스패닝 트리 프로토콜 — 루프를 잘라 나무를 만든다

스위치를 여러 대 연결하다 보면 케이블이 고리(루프)를 만든다. 2계층에는 IP의 TTL 같은 "수명"이 없어서, 브로드캐스트 프레임 하나가 고리를 타고 영원히 돌며 복제된다 — 이게 브로드캐스트 폭풍이다. STP(IEEE 802.1D)는 물리적으로는 고리가 있어도, 일부 포트를 차단(Blocking)해서 논리적으로는 루프 없는 나무 한 그루만 남긴다.

한 줄 요약: ① 가장 "번호가 작은" 스위치를 루트 브리지로 뽑고 → ② 각 스위치는 루트로 가는 가장 싼 포트 1개(루트 포트)를 열고 → ③ 각 케이블 구간마다 대표 포트(지정 포트) 1개를 열고 → ④ 그 외 나머지 포트는 전부 막는다.

1. 왜 루프가 위험한가

스위치는 목적지를 모르는 프레임(브로드캐스트, 또는 아직 안 배운 유니캐스트)을 들어온 포트만 빼고 전부로 내보낸다(플러딩). 고리가 있으면 이 프레임이 옆 스위치로 갔다가 되돌아오고, 다시 뿌려지고… 끝이 없다. 게다가 지나갈 때마다 갈림길에서 2배, 4배로 불어난다. 몇 초 만에 회선이 꽉 차고 스위치 CPU가 마비된다.

2. 직접 해보기 — 스위치 4대, 케이블 5개

스위치 4대가 케이블 5개로 연결돼 있다(고리가 여러 개 있다). 각 스위치에는 브리지 ID(BID)가 있고, SW1은 우선순위를 4096으로 낮춰 놨다(나머지는 기본 32768). 아래에서 STP를 켜면 루트 선출 → 포트 역할 계산이 애니메이션으로 진행된다. 케이블의 동그란 버튼을 누르면 그 링크를 끊어(장애) STP가 어떻게 다시 수렴하는지 볼 수 있다.

R = 루트 포트 (열림) D = 지정 포트 (열림) B = 차단 포트 (막힘) 루트 브리지

스위치별 상태

스위치	브리지 ID	루트까지 비용	루트 포트

각 링크 비용 = 19 (100 Mbps 기준). 대각선 SW1–SW4 링크만 느린 회선이라 비용 100. 비용이 같으면 BID가 작은 쪽이 이긴다.

「STP 계산」을 눌러 루트 선출부터 포트 차단까지 관찰하세요.

3. 브리지 ID — 선거의 기준

루트 브리지는 BID가 가장 작은 스위치가 된다. BID는 이렇게 생겼다:

브리지 우선순위 (2바이트)	확장 시스템 ID (VLAN)	스위치 MAC 주소 (6바이트)
0 ~ 61440 (4096 단위) 기본값 32768	+ VLAN 번호	공장에서 박힌 고유값 (동점일 때 최종 판정)

관리자가 "이 스위치를 루트로 쓰고 싶다"면 우선순위를 4096이나 0으로 낮춘다. 보통 망 중앙의 고성능 스위치를 루트로 지정해야, 트래픽이 이상하게 가장자리 스위치로 우회하지 않는다.

4. 포트 역할이 정해지는 순서

순서	역할	규칙	상태
1	루트 브리지	BID 최소. 루트의 모든 포트는 지정 포트	Forwarding
2	루트 포트 (RP)	루트가 아닌 스위치마다 1개. 루트까지 누적 비용 최소인 포트 (동점 → 상대 BID 최소 → 상대 포트번호 최소)	Forwarding
3	지정 포트 (DP)	케이블 구간(세그먼트)마다 1개. 그 구간에서 루트까지 비용이 더 낮은 쪽 포트 (동점 → BID 최소)	Forwarding
4	비지정 / 대체 포트	RP도 DP도 아닌 나머지 전부	Blocking

5. 의사코드

def spanning_tree(switches, links):
    root = min(switches, key=lambda s: s.bid)      # 1) 루트 선출

    # 2) 루트로부터 최소 비용 트리 (BPDU가 퍼지며 계산됨)
    cost = {root: 0}
    for s in dijkstra_order(root, links):
        best = min(neighbors(s),
                   key=lambda n: (cost[n] + link_cost(s, n), n.bid, n.port))
        cost[s]      = cost[best] + link_cost(s, best)
        s.root_port  = port_to(s, best)          # Forwarding

    # 3) 세그먼트마다 지정 포트 하나
    for (a, b) in links:
        winner = a if (cost[a], a.bid) < (cost[b], b.bid) else b
        port_between(winner, other).role = "designated"   # Forwarding

    # 4) 나머지는 전부 차단
    for p in all_ports:
        if p.role not in ("root", "designated"):
            p.state = "BLOCKING"          # 프레임 안 보내고 안 받음(BPDU만 들음)

6. 포트가 열리기까지 — 그리고 RSTP

고전 STP에서 막혔던 포트가 갑자기 "열림"으로 바뀌면 안 된다. 잠깐이라도 루프가 생기기 때문이다. 그래서 단계를 밟는다:

상태	하는 일	기본 시간
Blocking	BPDU만 듣는다. 데이터 X	—
Listening	BPDU 주고받으며 역할 결정. 데이터 X	15초
Learning	MAC 주소 학습. 데이터 X	15초
Forwarding	정상 전송	—

장애가 나면 최대 30~50초 멈춘다. 너무 느려서 나온 게 RSTP(802.1w) — 포트 타입(엣지/P2P) 구분과 능동적 핸드셰이크로 1초 이내에 수렴한다. 요즘 스위치의 "spanning-tree mode rstp"가 그것이고, VLAN마다 트리를 따로 두는 MSTP / PVST+도 널리 쓰인다.

이어서 보면 좋은 글: OSI 7계층 모델 · ARP · 최소 신장 트리 (MST) · 로드 밸런싱

한양과학기술고등학교