STP

루트 브리지 선출은 STP가 네트워크 토폴로지에서 논리적인 루트를 결정하는 첫 번째 단계이다. 모든 스위치는 정기적으로 교환하는 BPDU 메시지에 포함된 브리지 ID 값을 비교하여 가장 낮은 값을 가진 스위치를 루트 브리지로 선출한다.

브리지 ID는 8바이트로 구성되며, 상위 2바이트는 브리지 우선순위, 하위 6바이트는 스위치의 MAC 주소이다. 기본적으로 모든 스위치의 우선순위는 32768로 동일하므로, 일반적으로 MAC 주소가 가장 낮은 스위치가 루트 브리지가 된다. 네트워크 관리자는 특정 스위치가 루트 브리지가 되도록 우선순위 값을 낮춰 설정할 수 있다.

루트 브리지는 네트워크의 기준점 역할을 하며, 모든 경로 계산의 출발점이 된다. 루트 브리지의 모든 포트는 지정 포트가 되어 포워딩 상태로 전환되며, 네트워크 내에서 유일하게 블로킹 포트를 가지지 않는다. 한 번 선출된 루트 브리지는 네트워크에 장애가 발생하거나 새로운 스위치가 추가될 때까지 그 역할을 유지한다.

루트 브리지가 선출되면, 나머지 모든 스위치는 자신의 포트들 중에서 루트 포트를 하나 결정한다. 루트 포트는 해당 스위치가 루트 브리지에 도달하는 데 가장 좋은 경로, 즉 누적된 경로 비용이 가장 낮은 경로를 제공하는 포트이다. 경로 비용은 대역폭을 기반으로 계산되며, 링크 속도가 높을수록 비용은 낮아진다[2]. 비용이 동일한 경우, 상대 스위치의 브리지 ID와 상대 포트의 포트 ID를 순차적으로 비교하여 최종 경로를 선택한다.

세그먼트(같은 콜리전 도메인에 있는 두 스위치 간의 직접 연결)마다 하나의 지정 포트가 선출된다. 지정 포트는 해당 세그먼트를 통해 루트 브리지로 향하는 프레임을 전달하는 책임을 진다. 지정 포트는 일반적으로 해당 세그먼트에 연결된 두 스위치 중, 루트 브리지에 더 가까운 스위치(더 낮은 누적 경로 비용을 가진 스위치)의 포트가 된다. 만약 두 스위치가 루트 브리지까지의 경로 비용이 동일하다면, 더 낮은 브리지 ID를 가진 스위치의 포트가 지정 포트로 선출된다.

루트 포트와 지정 포트는 모두 포워딩 상태로 전환되어 트래픽을 정상적으로 전송한다. 반면, 이 두 가지 포트로 선출되지 못한 모든 포트는 블로킹 포트가 되어 데이터 프레임 전송을 차단한다. 이 과정을 통해 네트워크에 활성화된 모든 경로는 루트 브리지를 중심으로 한 트리 구조를 형성하게 되며, 루프는 제거된다.

루트 브리지와 루트 포트, 지정 포트가 결정된 후, 루프를 방지하기 위해 남은 포트들은 블로킹 상태로 전환된다. 이 과정을 블로킹 포트 설정이라고 한다.

블로킹 포트는 네트워크 트래픽을 차단하는 역할을 한다. 이 포트는 브리지 프로토콜 데이터 유닛을 수신하는 것 외에는 사용자 데이터 프레임을 전송하거나 수신하지 않는다. 각 네트워크 세그먼트에는 하나의 지정 포트만 활성화되어야 하며, 세그먼트에 연결된 다른 모든 브리지의 포트는 블로킹되어야 한다. 이 규칙은 모든 가능한 경로 중 하나의 활성 경로만 남기고 나머지를 논리적으로 차단함으로써 루프를 제거한다.

블로킹 포트는 네트워크 토폴로지가 변경될 경우를 대비한 백업 경로로 작동한다. 예를 들어, 활성 경로상의 링크나 스위치에 장애가 발생하면, STP는 재계산을 수행한다. 이때 기존의 블로킹 포트 중 하나가 새로운 활성 경로의 일부로 전환될 수 있다. 아래 표는 STP 포트의 주요 역할을 비교한 것이다.

결과적으로, STP는 네트워크 내에 하나의 무루프 트리 구조를 형성한다. 모든 스위치는 루트 브리지에 도달할 수 있는 단일 경로를 가지며, 블로킹 포트는 이 트리 구조에서 불필요한 가지를 차단하는 역할을 한다.

