BPDU ～スパニングツリーの制御情報～

BPDU(Bridge Protocol Data Unit)

BPDUはスパニングツリープロトコルの制御情報です。スパニングツリープロトコルを有効にすると、レイヤ2スイッチはBPDUをやり取りしてスパニングツリープロトコルによるイーサネットフレームの転送経路の冗長化を行います。BPDUの主な役割は、以下のとおりです。

ルートブリッジの選出
ループ箇所の特定
ループを防止するためのポートのブロック
トポロジの変更通知
スパニングツリーの状態監視

BPDUには、以下の2種類あります。

コンフィグレーションBPDU
TCN(Topology Change Notification) BPDU

スパニングツリーの概要について、以下の記事も合わせてご覧ください。

ネットワークのおべんきょしませんか？

スパニングツリーの概要～イーサネットフレームの転送経路を冗長化～

https://www.n-study.com/layer2switch/spanning-tree-overview/

スパニングツリーによって同一ネットワーク(VLAN)のイーサネットフレームの転送経路を冗長化します。正常時の転送経路を決めて、何か障害が発生するとバックアップ用の経路に切り替えられます。スパニングツリープロトコルの概要について解説します。

BPDUのカプセル化

BPDUは、IPパケットとはカプセル化が少し異なります。BPDUはIEEE802.3 LLCでカプセル化されます。DSAPとSSAPは「0x42」でControlは「0x03」です。そして、BPDUの宛先MACアドレスは、01-80-c2-00-00-00です。スパニングツリープロトコルを有効にしているレイヤ2スイッチは、宛先MACアドレス01-80-c2-00-00-00のBPDUを受信してスパニングツリープロトコルのさまざまな処理を行います。BPDUはマルチキャストのMACアドレスを指定していますが、スパニングツリープロトコルが有効なスイッチはBPDUをフラッディングするわけではないことに注意してください。

コンフィグレーションBPDU

スパニングツリープロトコルの大部分の制御を行うためのBPDUがコンフィグレーションBPDUです。ルートブリッジとして選出されたレイヤ2スイッチが定期的にコンフィグレーションBPDUを送信します。デフォルトでは、2秒ごとにコンフィグレーションBPDUを送信します。ルートブリッジ以外のレイヤ2スイッチは、ルートブリッジから受信したコンフィグレーションBPDUをもとに必要な情報を書き換えて、あらたたにコンフィグレーションBPDUを生成して他のスイッチへと送信します。

この図では、ポートがブロックされる前の状態を表しています。スパニングツリープロトコルの計算が完了して、ブロッキング状態になったポートからはコンフィグレーションBPDUを送信しません。

次の図は、コンフィグレーションBPDUのフォーマットを表しています。

図ではパディングを省略しています。

フィールド	概要
プロトコルID	STPでは、「0x0000」で固定
バージョン	バージョンの値も「0x00」で固定
BPDUタイプ	コンフィグレーションBPDUでは、BPDUタイプは「0x00」
フラグ	ビット8-TCACKフラグビット1-TCフラグ
ルートID	ルートブリッジのブリッジID
パスコスト	ルートブリッジまでの累積コスト
ブリッジID	BPDUを送信するスイッチのブリッジID
ポートID	ポートプライオリティとポート番号から構成されるポートの識別情報
メッセージエージタイマ	BPDUが生成されてからの時間
最大エージタイマ	コンフィグレーションBPDUの有効時間
ハロータイマ	ルートブリッジがBPDUを送信する間隔
転送遅延タイマ	リスニング状態、ラーニング状態の時間

表コンフィグレーションBPDU

TCN BPDU

TCN BPDUは、Topology Change Notificationという名前の通り、トポロジが変更されたことを通知するためのBPDUです。TCN BPDUのフォーマットは、プロトコルID、バージョン、BPDUタイプのみでとてもシンプルです。

フィールド	概要
プロトコルID	STPでは、「0x0000」で固定
バージョン	バージョンの値も「0x00」で固定
BPDUタイプ	TCN BPDUでは、BPDUタイプは「0x80」

表 TCN BPDU

TCN BPDUによるトポロジ変更通知の仕組みについて、以下の記事も合わせてご覧ください。

ネットワークのおべんきょしませんか？

TCN BPDUによるトポロジ変更通知 | ネットワークのおべんきょしませんか？

https://www.n-study.com/layer2switch/tcn-bpdu/

標準のIEEE802.1D スパニングツリーで、TCN BPDUによるトポロジ変更通知について解説します。

ブリッジID

スパニングツリープロトコルを有効にしているレイヤ2スイッチを識別するためのIDがブリッジIDです。コンフィグレーションBPDUの中にブリッジIDをブリッジIDを指定しています。ブリッジIDは、次の図のように2バイトのブリッジプライオリティと6バイトのMACアドレスから構成される全体で8バイトのIDです。

レイヤ2スイッチには多くのイーサネットポートが備わっていて、ポートごとにMACアドレスがあります。ブリッジIDのMACアドレスはポートごとのMACアドレスではなく、システムのベースのMACアドレスを利用します。このブリッジIDは、ルートブリッジの選出にも利用されます。ブリッジIDが最小のスイッチがルートブリッジになります。

パスコスト

スパニングツリープロトコルによって、ループ構成になっているネットワークトポロジをルートブリッジ中心のツリー構成とします。つまり、イーサネットフレームは、ルートブリッジを中心として転送するようにします。ルートブリッジ中心のツリー構成を取るために、ルートブリッジまでの最短経路を判断しなければいけません。そこで、ルートブリッジまでの距離を数値化するためのパスコストを考えています。

パスコストはポートの帯域幅から決定されて、帯域幅が大きいほどパスコストの値が小さくなります。そして、パスコストが小さいほど「より近い」とみなします。また、あるレイヤ2スイッチからルートブリッジまでの累積のパスコストをルートパスコストと呼びます。帯域幅ごとのパスコストの値を次の表にまとめています。