Innovative Lösungen für Unternehmen: Design von Hochleistungs-Rechenzentrumsnetzwerken

Mit der Umwandlung von Unternehmen und der Ausweitung von Informationssystemen steigt die Nachfrage nach Big Data- und Cloud-Ressourcen, was zu einem erheblichen Anstieg des Netzwerkverkehrs in Rechenzentren führt. Der weltweite Datenverkehr in Rechenzentren verzeichnete von 2016 bis 2021 eine bemerkenswerte jährliche Wachstumsrate von etwa 23 %. Ein erheblicher Anteil von 85 % dieses Datenverkehrs bezieht sich auf die Verbindung von Rechenzentren und die interne Kommunikation in Rechenzentren. Dieser Anstieg unterstreicht die Notwendigkeit, Rechenzentrumsnetzwerke weiterzuentwickeln und den Schwerpunkt auf Geschwindigkeit, höhere Kapazität und geringere Latenzen zu legen.

Entwicklung der Netzwerkarchitektur von Rechenzentren

Die Architektur von Rechenzentrumsnetzwerken hat sich vom üblichen Core-Aggregation-Access-Modell zum moderneren Spine-Leaf-Design weiterentwickelt. Dieser Ansatz nutzt die Netzwerkverbindungsbandbreite optimal aus, reduziert die Konvergenzverhältnisse zwischen den einzelnen Schichten und ermöglicht eine einfache Skalierbarkeit. In der Spine-Leaf-Architektur verfügt jeder Interconnection-Link über eine 100G-Bandbreite, und ein gut kalibriertes Netzwerkkonvergenzverhältnis wird auf der Grundlage der Geschäftsanforderungen entwickelt, um den internen Datenverkehr innerhalb und zwischen den PODs (Points of Delivery) im Rechenzentrum zu verwalten. Das dreischichtige Underlay-Netzwerk in der Spine-Leaf-Architektur ermöglicht die Trennung von Core- und Access-Switches. Wenn Engpässe im Datenverkehr zwischen dem Core-Switch und dem Aggregations-Switch oder zwischen dem Aggregations-Switch und dem Access-Switch auftreten, ist eine horizontale Skalierung durch Hinzufügen von Uplink-Links und Verringerung des Konvergenzverhältnisses möglich, wobei die Auswirkungen auf die Bandbreitenerweiterung minimal sind. Das Overlay-Netzwerk verwendet verteilte Gateways mit EVPN-VXLAN-Technologie und ermöglicht so flexible und flexible Netzwerkbereitstellungen und eine auf die Geschäftsanforderungen zugeschnittene Ressourcenzuweisung.

Diese Lösung basiert auf dem Design- und Implementierungs-Know-how von Rechenzentrumsnetzwerken im Internet und nutzt die Spine-Leaf-Netzwerkarchitektur sowie die EVPN-VXLAN-Technologie zur Realisierung der Netzwerkvirtualisierung. Dieser Ansatz bietet eine vielseitige und skalierbare Netzwerkinfrastruktur für Dienste der oberen Schicht. Das Netzwerk des Rechenzentrums ist in Produktionsnetzwerke und Büronetzwerke unterteilt, die voneinander getrennt und durch Domain-Firewalls geschützt sind. Diese Netzwerke sind über Netzwerk-Firewalls mit Bürogebäuden, Labors und Ausgängen von Regionalzentren verbunden.

Die Core-Switches des Produktionsnetzwerks und des Büronetzwerks erleichtern die Verbindung zwischen den PODs und stellen die Verbindung zu den Firewall-Geräten her. Sie bieten eine Kommunikationsbandbreite von bis zu 1,6 TB/s zwischen den PODs und eine Hochgeschwindigkeits-Netzwerk-Egress-Kapazität von 160 G. Die interne horizontale Netzwerkkapazität innerhalb jedes PODs erreicht 24 TB und bietet robuste Unterstützung für Hochleistungs-Computing-Cluster (CPU/GPU) und Speicher-Cluster. Dadurch wird sichergestellt, dass das gesamte Netzwerk minimale Paketverluste aufgrund von Engpässen in der Netzwerkleistung aufweist.

Die Gebäudeverkabelung wurde auf der Grundlage der Spine-Leaf-Architektur sorgfältig geplant. Die Switches in jedem POD sind über 100G-Links miteinander verbunden und werden im Top of Rack (TOR)-Modus eingesetzt. TOR-Gruppen, bestehend aus 2-3 Schränken, sind über 100G-Links mit den Leafs verbunden. Die Leafs jedes PODs sind strategisch in zwei Gruppen aufgeteilt, die in unterschiedlichen, vom Netzwerk belegten Schränken eingesetzt werden, um die Zuverlässigkeit auf der schrankübergreifenden Ebene innerhalb des PODs zu erhöhen. Die gesamte Netzwerkstruktur ist gestrafft, und die Kabelverlegung und -verwaltung ist besonders effizient.

Zukunftssichere Geräteauswahl

Bei der Planung und dem Aufbau eines Rechenzentrumsnetzwerks ist eine sorgfältige Prüfung der technologischen Fortschritte, der industriellen Trends und der Betriebskosten für die nächsten fünf Jahre entscheidend. Dieser vorausschauende Ansatz zielt darauf ab, die Nutzung der vorhandenen Rechenzentrumsressourcen zu optimieren, um die Kerngeschäftsprozesse des Unternehmens effektiv zu unterstützen.

