スパニング ツリー プロトコル (単にスパニング ツリーとも呼ばれることもあります) は、最新のイーサネット ネットワークの Waze または MapQuest であり、リアルタイムの条件に基づいて最も効率的なルートに沿ってトラフィックを誘導します。
米国のコンピュータ科学者であるラディア パールマンが 1985 年にデジタル イクイップメント コーポレーション (DEC) に勤務していたときに作成したアルゴリズムに基づくスパニング ツリーの主な目的は、複雑なネットワーク構成における冗長リンクと通信経路のループを防止することです。二次的な機能として、スパニング ツリーは問題のある箇所を迂回してパケットをルーティングし、中断が発生している可能性のあるネットワークを確実に通信できるようにします。
スパニングツリートポロジとリングトポロジ
1980 年代に組織がコンピュータのネットワーク化を始めたばかりのとき、最も人気のある構成の 1 つはリング ネットワークでした。たとえば、IBM は 1985 年に独自のトークン リング テクノロジーを導入しました。
リング ネットワーク トポロジでは、各ノードは他の 2 つのノード (リング上でその前に位置する 1 つとその後ろに位置する 1 つ) に接続します。信号はリング上を一方向にのみ移動し、途中の各ノードはリング上をループするすべてのパケットをハンドオフします。
単純なリング ネットワークは、コンピュータが数台しかない場合には問題なく機能しますが、ネットワークに数百、数千のデバイスが追加されると、リングの効率が低下します。コンピュータは、隣接する部屋にある他のシステムと情報を共有するためだけに、数百のノードを介してパケットを送信する必要がある場合があります。また、トラフィックが一方向にのみ流れることができ、途中のノードが故障したり過度に混雑したりした場合にバックアップ計画がない場合にも、帯域幅とスループットが問題になります。
90 年代、イーサネットが高速になり (100M ビット/秒。ファスト イーサネットは 1995 年に導入されました)、イーサネット ネットワーク (ブリッジ、スイッチ、ケーブル配線) のコストがトークン リングよりも大幅に安くなったため、スパニング ツリーが LAN トポロジ戦争に勝利し、トークンが勝ち取りました。指輪はすぐに消えてしまいました。
スパニングツリーの仕組み
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スパニング ツリーは、データ パケットの転送プロトコルです。それは、データが通過するネットワーク高速道路の交通警官であると同時に土木技術者でもあります。これはレイヤー 2 (データ リンク層) に位置するため、送信されるパケットの種類やパケットに含まれるデータではなく、パケットを適切な宛先に移動することだけに関係します。
スパニング ツリーは非常に普及しているため、その使用法はIEEE 802.1D ネットワーク標準。標準で定義されているように、2 つのエンドポイントまたはステーションが適切に機能するには、それらの間に存在できるアクティブ パスは 1 つだけです。
スパニング ツリーは、ネットワーク セグメント間を通過するデータがループに陥る可能性を排除するように設計されています。一般に、ループによってネットワーク デバイスにインストールされている転送アルゴリズムが混乱し、デバイスがパケットをどこに送信すればよいか分からなくなります。これにより、フレームが重複したり、重複したパケットが複数の宛先に転送されたりする可能性があります。メッセージが繰り返される場合があります。通信は送信者に返送される可能性があります。あまりにも多くのループが発生し始めると、ネットワークがクラッシュする可能性さえあり、ループ以外の他のトラフィックの通過をブロックしながら、目立った利益もなく帯域幅を使い果たします。
スパニングツリープロトコルループの形成を阻止します各データ パケットの可能な経路を 1 つを除いてすべて遮断します。ネットワーク上のスイッチはスパニング ツリーを使用して、データが移動できるルート パスとブリッジを定義し、プライマリ パスが使用可能な間は重複したパスを機能的に遮断して、それらのパスを非アクティブにして使用できなくします。
その結果、ネットワークがどれほど複雑または広大になっても、ネットワーク通信はシームレスに流れるようになります。ある意味、スパニング ツリーは、ネットワーク エンジニアが古いループ ネットワーク上でハードウェアを使用して行っていたのとほぼ同じ方法で、ソフトウェアを使用してデータが移動するためのネットワーク内に単一のパスを作成します。
スパニングツリーのその他の利点
スパニング ツリーが使用される主な理由は、ネットワーク内のルーティング ループの可能性を排除することです。しかし、他にも利点があります。
