スパニングツリープロトコル（STP/RSTP）の収束

STP が解く問題：TTL のない世界のループ

L2スイッチは冗長性のために複数経路で結ばれますが、イーサネットフレームには /network/ethernet-switching-internals/ で述べたとおりL3の TTLに相当する寿命がありません。物理ループがあると、ブロードキャストや未知ユニキャストのフラッディングが永遠に回り、複製のたびに増殖して帯域を食い尽くす ブロードキャストストーム が起きます。さらにMACアドレステーブルが複数ポートで同一MACを学習し直す MACフラッピング も併発し、網が数秒で麻痺します。

STP（IEEE 802.1D）の発想は単純です。物理的にループした網から、冗長リンクを論理的にブロックして1本の木（スパニングツリー）を作る。木にはループがないので、フレームは安全に流れます。リンク障害時にはブロックしていた経路を復活させ、冗長性も確保します。問題は「どのリンクを止めるか」を、各ブリッジが中央制御なしに分散合意で決めることです。

ステップ1：ルートブリッジの選出

木を作るにはまず根を決めます。STPは網全体で ただ1台のルートブリッジ を選びます。基準は ブリッジID（BID）が最小 のブリッジです。BIDは次の構造を持ちます。

各ブリッジは起動時「自分がルートだ」と主張する BPDU（Bridge Protocol Data Unit） を送り合います。BPDUにはルートBID・送信元BID・ルートまでのパスコストが入っています。あるブリッジが自分より小さいルートBIDを載せたBPDUを受け取ったら、主張を取り下げてそのルートBIDを採用し、以後はそれを中継します。この比較が網全体で収束すると、最小BIDのブリッジだけが「自分がルート」と言い続け、全員がそれをルートと認めます。優先度を意図的に下げて特定機を確実にルートにするのが実務の定石です。

ステップ2：ポート役割の決定

ルートが決まると、各ブリッジは自分のポートに役割を割り当てます。鍵は ルートパスコスト（ルートブリッジまでの累積コスト）です。コストはリンク帯域に反比例し、速いリンクほど小さくなります。

決定は次の順で進みます。

1. ルートブリッジ自身: 全ポートが指定ポート（RPCは0）
2. 各非ルートブリッジ:
     ルートパスコストが最小のポート → ルートポート（RP）
3. 各セグメント（リンク）ごと:
     より小さいルートパスコストを送る側のポート → 指定ポート（DP）
4. RPでもDPでもないポート → 非指定（ブロッキング）でループを断つ

ブロッキングポートはデータフレームを送受信しませんが、BPDUの受信は続けます。これにより、現用リンクが切れたときブロッキングポートが昇格して経路を引き継げます。

ステップ3：従来STPのポート状態遷移

STPはポートをいきなり転送状態にはしません。ループを避けるため、タイマで段階的に遷移します。

ListeningとLearningにそれぞれ15秒（Forward Delay）、Blockingから抜ける判定に最大20秒（Max Age）を要するため、ブロックされていたポートが新たに転送を始めるまで最悪で約50秒 かかります。Listeningでツリー再計算とBPDU合意を待ち、Learningで先回りしてMACテーブルを作り、転送開始時の不要なフラッディングを減らす、という段取りです。

RSTP：ハンドシェイクで秒未満に収束させる

RSTP（IEEE 802.1w、現在は802.1Dに統合）は役割・選出のロジックはSTPを踏襲しつつ、収束を抜本的に速くします。要点は3つです。

第一に ポート役割の整理。ブロッキングを2種に分け、ルートポートのバックアップを 代替ポート（Alternate）、指定ポートのバックアップを バックアップポート（Backup） と明示します。代替ポートはルートポート障害時に即座に昇格できる「控え」です。

第二に 状態の簡素化。BlockingとListeningを廃止し、状態は Discarding / Learning / Forwarding の3つになります。

第三に、最大の高速化要因である 提案/合意（Proposal/Agreement）ハンドシェイク。隣接スイッチ間で「このポートを指定ポートにして転送開始してよいか」を直接やり取りし、同意が取れた区間から順に転送を開放します。タイマ待ちを、リンクごとの明示的な握手に置き換えるのが本質です。

# ポイントツーポイントリンクでの提案/合意（概略）
上流DP候補 → 下流: Proposal（私を指定ポートにしたい）
下流: 自分の他ポートを一旦Discardに落とす（同期: sync）
下流 → 上流: Agreement（同意する）
上流: そのポートを即Forwardingへ
→ 握手は隣接区間ごとに連鎖し、ルートから末端へ波及

トポロジ変更通知（TCN）の違い

リンク障害でツリーが変わると、古いMACアドレステーブルのエントリは誤った経路を指したままになり得ます。STPは TCN BPDU をルートへ送り、ルートが網全体に変更を告知して、各ブリッジはエージング時間を既定300秒から Forward Delay（15秒）まで短縮 してテーブルを早く入れ替えます。間接的で遅い方式です。

RSTPはこれを根本から変えます。変化を検知したスイッチ自身が即座にTC（Topology Change）を網へ氾濫させ、関係するMACエントリを 即時フラッシュ します。ルートへの往復を待たないため、テーブルの再学習も速い。下表に収束特性をまとめます。

全体像を一段で

STPは「最小BIDのルートを1台選び、各ブリッジでルートへ最小コストの経路だけを残して残りをブロックし、物理ループを木に変える」プロトコルです。役割決定はコスト→ルートBID→送信側BID→送信側ポートIDのタイブレークで一意に収束し、従来STPはその合意が行き渡るのを保守的なタイマで待つため約50秒を要しました。RSTPは提案/合意ハンドシェイクとエッジ/ポイントツーポイントの区別、即時TC氾濫により、同じ役割ロジックのまま収束を秒未満へ短縮します。L2のフラッディングとMAC学習、その引き金になるブロードキャスト/マルチキャストの挙動と合わせて捉えると、STPは「冗長性を保ちながらループだけを断つ自動制御」として一貫して読み解けます。