Die Auswahl der Netzwerk-Switches spielt eine entscheidende Rolle bei der Gesamtkonzeption des Rechenzentrumsnetzwerks. Herkömmliche groß angelegte Netzwerkdesigns entscheiden sich häufig für gehäusebasierte Geräte, um die Gesamtkapazität des Netzwerksystems zu erhöhen und eine begrenzte Skalierbarkeit zu bieten. Dieser Ansatz ist jedoch mit inhärenten Einschränkungen und Risiken verbunden, darunter:

• Begrenzte Gesamtkapazität der gehäusebasierten Geräte, die den steigenden Anforderungen an die Netzwerkgröße moderner Rechenzentren nicht gerecht wird.

• Einsatz von gehäusebasierten Core-Geräten mit dualen Verbindungen, was zu einem hohen Fehlerradius von bis zu 50 % führt, wodurch die Unternehmenssicherheit nicht wirksam gewährleistet werden kann.

• Multi-Chip-Architektur in gehäusebasierten Geräten, die zu erheblichen Engpässen bei der Datenverkehrsverarbeitungskapazität und der Netzlatenz führt.

• Komplexe Bereitstellung von gehäusebasierten Geräten und verlängerte Zyklen für die Diagnose und Fehlerbehebung, was zu längeren Betriebsunterbrechungen bei Upgrades und Wartung führt.

• Erfordernis reservierter Steckplätze in gehäusebasierten Geräten, um eine künftige Geschäftserweiterung zu gewährleisten, was zu erhöhten Vorabinvestitionskosten beiträgt.

• Beschränkungen für eine spätere Erweiterung, einschließlich der Bindung an einen bestimmten Anbieter und einer geschwächten Verhandlungsposition, wodurch die Kosten für die künftige Skalierbarkeit erheblich steigen.

In Anbetracht dieser Überlegungen empfiehlt NVIDIA bei der Auswahl der Netzwerkausrüstung für dieses Projekt die Verwendung einer modularen Switch-Netzwerkarchitektur. Dieser strategische Ansatz vereint Switches verschiedener Hierarchieebenen in einem einzigen Modell und erleichtert dem Wartungsteam eine schnelle Einarbeitung. Darüber hinaus bietet es betriebliche Flexibilität für zukünftige Anpassungen der Netzwerkarchitektur, die Wiederverwendung von Geräten und den Austausch von Reparaturen.

Durch den Einsatz der Spine-Leaf-Architektur (CLOS) in Verbindung mit modularen Switch-Netzwerken werden die anfänglichen Netzwerkinvestitionen (Total Cost of Ownership, TCO) erheblich reduziert. Die Spine-Leaf-Architektur gewährleistet horizontale Skalierbarkeit und minimiert die Auswirkungen auf den Geschäftsbetrieb, selbst wenn ein Spine-Switch offline geht. Für zukünftige Erweiterungen können zusätzliche Switches und Hierarchieebenen nahtlos auf der Grundlage der Skalierungsanforderungen des Rechenzentrums hinzugefügt werden, um die Zugangskapazität und die Switching-Kapazität des Backbone-Netzwerks zu erweitern. Dank dieses strategischen Ansatzes kann das gesamte Netzwerk nach Bedarf beschafft und bereitgestellt werden, sodass es sich nahtlos an die Anforderungen von Services, Anwendungen und Unternehmen anpassen lässt.

Zusammenfassung

Als Reaktion auf die anhaltenden Trends bei der Umgestaltung von Unternehmen und die steigende Nachfrage nach Big Data setzen die meisten Netzwerkdesigns für Rechenzentren auf die hochentwickelte Spine Leaf-Architektur und nutzen die EVPN-VXLAN-Technologie, um eine effiziente Netzwerkvirtualisierung zu realisieren. Dieser architektonische Ansatz gewährleistet die Erleichterung des Netzwerkverkehrs mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz und bietet eine Grundlage für Skalierbarkeit und Flexibilität.

Da die Herstellungskosten für optische Hochgeschwindigkeitsmodule (von 200G bis 800G) und AOCs/DACs sinken, wird sich die Entwicklung der Verbindungstechnologien für Rechenzentren fortsetzen. FS ist ein professioneller Anbieter von Kommunikations- und Hochgeschwindigkeitsnetzwerklösungen für Netzwerk-, Rechenzentrums- und Telekommunikationskunden und liefert kontinuierlich bahnbrechende, effiziente und zuverlässige Produkte, Lösungen und Dienstleistungen, die auf optimale Lösungen für Rechenzentren, High-Performance-Computing, Edge-Computing, künstliche Intelligenz und verschiedene Anwendungsszenarien zugeschnitten sind. Diese Lösungen bieten Kunden erweiterte Möglichkeiten zur Geschäftsbeschleunigung und kombinieren niedrige Kosten mit herausragender Leistung. Das umfangreiche Produktportfolio von FS umfasst NVIDIA® InfiniBand Switches, 100G/200G/400G/800G InfiniBand Transceivers, und NVIDIA® InfiniBand Adapters, die den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Rechenzentren auf der ganzen Welt gerecht werden.