバイスがルート ブリッジにパケットを転送するとき、最適な（コストが最小の）パスを提供します。

• 指定ポート：LAN からルート ブリッジにパケットを転送するとき、最小パス コストになる指定デバイスに接続します。 指定デバイスが LAN への接続に使用したポートは、指定ポートと呼ばれます。

• 代替ポート：現在のルート ポートによって用意されているパスに、ルート ブリッジへの代替パスを用意します。 また、トポロジ内の別のデバイスへのパスを提供します。

• バックアップ ポート：指定ポートが提供した、スパニングツリーのリーフに向かうパスのバックアップとして機能します。 2 つのポートがポイントツーポイント リンクによってループバックで接続した場合、または共有 LAN セグメントへの複数の接続がデバイスにある場合に限り、バックアップ ポートは存在できます。 バックアップ ポートは、トポロジ内のデバイスに対する別のパスを提供します。

• ディセーブル ポート：スパニングツリーの動作においてロールが与えられていません。

ネットワーク全体でポートのロールに一貫性のある安定したトポロジでは、Rapid PVST+ により、ルート ポートと指定ポートがすべてただちにフォワーディング ステートになり、代替ポートとバックアップ ポートはすべて、必ずブロッキング ステートになります。 指定ポートはブロッキング ステートで開始されます。 フォワーディング プロセスおよびラーニング プロセスの動作はポート ステートによって制御されます。

図 5. ポート ロールをデモンストレーションするトポロジのサンプル. 次の図はポート ロールを示しています。 ルート ポートまたは DP の役割があるポートは、アクティブ トポロジに組み込まれます。 代替ポートまたはバックアップ ポートのロールがあるポートは、アクティブ トポロジから除外されます。

プロトコル情報がスイッチド LAN を通過するとき、伝播遅延が生じることがあります。 その結果、スイッチド ネットワークのさまざまな時点および場所でトポロジの変化が発生します。 レイヤ 2 LAN ポートがスパニングツリー トポロジに含まれていない状態からフォワーディング ステートに直接移行すると、一時的にデータ ループが発生する可能性があります。 ポートは新しいトポロジ情報がスイッチド LAN 経由で伝播されるまで待機し、それからフレーム転送を開始する必要があります。

Rapid PVST+ または MST を使用するデバイスの各レイヤ 2 LAN ポートは、次の 4 つのステートのいずれかになります。

• ブロッキング：レイヤ 2 LAN ポートはフレーム転送に参加しません。

• ラーニング：レイヤ 2 LAN ポートがフレーム転送に参加する準備をしている状態です。

• フォワーディング：レイヤ 2 LAN ポートはフレームを転送します。

• ディセーブル：レイヤ 2 LAN ポートが STP に参加せず、フレームを転送しません。

Rapid PVST+ をイネーブルにすると、デバイス上のすべてのポート、VLAN、およびネットワークは、電源投入時に必ずブロッキング ステートを経て、それからラーニングという移行ステートに進みます。 設定が適切であれば、各レイヤ 2 LAN ポートはフォワーディング ステートまたはブロッキング ステートで安定します。

STP アルゴリズムによってレイヤ 2 LAN ポートがフォワーディング ステートになると、次の処理が行われます。

1. レイヤ 2 LAN ポートがブロッキング ステートになり、ラーニング ステートに移行するように指示するプロトコル情報を待ちます。

2. レイヤ 2 LAN ポートが転送遅延タイマーの満了を待ち、満了した時点でラーニング ステートになり、転送遅延タイマーをリセットします。

3. ラーニング ステートで、レイヤ 2 LAN ポートはフレーム転送を引き続きブロックしながら、転送データベースのエンド ステーションのロケーション情報を学習します。

4. レイヤ 2 LAN ポートは、転送遅延タイマーの失効するのを待機してからフォワーディング ステートになり、学習およびフレーム転送が両方ともイネーブルになります。

デバイスがいずれかのポートで提案メッセージを受信し、そのポートが新しいルート ポートとして選択されると、Rapid PVST+ はその他すべてのポートを新しいルート情報で同期化します。

