Перейти к сути 
В течение многих лет центры обработки данных строились в трехуровневой архитектуре. Но с консолидацией центров обработки данных, виртуализацией, гиперконвергентными системами, новая сетевая архитектура leaf-spine постепенно становится основной в современном развертывании сетей центров обработки данных, что преодолевает некоторые ограничения традиционной трехуровневой архитектуры для коммутаторов ЦОД. Тогда как много вы знаете об архитектуре leaf-spine? Как построить leaf-spine архитектуру? Мы объясним, что такое архитектура leaf-spine и как проектировать архитектуру leaf-spine.
Что такое архитектура Spine-leaf?
Архитектура сети Leaf-Spine догоняет крупные сети центров обработки данных/облачные вычисления благодаря своей масштабируемости, надежности и лучшей производительности. Как показано ниже, конструкция leaf-spine состоит только из двух уровня: leaf уровень и spine уровень. Spine уровень состоит из коммутаторов, которые выполняют маршрутизацию, работая в качестве магистрали сети. Leaf уровень включает в себя коммутатор доступа, который подключается к конечным точкам, таким как серверы, устройства хранения. В архитектуре leaf-spine каждый leaf коммутатор связан с каждым коммутатором spine. При таком дизайне любой сервер может связываться с любым другим сервером, имеющим не более одного пути межсоединения между любыми двумя leaf коммутаторами.
Рисунок 1: Leaf-Spine архитектура
Однако традиционная трехуровневая архитектура состоит из трех уровней, включая ядро при развертывании, агрегацию/распределение и уровень доступа. Эти устройства связаны избыточными путями, чтобы они могли образовывать петли в сети. Архитектурная модель обычно предназначена для традиционного трафика север-юг, поэтому, если через эту традиционную архитектуру проходит большой объем трафика восток-запад, устройства, подключенные к одному и тому же порту коммутатора, могут конкурировать за пропускную способность, что приводит к снижению качества конечных пользователей. Время отклика. Таким образом, эта трехуровневая архитектура не подходит для современных виртуальных центров обработки данных, где серверы вычислений и хранения могут быть расположены в любом месте на объекте.
Рисунок 2: Традиционная трехуровневая архитектура.
Преимущества Leaf-Spine архитектуры
Преимуществами модели leaf-spine являются увеличенная латентности, уменьшенные узкие места и расширенная пропускная способность. Во-первых, leaf-spine использует все взаимосвязи. Каждый leaf соединяется со всеми шипами без каких-либо взаимосвязей между самими шипами и листами, что создает большую неблокирующую ткань. Находясь в трехуровневой сети, одному серверу может потребоваться пройти по иерархическому пути через два коммутатора агрегации и один базовый коммутатор для связи с другим коммутатором, что увеличивает задержку и создает узкие места в трафике. Еще одним преимуществом является простота добавления дополнительного оборудования и емкости. Архитектуры leaf-spine могут быть как уровня 2, так и уровня 3, таким образом, можно добавить дополнительный переключатель позвоночника, и восходящие линии могут быть расширены для каждого конечного коммутатора, расширяя полосу пропускания между уровнями и уменьшая переподписку.
Как проектировать архитектуру Spine-leaf?
Прежде чем разрабатывать архитектуру leaf-spine, вам необходимо выяснить некоторые важные связанные с этим факторы. В этом аспекте следует учитывать соотношение переподписки, масштаб листа и позвоночника, восходящие связи от листа к позвоночнику, построение на уровне 2 или уровне 3.
Коэффициенты переподписки — переподписка представляет собой коэффициент конкуренции, когда все устройства отправляют трафик одновременно. Его можно измерить в направлении север/юг (трафик, входящий/выходящий из центра обработки данных), а также в направлении восток/запад (трафик между устройствами в центре обработки данных). Современные проекты сетей имеют коэффициент превышения подписки 3: 1 или менее, который измеряется как отношение портов нисходящей линии связи (к серверам/хранилищу) к портам восходящей линии связи (к коммутаторам Spine). На рисунке ниже показано, как измерить коэффициент переподписки для уровней leaf и spine.
Рисунок 3: Коэффициент переподписки.
Масштаб Leaf и Spine — поскольку конечные точки в сетевом соединении только с leaf коммутаторами, количество leaf коммутаторов в сети зависит от номера интерфейса, необходимого для подключения всех конечных точек, включая многосетевые конечные точки. Поскольку каждый конечный коммутатор подключается ко всем шипам, плотность портов на коммутаторе шип определяет максимальное количество leaf коммутаторов в топологии. А количество коммутаторов Spine в сети определяется комбинацией пропускной способности, требуемой между leaf коммутаторами, количеством избыточных/ECMP (равноправных многолучевых) путей между конечными устройствами и плотностью портов в коммутаторах Spine.
10G/40G/100G восходящие линии от Leaf до Spine – Для сети leaf-spine, восходящие линии от листа к позвоночнику обычно имеют 10G или 40G и могут со временем мигрировать из начальной точки 10G (N x 10G), чтобы стать 40G (N x 40G). В идеальном случае восходящие каналы всегда работают с большей скоростью, чем нисходящие линии, чтобы гарантировать отсутствие блокировки из-за микровзрывов одного хоста, разрывающегося на скорости линии.
Уровень 2 или Уровень 3 – Двухуровневые сети leaf-spine могут быть построены либо на уровне 2 (везде VLAN), либо на уровне 3 (подсети). Проекты уровня 2 обеспечивают наибольшую гибкость, позволяя виртуальным локальным сетям охватывать всюду, а MAC-адреса – мигрировать куда угодно. Конструкции уровня 3 обеспечивают самое быстрое время сходимости и самый большой масштаб с разветвлением с ECMP, поддерживающим до 32 или более активных spine коммутаторов.
