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L2ループによるネットワークダウン(発生メカニズムの説明)

Cisco CML ネットワーク基礎
L2ループによるネットワークダウン(発生メカニズムの説明)

ネットワークのトラブルとして多く発生する『L2ループ』について、CMLで環境を構築し説明します。

目次

ネットワーク構成

ネットワーク環境構築

CMLで下記の環境を構築します。全スイッチでSTPの設定を削除します。

ネットワーク構成
L2SW-Aの設定
hostname L2SW-A

no spanning-tree vlan 1
L2SW-Bの設定
hostname L2SW-B

no spanning-tree vlan 1
L2SW-Cの設定
hostname L2SW-C

no spanning-tree vlan 1
L2SW-Dの設定
hostname L2SW-D

no spanning-tree vlan 1
Server1の設定
hostname Server1
ifconfig eth0 192.168.100.1 netmask 255.255.255.0 up
route add -net 0.0.0.0/0 dev eth0
PC1の設定
hostname PC1
ifconfig eth0 192.168.100.100 netmask 255.255.255.0 up
route add -net 0.0.0.0/0 dev eth0

疎通確認

Server1とPC1の間でPingを実施し、疎通可能であることを確認します。RTTの平均は、約16ミリ秒です。

Server1
ping 192.168.100.100
cisco@Server1:~$ ping 192.168.100.100
PING 192.168.100.100 (192.168.100.100): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.100.100: seq=0 ttl=64 time=18.152 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=1 ttl=64 time=18.817 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=2 ttl=64 time=10.893 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=3 ttl=64 time=17.242 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=4 ttl=64 time=15.718 ms
^C
--- 192.168.100.100 ping statistics ---
5 packets transmitted, 5 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 10.893/16.164/18.817 ms
PC1
ping 192.168.100.1
PC1:~$ ping 192.168.100.1
PING 192.168.100.1 (192.168.100.1): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.100.1: seq=0 ttl=42 time=16.777 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=1 ttl=42 time=14.935 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=2 ttl=42 time=18.924 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=3 ttl=42 time=18.915 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=4 ttl=42 time=14.018 ms
^C
--- 192.168.100.1 ping statistics ---
5 packets transmitted, 5 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 14.018/16.713/18.924 ms

MACアドレステーブルの確認

L2SW-AでPC1のMACアドレスの登録状況を確認します。PC1のMACアドレスは、”5254.0015.6ED9″で、L2SW-AではGi0/0(L2SW-Bとの接続ポート)から学習しています。

PC2
ifconfig
PC1:~$ ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 52:54:00:15:6E:D9  
          inet addr:192.168.100.100  Bcast:192.168.100.255  Mask:255.255.255.0
L2SW-A
show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
L2SW-A#show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
   1    5254.0015.6ed9    DYNAMIC     Gi0/0

L2ループ構成

L2ループ構成への変更

L2ループ構成を作るため、L2SW-CとL2SW-Dを接続します。

ネットワーク構成(L2ループ状態)

L2ループ発生のメカニズム

Server1からブロードキャスト通信が発生

Server1から、ARP等のブロードキャスト通信が発生します。

Server1からブロードキャスト通信が発生

同一セグメント内の通信についての詳細は、下記を参照してください。

基本的なTCP/IP通信の仕組み（同一セグメント内の通信）

L2SW-Aがフラッディング

L2SW-Aが受信ポート以外に転送します。（フラッディング）

L2SW-Aがフラッディング

L2SW-BとL2SW-Cがフラッディング

L2SW-BとL2SW-Cが受信ポート以外に転送します。（フラッディング）

L2SW-BとL2SW-Cがフラッディング

L2SW-Dがフラッディング

L2SW-Dが受信ポート以外に転送します。（フラッディング）

この時、L2SW-Bから受け取ったパケットはL2SW-Cへ、L2SW-Cから受け取ったパケットはL2SW-Bへ、それぞれ転送してしまいます。（赤矢印）

L2SW-Dがフラッディング

更にL2SW-BとL2SW-Cがフラッディング

L2SW-BとL2SW-Cが、L2SW-Dから受け取ったパケットを、受信ポート以外に転送します。（フラッディング）

更にL2SW-BとL2SW-Cがフラッディング

L2ループによるブロードキャストストームの完成

全スイッチがフラッディングを繰り返すことにより、ネットワーク内にブロードキャスト通信が流れ続けます。(この状態をブロードキャストストームと言います。)

