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ネットワークの禁忌に触れる ― 第2回

ループ構成をやってはいけないのはなぜ?

2台のスイッチを2本のケーブルでつなぐと何が起こる?

2010年11月09日 09時00分更新

文● 佐和芳夫、編集部

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スイッチやハブを接続する際、やってはいけないのがループ構成だ。これは、2台のスイッチを2本のLANケーブルで直結したり、1本のケーブルの両端を同じスイッチに接続した場合などに生じる。では、なぜループを作ってはいけないのか、ループを作ると何が起こるのだろうか。


ループ構成を作ってみると

 2台のスイッチでループを作るとどうなるのか。理由の説明の前に、結果から紹介しよう。ここでは、PCを数台ずつ接続した2台のスイッチを用意した。最初に1本のLANケーブルでスイッチ間を結び、通信が行なわれていることを確認。スイッチのフロント部のアクセスランプは、通信にあわせて点滅している。

 しかし、この状態で、もう1本のLANケーブルを接続すると、直後からアクセスランプは点灯したままとなった。スイッチ間を流れるトラフィックを調べたところ使用帯域は常時100%近い状態になり(図1)、その内容はほぼすべてがブロードキャストフレームだった。ブロードキャストフレームが大量に流れ続ける、いわゆる「ブロードキャストストーム」という現象だ。

図1 ループ状態になったスイッチの間を流れるトラフィック量

 この状態で1台のPCからほかのPCにpingを試したところ、「Request timed out.」が続き、通信は一回も成功しなかった。もちろん、Windowsのファイル共有によるPC間のファイル転送やインターネットのWebサイトへのアクセスもできない

 「2台のスイッチを2本のケーブルでつなぐと何が起こる?」の回答は、ブロードキャストストームが発生し、スイッチに接続したノード間では通信ができなくなるというわけだ。確かに、やってはいけないことである。

写真1 実験に利用した2台のスイッチ。下段のインテリジェントスイッチは、初期状態ではSTPが有効になっているため、無効にして実験した

 それでは、なぜループを作るとブロードキャストストームが発生するのか。ブロードキャストフレームは、宛先MACアドレスが「FF:FF:FF:FF:FF:FF」となったEthernetフレームで、同じサブネットに属するすべてのノードに対して送られる。IPのブロードキャストと異なり、ブロードキャストフレームにはサブネット内だけに送信する機能はない。ただし、ルータはブロードキャストを転送しないため、結果的にサブネット内に限定される。ブロードキャストフレームは、IPアドレスからMACアドレスを解決するARPなどで使われ、PCは定期的にブロードキャストフレームを出している。

 それでは、PCがブロードキャストフレームを送信した際、どのように伝わっていくのか。ループになっていない正常なネットワークでは、各ノードに一方通行で送られる(図2)。つまり、スイッチはすべてのポートにブロードキャストフレームを転送するが、送信元のポートに対しては行なわない。そのため、一度送ったパケットが送信元に戻ってくることはない。

図2 通常のネットワークでのブロードキャストフレームの流れ

 一方、2本のケーブルでスイッチがループになっているネットワークでは、状況が異なる(図3)。スイッチが一方のケーブルから送信したブロードキャストフレームは、対向のスイッチによってもう一方のケーブルから戻ってきてしまうのだ。するとスイッチは再度フレームを転送し、それがまた戻ってくる。この繰り返しが生じるため、ブロードキャストストームが発生するのだ。

図3 ループ状態のネットワークを行き交うブロードキャストフレーム

 IPには、一定の台数以上のルータを経由したパケットを破棄する「TTL(Time To Live)」という仕組みがある。これはルータを経由するたびにパケットのヘッダにあるTTLの値を1つずつ減らし、0になったら破棄するという仕組みだ。これによって、宛先が不明なパケットがインターネット上を流れ続けるといった事態を防止している。

 ところがEthernetにはこうした仕組みがなく、ブロードキャストフレームが自動的に破棄されることはない。そのため、スイッチがループ状になっている限り、フレームは永遠にスイッチ間を回り続ける。

 ループの弊害は、スイッチ間のトラフィックの増加だけでない。ループ状態になると、スイッチに接続しているPCに対しても大量のブロードキャストフレームが送り続けられる。この処理の負荷のため、PCの動作速度が低下することがあるのだ。

 今回の実験でも、ループ状態になったら、1台のWindows 2000搭載PCがマウスカーソルすら動かない状態になってしまった。OSのハングアップで処理が止まってしまったとも考えたが、ループを解消したとたん正常に動くようになった。PCのフリーズは、CPUやネットワークインターフェイスの性能によって起きる場合、起きない場合がある。だが、たとえ動作をしていてもCPU負荷は高まっており、使いにくい状態に陥ることは間違いない。

 ブロードキャストストームを防ぐには、STP(Spanning Tree Protocol)対応のインテリジェントスイッチを導入するのがよい。STPは、スイッチ間に複数の経路がある場合、一方の経路を遮断することでループを解消する仕組みだ(図4)。

図4 ループを防ぐSTP(Spanning Tree Protocol)

 また、STPには有効になっている経路に障害が発生したら、もう一方の経路を有効にする機能がある。そのため、事前に複数の経路を作っておくことで、ネットワークの冗長化の手段としても利用できる。

 STP対応のインテリジェントスイッチは、通常のノンインテリジェントなスイッチと比べると価格は高い。そのため、フロアスイッチにまで導入するのは難しいかもしれない。だが、バックエンドに使うスイッチだけでもSTP対応の製品にすれば、トラブルも減るはずだ。


 本記事は、ネットワークマガジン2004年12月号の特集を再編集したものです。内容は原則として掲載当時のものであり、現在とは異なる場合もあります。

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