브리지 프로토콜 데이터 유닛은 STP가 네트워크 토폴로지를 구성하고 유지하기 위해 교환하는 특수한 제어 메시지이다. 스위치들은 BPDU를 정기적으로 교환하여 네트워크 상태 정보를 공유하고, 이를 바탕으로 루트 브리지 선출, 루트 경로 계산, 루프 감지 등의 작업을 수행한다. BPDU는 이더넷 프레임의 목적지 MAC 주소로 특수한 멀티캐스트 주소(01:80:C2:00:00:00)를 사용한다.

BPDU에는 크게 두 가지 유형이 존재한다. 구성 BPDU는 토폴로지 정보를 전달하는 데 사용되는 가장 일반적인 메시지이다. TCN BPDU는 토폴로지 변경 알림 메시지로, 네트워크 토폴로지에 변화가 생겼을 때 하향 방향으로 전송된다. 구성 BPDU에 포함된 주요 정보는 다음과 같다.

BPDU는 기본적으로 2초마다 루트 브리지로부터 생성되어 네트워크 전체로 전파된다. 각 스위치는 자신의 포트로 수신된 BPDU 정보를 분석하여 더 우수한 경로 정보가 들어왔는지 지속적으로 비교한다. 만약 BPDU 수신이 Max Age 시간(기본 20초) 동안 중단되면, 해당 경로 정보는 오래된 것으로 간주되고 토폴로지 재계산이 트리거된다.

브리지 ID는 스패닝 트리 프로토콜 토폴로지에서 각 네트워크 스위치를 고유하게 식별하는 8바이트 값이다. 이 값은 2바이트의 브리지 우선순위와 6바이트의 MAC 주소로 구성된다. 브리지 우선순위는 관리자가 설정할 수 있는 값으로, 기본값은 32768이다. 브리지 ID는 루트 브리지 선출 과정에서 가장 중요한 결정 요소이며, 숫자가 낮을수록 우선순위가 높다. 우선순위 값이 동일한 경우, MAC 주소가 더 낮은 스위치가 루트 브리지로 선출된다.

포트 ID는 하나의 스위치 내에서 각 포트를 식별하는 2바이트 값이다. 이 값은 1바이트의 포트 우선순위와 1바이트의 포트 번호로 구성된다. 포트 우선순위의 기본값은 128이다. 포트 ID는 루트 포트와 지정 포트를 결정하는 과정에서 사용된다. 루트 브리지로 향하는 경로 비용이 동일한 여러 링크가 존재할 때, 더 낮은 포트 ID를 가진 포트가 선호된다.

브리지 ID와 포트 ID의 구조는 다음과 같이 표로 나타낼 수 있다.

이러한 식별자 체계는 네트워크에서 논리적 트리 구조를 결정적이고 예측 가능한 방식으로 구성하는 데 필수적이다. 관리자는 브리지 우선순위와 포트 우선순위 값을 조정하여 특정 스위치나 경로가 선호되도록 STP의 동작을 제어할 수 있다.

블로킹 상태는 STP 포트의 다섯 가지 상태 중 하나로, 루프를 방지하기 위해 데이터 프레임의 전송과 수신을 모두 차단하는 비활성 상태이다. 이 상태의 포트는 네트워크 트래픽을 전달하지 않지만, BPDU 프레임은 계속 수신하여 토폴로지 변화를 감시한다.

블로킹 상태는 포트가 초기화되거나 장애가 발생한 후 처음 진입하는 기본 상태이다. 포트는 이 상태에서 최대 20초 동안 대기하며, 이 시간을 맥스 에이지(Max Age)라고 한다. 이 기간 동안 포트는 수신한 BPDU를 분석하여 자신이 네트워크에서 어떤 역할을 해야 하는지 결정한다. 만약 블로킹 포트가 더 나은 경로를 제공하는 BPDU를 수신하지 못하면, 다음 상태인 리스닝 상태로 전이할 수 있는 자격을 얻게 된다.

블로킹 상태의 주요 특징은 다음과 같다.

이 상태는 네트워크에 불필요한 경로가 존재할 때, 그 경로를 비활성화하여 루프를 예방하는 핵심 메커니즘이다. 블로킹 포트는 활성 경로에 장애가 발생하면, 다른 상태로 전이되어 백업 경로로 동작할 수 있도록 준비한다.

리스닝 상태는 STP의 포트 상태 중 두 번째 단계이다. 블로킹 상태에서 전환된 포트는 이 상태로 진입한다. 이 상태의 주요 목적은 네트워크에 루프가 형성되지 않도록 포트의 역할을 최종 결정하기 전에 대기하는 것이다.

리스닝 상태에서는 BPDU 프레임을 송수신하여 네트워크 토폴로지 정보를 교환하지만, 사용자 데이터 프레임은 전달하지 않는다. 또한 MAC 주소 테이블을 학습하지도 않는다. 이 상태는 기본적으로 15초 동안 지속되며, 이 시간 동안 포트는 자신이 최종적으로 포워딩 상태로 전환되어야 하는지, 아니면 다시 블로킹 상태로 돌아가야 하는지를 판단한다.