L2ループによるブロードキャストストームの完成

これにより、全スイッチの処理負荷が高くなり、ネットワーク全体がダウンしてしまいます。

L2ループによる通信影響の確認

CML上でL2ループ状態にした時の通信状況を確認します。

Server1とPC1の間の通信状況

Server1とPC1の間のPingは、パケットロスが頻発したり、RTTが大きくなります。

Server1
ping 192.168.100.100
cisco@Server1:~$ ping 192.168.100.100
PING 192.168.100.100 (192.168.100.100): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.100.100: seq=2 ttl=64 time=1022.310 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=3 ttl=64 time=1036.276 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=4 ttl=64 time=42.930 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=5 ttl=64 time=1019.086 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=6 ttl=64 time=1038.932 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=7 ttl=64 time=2022.025 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=8 ttl=64 time=2012.244 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=9 ttl=64 time=2018.166 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=10 ttl=64 time=2027.724 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=11 ttl=64 time=1034.307 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=12 ttl=64 time=1016.383 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=13 ttl=64 time=2019.396 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=14 ttl=64 time=3035.793 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=15 ttl=64 time=3027.524 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=17 ttl=64 time=2011.451 ms
64 bytes from 192.168.100.100: seq=16 ttl=64 time=3017.294 ms
^C
--- 192.168.100.100 ping statistics ---
20 packets transmitted, 16 packets received, 20% packet loss
round-trip min/avg/max = 42.930/1712.615/3035.793 ms
PC1
ping 192.168.100.1
PC1:~$ ping 192.168.100.1
PING 192.168.100.1 (192.168.100.1): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.100.1: seq=1 ttl=42 time=2011.632 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=2 ttl=42 time=1019.904 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=0 ttl=42 time=3026.496 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=3 ttl=42 time=1013.259 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=4 ttl=42 time=1009.005 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=5 ttl=42 time=2055.180 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=7 ttl=42 time=2011.311 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=6 ttl=42 time=3031.865 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=8 ttl=42 time=1031.989 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=9 ttl=42 time=1014.458 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=11 ttl=42 time=1026.061 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=14 ttl=42 time=2008.766 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=10 ttl=42 time=6017.121 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=12 ttl=42 time=4019.008 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=13 ttl=42 time=3022.237 ms
64 bytes from 192.168.100.1: seq=15 ttl=42 time=2010.950 ms
^C
--- 192.168.100.1 ping statistics ---
19 packets transmitted, 16 packets received, 15% packet loss
round-trip min/avg/max = 1009.005/2208.077/6017.121 ms

パケットキャプチャの確認

L2ループ状態でネットワーク内に流れているパケットをキャプチャすると、ARP通信やDHCP等のブロードキャスト通信が多く流れていることが分かります。

パケットキャプチャ

MACアドレステーブルの確認

L2SW-AでPC1のMACアドレスの登録状況を確認すると、Gi0/0(L2SW-Bとの接続ポート)とGi0/1(L2SW-Cとの接続ポート)での学習を繰り返していることが分かります。

L2SW-A
show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
L2SW-A#show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
   1    5254.0015.6ed9    DYNAMIC     Gi0/0

L2SW-A#show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
   1    5254.0015.6ed9    DYNAMIC     Gi0/1

L2SW-A#show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
   1    5254.0015.6ed9    DYNAMIC     Gi0/1

L2SW-A#show mac address-table | inc 5254.0015.6ed9
   1    5254.0015.6ed9    DYNAMIC     Gi0/0

実際のネットワーク機器では一つのMACアドレスを複数ポートから学習すると下記のようなログが出力されます。このログが出力された場合、L2ループが発生してる確率が高いです。

%SW_MATM-4-MACFLAP_NOTIF: Host XXXX.XXXX.XXXX in vlan 1 is flapping between port Gi0/XX and port Gi0/XX

スイッチのCPU状態

通常状態のCPU利用率は30%前後となっています。

通常時のCPU状況

L2ループ状態時は90%前後となっています。※CML上では90%前後ですが、実際のネットワーク環境では100%に張り付くことも珍しくありません。

L2ループ時のCPU状況

CML上では、ネットワーク全体のダウンには至りませんでしたが、実際のネットワークでL2ループが発生すると、ネットワーク機器のCPUが100％に張り付き、機器自体がダウンすることもありえます。

ネットワークの冗長性を維持しながら、L2ループを防ぐための仕組みとして、STPやFlexLinkという技術があります。

STP(スパニングツリープロトコル)の状態遷移
RSTP(ラピッドスパニングツリープロトコル)の状態遷移

以上で、L2ループによるネットワークダウン(発生メカニズムの説明)の説明は完了です！

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