その他すべてのポートを同期化する場合、ルート ポートで受信した優位ルート情報でデバイスは同期化されます。 次のうちいずれかが当てはまる場合、デバイスのそれぞれのポートは同期化されます。

• ブロッキング ステートである場合

• エッジ ポートである場合（ネットワークのエッジとして設定されているポート）

指定ポートがフォワーディング ステートの場合で、エッジ ポートとして設定されていない場合、Rapid PVST+ により強制的に新しいルート情報との同期がとられるときに、ブロッキング ステートに移行します。 一般的に、Rapid PVST+ により、強制的にルート情報との同期がとられる場合で、ポートで前述の条件のいずれかが満たされない場合、ポート ステートはブロッキングに設定されます。

すべてのポートが同期化されてから、デバイスは、ルート ポートに対応する指定デバイスに合意メッセージを送信します。 ポイントツーポイント リンクで接続されたデバイスがポート ロールについて合意すると、Rapid PVST+ はポート ステートをフォワーディング ステートにただちに移行します。

図 6. 高速コンバージェンス中のイベントのシーケンス. 次の図は、同期中のイベントのシーケンスを示しています。

ソフトウェアは、受信した BPDU のポート ロールとステートの一貫性をチェックし、単方向リンク検出（UDLD）機能を使用して、ブリッジング ループが発生する可能性のある単方向リンク障害を検出します。 この機能は、異議メカニズムに基づいています。

UDLD の詳細については、『Cisco Nexus 9000 Series NX-OS Interfaces Configuration Guide』を参照してください。

指定ポートは、矛盾を検出すると、そのロールを維持しますが、廃棄ステートに戻ります。一貫性がない場合は、接続を中断した方がブリッジング ループを解決できるからです。

図 7. 単一方向リンク障害の検出. 次の図に、ブリッジング ループの一般的な原因となる単方向リンク障害を示します。 スイッチ A はルート ブリッジで、その BPDU は、スイッチ B へのリンク上では失われます。 802.1w 規格の BPDU には送信ポートのロールおよびステートが含まれます。 この情報により、スイッチ B は送信される上位 BPDU に対して反応せず、スイッチ B はルート ポートではなく指定ポートであることが、スイッチ A によって検出できます。 この結果、スイッチ A は、そのポートをブロックし（またはブロックし続け）、ブリッジング ループが防止されます。

ループが発生した場合、STP では、LAN インターフェイスの選択時に、フォワーディング ステートにするためのポート コストを考慮します。

STP に最初に選択させたい LAN インターフェイスには低いコスト値を、最後に選択させたい LAN インターフェイスには高いコスト値を割り当てることができます。 すべての LAN インターフェイスが同じコスト値を使用している場合には、STP は LAN インターフェイス番号が最も小さい LAN インターフェイスをフォワーディング ステートにして、残りの LAN インターフェイスをブロックします。

アクセス ポートでは、ポート コストをポートごとに割り当てます。 トランク ポートでは VLAN ごとにポート コストを割り当てるため、トランク ポート上のすべての VLAN に同じポート コストを設定できます。

複数のポートのパス コストが同じである場合に、冗長パスが発生すると、Rapid PVST+ はポート プライオリティを考慮して、フォワーディング ステートにする LAN ポートを選択します。 Rapid PVST+ に最初に選択させる LAN ポートには小さいプライオリティ値を割り当て、Rapid PVST+ に最後に選択させる LAN ポートには大きいプライオリティ値を割り当てます。

すべての LAN ポートに同じプライオリティ値が割り当てられている場合、Rapid PVST+ は、LAN ポート番号が最小の LAN ポートをフォワーディング ステートにし、他の LAN ポートをブロックします。 指定可能なプライオリティの範囲は 0 ～ 224（デフォルトは 128）であり、32 単位で設定できます。 デバイスは LAN ポートがアクセス ポートとして設定されている場合にはポート プライオリティ値を使用し、LAN ポートがトランク ポートとして設定されている場合には VLAN ポート プライオリティ値を使用します。