이 기간 동안 STP 알고리즘은 수집된 BPDU 정보를 바탕으로 해당 포트가 루트 포트 또는 지정 포트로 선출될 자격이 있는지 계산한다. 만약 포트가 루트 포트나 지정 포트로 선출되지 못하면, 리스닝 상태가 끝난 후 블로킹 상태로 돌아간다. 반대로 선출된 포트는 다음 단계인 러닝 상태로 진행한다.

러닝 상태는 STP의 포트 상태 중 하나로, 리스닝 상태 이후에 도달하는 단계이다. 이 상태에서는 네트워크 트래픽을 아직 전달하지 않지만, MAC 주소 테이블을 학습하기 시작한다.

포트가 러닝 상태에 진입하면, 해당 포트를 통해 수신되는 데이터 프레임의 소스 MAC 주소를 학습하여 스위치의 브리징 테이블(또는 MAC 주소 테이블)에 기록한다. 이 학습 과정은 불필요한 플러딩을 줄이고 향후 효율적인 프레임 전달을 위한 준비 단계이다. 러닝 상태는 표준 STP에서 15초 동안 지속되도록 설계되었다.

러닝 상태를 거친 후 포트는 최종적으로 포워딩 상태로 전이되어 실제 데이터 트래픽을 전송할 수 있게 된다. 이 두 단계(러닝과 포워딩)를 분리함으로써, 루프가 형성된 상태에서 MAC 주소 테이블이 잘못된 정보로 채워지는 것을 방지할 수 있다.

포워딩 상태는 STP에서 포트가 네트워크 트래픽을 완전히 전송하고 수신할 수 있는 정상 작동 단계이다. 이 상태에 도달한 포트는 사용자 데이터 프레임을 학습(MAC 주소 테이블 갱신)하고 전달한다. 포워딩 상태는 블로킹 상태, 리스닝 상태, 러닝 상태를 거친 후 최종적으로 진입하는 상태로, 루프가 없는 활성 토폴로지의 일부가 된다.

포트가 포워딩 상태에 들어가기까지는 총 30~50초의 지연 시간(포워딩 딜레이)이 발생한다[4]. 이 지연은 네트워크에 루프가 발생하는 것을 방지하기 위한 필수적인 안전 장치이다. 포워딩 상태의 포트는 정기적으로 BPDU를 수신하여 네트워크 토폴로지의 변화를 감시한다.

포트가 포워딩 상태를 유지하는 동안 토폴로지 변경을 나타내는 BPDU(예: 상위 경로 실패)를 수신하면, STP 재수렴 과정이 시작된다. 이 경우 해당 포트는 다시 블로킹 상태로 전환되거나 새로운 경로에 따라 포워딩 상태를 유지할지 결정하기 위해 다른 STP 상태를 거칠 수 있다.

RSTP는 STP의 느린 수렴 속도와 복잡한 상태 전이 과정을 개선하기 위해 개발된 프로토콜이다. RSTP는 IEEE 802.1w 표준으로 정의되며, 기존 STP의 기본 목표인 루프 방지는 유지하면서 네트워크 토폴로지 변화에 훨씬 빠르게 대응한다. 주요 개선점은 포트 상태의 간소화와 빠른 포트 전환 메커니즘 도입이다.

RSTP는 STP의 5가지 포트 상태(블로킹, 리스닝, 러닝, 포워딩, 비활성화)를 3가지 역할과 4가지 상태로 재정의하여 동작을 단순화한다. 포트 역할은 루트 포트, 지정 포트, 대체 포트, 백업 포트로 구분된다. 포트 상태는 폐기(Discarding), 학습(Learning), 전달(Forwarding)로 축소되어, 폐기 상태가 블로킹과 리스닝 상태의 기능을 모두 수행한다. 이 변화로 인해 불필요한 대기 시간이 줄어든다.

RSTP의 가장 큰 장점은 토폴로지 변경 시의 빠른 수렴이다. STP는 최대 수명(Max Age) 타이머(기본 20초)와 함께 30~50초의 대기 시간이 필요했지만, RSTP는 포인트 투 포인트 링크에서 제안-동의(Proposal-Agreement) 핸드셰이크 메커니즘을 사용하여 수 초 내에 포트를 전달 상태로 전환할 수 있다. 또한, 토폴로지 변경 알림이 네트워크 전체로 빠르게 전파되도록 개선되었다.

RSTP는 STP와의 하위 호환성을 유지한다. RSTP 스위치는 STP 스위치와 혼합 네트워크에서 동작할 수 있지만, STP 스위치와 연결된 포트 근처에서는 빠른 전환 기능이 제한될 수 있다. RSTP의 등장으로 대부분의 현대 레이어 2 네트워크에서는 STP 대신 RSTP가 기본적으로 사용된다.

