スイッチングループが危険な理由

冗長リンクはネットワークの信頼性を高めますが、スイッチネットワークでは危険な問題、つまりスイッチングループを引き起こすことがあります。スイッチ間に2つ以上の経路があり、フレームが無限に巡回するとループが発生します。低速な接続とは異なり、ループは数秒でネットワーク全体を停止させる可能性があります。このレッスンでは、ループがどのように発生し、なぜこれほど破壊的なのかを説明します。

ループを理解するために、スイッチが未知のトラフィックやブロードキャストトラフィックをどのように処理するかを思い出しましょう。スイッチは、ブロードキャストフレーム、または宛先をまだ学習していないフレームを受信すると、受信したポート以外のすべてのポートからそのフレームをフラッディングします。このフラッディングは正常で便利な動作です。しかし、トポロジーにループがあると、フラッディングは制御不能な障害に変わります。

2本のケーブルで2台のスイッチを接続し、ループが形成されているとします。ブロードキャストがSwitch Aに入ると、Switch Aは両方のリンクを通じてSwitch Bへフラッディングします。Switch Bはそれを両方のリンク経由でSwitch Aへ送り返します。Switch Aは再びフラッディングするため、フレームは増殖して巡回し続け、止めるものがありません。レイヤー2フレームには、サイクルを終了させる組み込みの有効期限がありません。

その結果、ブロードキャストストームが発生します。フレームのコピーが爆発的に増殖し、すべてのリンクが飽和します。ループするトラフィックで帯域幅が埋まり、スイッチはフラッディングの処理に追われてCPU使用率が急上昇し、正規のトラフィックが通過できなくなります。ネットワークは実質的に動作を停止します。1つのループだけでサイト全体が数秒以内に麻痺する可能性があるため、ループは緊急事態として扱われます。

ループは2つ目の問題、つまりMACアドレステーブルの不安定化も引き起こします。スイッチは、受信フレームの送信元アドレスによって、デバイスがどのポートに接続されているかを学習します。ループするフレームが複数のポートから到着すると、スイッチはデバイスの接続先を何度も変更し、エントリがポート間でフラッピングします。この混乱によって転送判断が誤り、事態がさらに悪化します。

IPパケットにはTTL（Time To Live）カウンターがあり、値が0になるとパケットを破棄するため、ルーターは無限ループを回避できます。しかし、レイヤー2のEthernetフレームにはTTLフィールドがありません。フレーム自体には、値を減らしたり期限切れにしたりする仕組みがないのです。そのため、レイヤー2でループしているフレームは、人がループを切断するか、プロトコルが防止するまで永遠に巡回できます。

ループが意図的に作られることはほとんどありません。パッチケーブルの両端を同じスイッチに接続する、2つの壁面ジャックを接続する、管理対象外スイッチを誤った方法でデイジーチェーン接続するといった操作によって、偶発的に発生することがよくあります。症状が突然現れて全員に影響するため、偶発的なループはオフィス全体が一度に接続できなくなる典型的な原因です。

ループの兆候には、ネットワーク全体が極端に遅くなる、または停止すること、スイッチのステータスランプが激しく一斉に点滅すること、スイッチのCPU使用率が非常に高くなることなどがあります。ネットワーク全体でpingがタイムアウトします。誰かがケーブルを移動した直後やデバイスを追加した直後に接続が崩れた場合は、ループを疑い、新たに作られた冗長経路を探してください。

まず、問題の冗長ケーブルを切断してループを解消します。2本目の経路がなくなると、フラッディングするフレームは巡回できなくなり、ストームはほぼ瞬時に収束します。そのため、突然完全に停止した場合、技術者は最近追加されたリンクを抜いてネットワークが復旧するか確認することから始めることがよくあります。

すべてのループを人間が避けられると考えるべきではありません。また、冗長性は信頼性のために重要です。真の解決策は、冗長リンクを許可しながら、ループを形成するリンクをブロックし、バックアップとして待機させる自動プロトコルです。そのプロトコルがSpanning Tree Protocolであり、次のレッスンで扱います。これはスイッチングループに対する標準的な防御策です。

スイッチングループは、ネットワークで発生し得る最も深刻な障害の1つであり、Network+試験にも登場します。冗長経路がフラッディングを引き起こし、フラッディングがブロードキャストストームとMACテーブルの不安定化を引き起こし、さらにレイヤー2にはTTLがないためストームが自然には終わらない、という流れを理解してください。これこそが、ループ防止が存在する理由です。

ループに関する知識を確認しましょう。

スイッチングループは、冗長経路によってスイッチがブロードキャストを円環状にフラッディングすると発生します。レイヤー2のEthernetフレームにはTTLがないため、ループは終わらず、リンクを飽和させてスイッチのCPU使用率を急上昇させるブロードキャストストームが発生します。さらに、エントリがフラッピングしてMACテーブルの不安定化も起こります。ループは偶発的に発生することが多く、数秒でサイト全体を麻痺させる可能性があります。根本的な解決策は、自動的にループを防止するプロトコルであるSpanning Treeです。