В архитектуре Leaf-Spine имеются только два уровня, при этом все устройства «равноудалены» от коммутаторов «ядра», т.е. имеют одинаковые и предсказуемые задержки при передаче пакетов. Эти уровни называются Leaf и Spine. Уровень Leaf состоит из коммутаторов доступа, подключенных к другим устройствам дата-центра: серверам, межсетевым шлюзам, балансировщикам нагрузки и оконечным коммутаторам. Уровень Spine, состоящий из маршрутизирующих коммутаторов, является ядром сети, где каждый Leaf-коммутатор подключен к каждому из Spine-коммутаторов. Между уровнями используется динамическая маршрутизация Layer 3, чтобы обеспечить предсказуемое расстояние между устройствами. Динамическая маршрутизация позволяет обеспечить наилучший маршрут. Такая архитектура предназначена в основном для дата-центров и ориентирована на трафик «East-West». В таком трафике передаются только данные, предназначенные для использования только внутри дата-центра. Этот новый подход решает присущие протоколу Spanning Tree ограничения, и дает возможность использовать и другие сетевые протоколы, а также методы построения динамичной сети.
Рис. 2: Архитектура Leaf-Spine
В сети Leaf-Spine используется маршрутизация Layer 3. Все маршруты сконфигурированы в активном режиме при помощи протокола равноудаленных маршрутов ECMP (Equal-Cost Multipathing). Это позволяет всем соединениям быть активными одновременно при сохранении стабильности без боязни образования петель внутри сети.
В традиционных протоколах коммутации Layer 2, таких как STP (Spanning Tree) в трехслойных сетях, все устройства должны быть правильно и вручную сконфигурированы и должны быть учтены все особенности STP. При этом очень велика вероятность ошибки конфигурации, в частности, неправильного определения приоритетов устройств, что может повлечь неэффективную прокладку маршрутов.
Преимущества Leaf-Spine
Замена STP между уровнями Access и Aggregation на маршрутизацию Layer 3 дает более стабильную работу сети. Другое преимущество – легкость добавления дополнительного оборудования и расширение емкости. При возникновении перегрузки линков (oversubscription), что означает генерацию бóльшего объема трафика, чем его может воспринять уровень агрегации), способность к увеличению емкости является очевидным преимуществом. Эта проблема легко решается добавлением еще одного коммутатора Spine. Точно также можно добавлять коммутаторы Leaf, когда не хватает портов доступа. При этом сеть легко расширяется и при этом не требуется возня с протоколами Layer 2
Недостатки Leaf-Spine
При использовании сетевой архитектуры Leaf-Spine возникают и некоторые проблемы. Во-первых, это большое количество кабельной «лапши» в стойках дата-центра, что видно даже на рисунке, показывающем архитектуру Leaf-Spine. И при добавлении новых коммутаторов на обоих уровнях эта проблема будет только расти. Нужно очень тщательно выбирать место расположения коммутаторов Spine в дата-центрах, особенно больших, чтобы минимизировать эту проблему.
Во-вторых, основной недостаток происходит от использования маршрутизации Layer 3, который не дает развертывать виртуальные сети VLAN во всей сети. Сети VLAN в архитектуре Leaf-Spine локализуются в каждом из Leaf-коммутаторов и другим Leaf-коммутаторам недоступны. Это может создавать проблемы при обеспечении мобильности гостевой виртуальной машины в пределах дата-центра.
Примеры применения Leaf-Spine
Веб-приложения, где расположение сервера внутри сети статично – подходящее применение для Leaf-Spine. Использование маршрутизации Layer 3 между уровнями не препятствует работе масштабируемых веб-приложений, потому что они не требуют мобильности серверов внутри дата-центра. Устранение протокола Spanning Tree (STP) положительно влияет на стабильность и надежность сети с преобладанием внутреннего трафика дата-центра (East-West). Масштабируемость архитектуры также улучшается.
Корпоративные приложения с использованием мобильных виртуальных машин (напр. vMotion) создают некоторые проблемы при обслуживании серверов в пределах дата-центра. Причина – использование Layer 3 и невозможность расширения VLAN между Leaf-коммутаторами. Для решения этой проблемы, может быть использовано решение программно-конфигурируемых сетей SDN (Software Defined Networking), которое создает виртуальный уровень Layer 2 поверх сети Leaf-Spine. При этом виртуальные серверы могут свободно перемещаться внутри среды дата-центра, без ухудшения эффективности трафика East-West, масштабируемости и стабильности топологии сети Leaf-Spine.
Как альтернатива маршрутизации Layer 3, в топологии Leaf-Spine могут использоваться и другие протоколы, такие как TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) или SPB (Shortest Path Bridging), с которыми можно достичь схожей функциональности. При этом задействуется протокол ECMP уровня Layer 2, когда Spanning Tree работает только для организации VLAN’ов между Leaf-коммутаторами.
Вывод
Важно понимать двухуровневую архитектуру leaf-spine, поскольку она предлагает уникальные преимущества по сравнению с традиционной трехуровневой архитектурой. Развертывание архитектуры leaf-spine сети и покупка высокопроизводительных коммутаторов для ЦОД являются обязательными для менеджеров дата-центра, поскольку топология сети leaf-spine позволяет дата-центрам процветать, одновременно выполняя все потребности бизнеса.