MSTP는 IEEE 802.1s 표준으로 정의되며, STP와 RSTP의 단일 스패닝 트리 인스턴스 한계를 극복하기 위해 개발되었다. MSTP는 네트워크를 여러 개의 논리적 MST 지역으로 분할하고, 각 지역 내에서 여러 개의 독립적인 MST 인스턴스를 운용할 수 있게 한다. 각 인스턴스는 고유한 스패닝 트리 토폴로지를 형성하여, 서로 다른 VLAN 그룹의 트래픽이 서로 다른 경로를 통해 전송되도록 한다[5]. 이를 통해 트래픽 부하를 여러 경로에 분산시키는 로드 밸런싱이 가능해지고, 대역폭 활용 효율이 크게 향상된다.

MSTP의 동작은 크게 지역 내 동작과 지역 간 동작으로 구분된다. 하나의 MST 지역은 동일한 MST 구성 식별자를 공유하는 스위치들의 집합이다. 이 식별자는 지역 이름, 개정 번호, VLAN과 인스턴스의 매핑 테이블로 구성된다. 지역 내에서는 각 MST 인스턴스에 대해 하나의 내부 스패닝 트리가 계산된다. 지역 간 연결을 위해서는 전체 토폴고리를 단일 트리로 축소하는 공통 스패닝 트리가 사용된다. CST는 모든 MST 지역과 기존의 단일 스패닝 트리 스위치를 하나의 가상 브리지로 간주하고 연결한다.

MSTP는 복잡한 구성이 필요하다는 단점이 있지만, 대규모 VLAN 환경에서 루프 방지와 동시에 링크 활용 최적화를 달성하는 데 필수적인 프로토콜이다. 이는 특히 데이터센터나 엔터프라이즈 백본 네트워크에서 유용하게 적용된다.

루트 브리지는 STP 토폴로지의 논리적 중심이자 모든 경로 계산의 기준점이 되는 장치이다. 네트워크 관리자는 일반적으로 가장 강력한 성능과 중앙에 위치한 스위치를 루트 브리지로 명시적으로 지정하여 최적의 경로를 보장하고 예측 가능한 네트워크 동작을 유도한다.

루트 브리지 설정은 주로 브리지 ID의 우선순위 값을 조정하는 방식으로 이루어진다. 브리지 ID는 우선순위(기본값 32768)와 스위치의 MAC 주소로 구성된다. 수치가 낮을수록 우선순위가 높아지므로, 관리자는 특정 스위치의 우선순위 값을 다른 스위치보다 낮게 설정하여 강제로 루트 브리지가 되도록 한다. 예를 들어, 우선순위를 4096 또는 0으로 설정하는 것이 일반적이다. 대부분의 네트워크 장비에서는 다음과 같은 명령어 형식으로 설정한다.

루트 브리지를 적절히 설정하지 않으면 성능이 낮은 주변 스위치가 자동 선출 과정에서 루트 브리지가 될 수 있다. 이는 모든 트래픽이 해당 스위치를 경유하도록 만들어 네트워크 전반의 성능을 저하시키고 병목 현상을 초래할 수 있다. 따라서 네트워크 설계 단계에서 핵심 스위치를 루트 브리지로 지정하고, 이중화를 위해 보조 루트 브리지도 함께 구성하는 것이 표준적인 방법이다.

네트워크 관리자는 루트 브리지 선출과 트리 구조 형성을 제어하기 위해 포트 우선순위와 포트 비용을 조정할 수 있다. 이 설정은 BPDU 교환 과정에서 사용되는 결정 기준을 변경하여 특정 경로를 선호하거나 차단하도록 유도한다.

포트 우선순위는 동일한 스위치 내에서 루트 포트 또는 지정 포트를 선택할 때 사용된다. 우선순위 값이 낮은 포트가 더 선호된다. 관리자는 기본값(128)에서 조정하여 특정 포트가 활성 경로에 포함되도록 할 수 있다. 포트 비용은 해당 포트를 통해 루트 브리지에 도달하는 데 드는 누적 경로 비용을 계산하는 데 사용된다. 링크 대역폭에 따라 기본 비용이 할당되지만, 이를 수동으로 높이거나 낮춰 특정 링크를 우회하거나 주 경로로 사용하도록 영향을 미칠 수 있다[6].

이러한 조정은 주로 트래픽 로드 밸런싱, 고대역폭 링크의 적극적 활용, 또는 예비 경로 설정을 위해 수행된다. 구성 변경은 네트워크 전체에 BPDU를 통해 전파되며, 이 과정에서 일시적인 재수렴이 발생할 수 있다. 따라서 변경 작업은 계획된 유지 보수 시간에 수행하는 것이 바람직하다.