スパニング ツリーは、データ パケットが通過できるネットワーク パスを常に探して定義しているため、これらのプライマリ パスのいずれかにあるノードが無効になっているかどうかを検出できます。これは、ハードウェアの障害から新しいネットワーク構成に至るまで、さまざまな理由で発生する可能性があります。帯域幅やその他の要因に基づく一時的な状況である場合もあります。
スパニング ツリーは、プライマリ パスがアクティブでなくなったことを検出すると、以前に閉じられていた別のパスをすぐに開くことができます。その後、問題箇所の周囲にデータを送信し、最終的には迂回路を新しいプライマリ パスとして指定するか、元のブリッジが再び利用可能になった場合には元のブリッジにパケットを送り返すことができます。
元のスパニング ツリーは必要に応じて新しい接続を比較的迅速に作成できましたが、2001 年に IEEE は Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) を導入しました。プロトコルの 802.1w バージョンとも呼ばれる RSTP は、ネットワークの変更、一時的な停止、またはコンポーネントの完全な障害に応じて、大幅に高速な回復を提供するように設計されています。
RSTP は、プロセスを高速化するために新しいパス コンバージェンス動作とブリッジ ポートの役割を導入しましたが、元のスパニング ツリーと完全に下位互換性を持つように設計されました。したがって、両方のバージョンのプロトコルを備えたデバイスが同じネットワーク上で一緒に動作することが可能です。
スパニングツリーの欠点
スパニング ツリーは導入以来長年にわたってどこにでも普及してきましたが、スパニング ツリーはそうではないと主張する人もいます。時間が来ました。スパニング ツリーの最大の欠点は、データが移動する可能性のある経路を遮断することで、ネットワーク内の潜在的なループを遮断することです。スパニング ツリーを使用する特定のネットワークでは、潜在的なネットワーク パスの約 40% がデータに対して閉じられています。
データセンター内などの非常に複雑なネットワーク環境では、需要に合わせて迅速にスケールアップできることが重要です。スパニング ツリーによる制限がなければ、追加のネットワーク ハードウェアを必要とせずに、データ センターはさらに多くの帯域幅を解放できます。複雑なネットワーク環境がスパニング ツリーの作成理由であるため、これはある意味皮肉な状況です。そして現在、プロトコルによって提供されるループに対する保護は、ある意味、これらの環境の潜在能力を最大限に発揮できないようにしています。
MSTP (Multiple-Instance Spanning Tree) と呼ばれるプロトコルの改良版は、仮想 LAN を採用し、ループの形成を防ぎながら、より多くのネットワーク パスを同時にオープンできるようにするために開発されました。しかし、MSTP を使用しても、このプロトコルを使用する特定のネットワーク上では、かなりの数の潜在的なデータ パスが閉じられたままになります。
長年にわたり、スパニング ツリーの帯域幅制限を改善するための非標準化された独立した試みが数多く行われてきました。それらの一部の設計者はその努力が成功したと主張していますが、ほとんどはコア プロトコルと完全に互換性がないため、組織はすべてのデバイスで非標準化された変更を採用するか、それらを共存できるようにする何らかの方法を見つける必要があります。標準スパニング ツリーを実行するスイッチ。ほとんどの場合、スパニング ツリーの複数のフレーバーを維持およびサポートするコストは、労力に見合うものではありません。
スパニングツリーは今後も継続されるのでしょうか?
スパニング ツリーがネットワーク パスを閉じることによる帯域幅の制限を除けば、プロトコルの置き換えについてはあまり検討や努力が払われていません。IEEE は効率を高めるために更新をリリースすることがありますが、それらは常にプロトコルの既存のバージョンと下位互換性があります。
ある意味、スパニング ツリーは「壊れていない場合は修正しない」というルールに従っています。スパニング ツリーは、ほとんどのネットワークのバックグラウンドで独立して実行され、トラフィック フローを維持し、クラッシュを引き起こすループの形成を防ぎ、問題のある箇所を回避してトラフィックをルーティングするため、ネットワークが日常業務の一環として一時的に中断されているかどうかをエンド ユーザーが認識することさえありません。日中のオペレーション。一方、バックエンドでは、管理者は、ネットワークの他の部分や外部と通信できるかどうかについてあまり考えずに、新しいデバイスをネットワークに追加できます。
こうしたことから、スパニング ツリーは今後何年にもわたって使用され続ける可能性があります。マイナーなアップデートが随時行われる可能性がありますが、コアのスパニング ツリー プロトコルとそれが実行するすべての重要な機能はおそらく存続します。
投稿時間: 2023 年 11 月 7 日
