冗長リンクは産業用Ethernetネットワークの物理的な可用性を高めますが、制御されていないレイヤー2ループはネットワークを使用不能にするおそれがあります。Ethernetフレームには、IPのようなホップ数制限がありません。そのため、ブロードキャスト、不明ユニキャスト、一部のマルチキャストのフレームが循環して増殖し、同時にスイッチのMACテーブル内の対応ポートが頻繁に切り替わることがあります。Rapid Spanning Tree Protocol（RSTP）は、冗長配線を維持しながら、ループのない単一の転送ツリーを構築します。
レイヤー2ループが急速に拡大する理由
スイッチは、ブロードキャストフレームや宛先不明のフレームを、同じVLAN内のほかのポートへフラッディングします。閉ループでは、別のスイッチがそのコピーを受信し、再びフラッディングすることがあります。このトラフィックは、リンク容量、スイッチングリソース、CPU時間を消費します。よく見られる兆候には、ブロードキャストの急増、ポート間でのMACアドレスの繰り返し移動、管理アクセスの低速化、アプリケーショントラフィックの断続的な損失があります。
ケーブルを1本外すと、発生中のストームを止められる場合がありますが、それだけでは想定した制御機構が機能しなかった理由は分かりません。エンジニアは引き続き、物理トポロジー、VLANの所属関係、ポートの役割、ブリッジ識別子、受信したBPDUを調査する必要があります。
RSTPがループのないツリーを構築する仕組み
参加するブリッジは、Bridge Protocol Data Unit（BPDU）を交換します。最も優先されるブリッジ識別子を持つブリッジが、ルートブリッジになります。ルート以外の各スイッチは、そのルートへの最適な経路を持つポートをルートポートとして選択します。また、各ネットワークセグメントで1つの指定ポートが選択されます。これらの役割に選ばれなかった冗長ポートは、代替ポートとしてディスカーディング状態にとどまることができます。
代替ポートは引き続きBPDUを受信して処理しますが、通常のデータフレームを転送せず、その送信元MACアドレスも学習しません。物理リングは障害復旧に備えた状態を維持しつつ、論理データ経路ではループが切り離され、ツリーが形成されます。
BPDU優先度ベクトルの比較方法
受信したBPDUは、単一の優先度の数値だけでは判定されません。ブリッジは、ルートブリッジID、累積ルートパスコスト、送信元ブリッジID、送信元ポートIDの順にフィールドを比較します。いずれかのフィールドで優劣が決まった時点で、それ以降のフィールドは判定に影響しません。同値の場合にのみ、次のフィールドへ進みます。
リンク速度はデフォルトのパスコストに影響することがありますが、実装やコストの範囲は機器の世代によって異なる場合があります。ポート速度から経路を推測するのではなく、設定値と実際にやり取りされているBPDU情報を確認してください。並列の物理リンクについても、それぞれを独立したスパニングツリーポートとして扱うのか、リンクアグリゲーショングループのメンバーとして扱うのかを明確に選択する必要があります。
RSTPが従来のSTPより速く収束する理由
RSTPは、ルート、指定、代替、バックアップという明確な役割を使用します。適切なポイントツーポイントの全二重リンクでは、ProposalとAgreementの交換によって転送状態を同期するため、ポートは従来方式のタイマーの各段階をすべて待つことなく、迅速に状態遷移できます。エッジポートも、接続先が単一のエンドポイントであることを確認できている場合は、速やかに状態遷移できます。
高速収束は、無中断を意味するものではありません。検出方法、リンクネゴシエーション、CPU負荷、トポロジーの規模、VLANインスタンス、エンドポイントの近隣テーブルは、いずれもアプリケーションの復旧に影響します。BPDUの未受信のみで検出される障害は、通常、物理リンクダウンを直接検出する場合よりも検出に時間がかかります。
エッジポートと保護機能
PLC、カメラ、HMIのいずれか1台に接続するポートは、別のブリッジを接続しないことを確認したうえで、エッジポートとして設定できます。エッジポートがBPDUを受信した場合、ネットワークが変化したことを意味します。BPDU保護は、誤って接続されたスイッチによるトポロジーの書き換えを防止できます。ルート保護は、より優先度の高いルートが出現できる場所を制限し、ループ保護は、片方向でのBPDU損失などの状況に対処できます。
名称や正確な動作は、プラットフォームとファームウェアによって異なります。配線を確認せずにすべてのアクセスポートをエッジポートに設定すると、不可欠な安全上の境界が失われます。各保護機能は、対象のソフトウェアリリースで検証してください。
設定と受入試験
VLANごとに、物理トポロジーと論理トポロジーを図示してください。主系と予備系のルートブリッジを選択し、意図した業務トラフィックの方向に合うようにパスコストを設定します。通常、ルートは集約拠点または制御センターの近くに配置すべきであり、工場出荷時のMACアドレスが最小という理由で偶然選ばれるべきではありません。変更前に、ブリッジID、ポートの役割、BPDUカウンター、MACテーブルを保存してください。
受入試験では、通常経路、リンク1本の障害、リンクの復旧、スイッチの再起動、誤って形成されたループを対象にする必要があります。実運用に即した制御トラフィックと映像トラフィックの下で、ポートの役割の遷移、パケット損失、アプリケーションの最長中断時間、MACアドレスの移動、アラームのタイムスタンプを記録してください。FCTELの産業用スイッチにおけるRSTPおよび保護機能の対応状況は、モデルとファームウェアによって異なります。導入前に最新のドキュメントを確認し、実際に導入するトポロジーそのもので試験してください。
