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Was ist eine Leaf-Spine-Architektur und wie wird sie aufgebaut?

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John

Veröffentlicht 23. Mai 2017
2020-12-03 12:19:16
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Seit vielen Jahren werden Rechenzentren in einer dreistufigen Architektur gebaut. Doch mit dem Aufkommen von Konsolidierung, Virtualisierung und Hyper-Converged-Systems in Rechenzentren wird eine neue Netzwerkarchitektur, nämlich Leaf-Spine, allmählich zum Mainstream in der heutigen Rechenzentrumsnetzwerkbereitstellung. Damit werden einige Einschränkungen der traditionellen dreistufigen Architektur für Rechenzentrums-Switches überwunden. Im Folgenden wird erläutert, was eine Leaf-Spine-Architektur ist und wie man eine Leaf-Spine-Architektur entwirft.

Was ist eine Leaf-Spine-Architektur?

Die Leaf-Spine-Netzwerkarchitektur holt aufgrund ihrer Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und besseren Leistung gegenüber großen Rechenzentren/Cloud-Netzwerken auf. Wie unten dargestellt, besteht das Leaf-Spine-Design nur aus zwei Schichten: der Leaf-Schicht und der Spine-Schicht. Die Spine-Schicht besteht aus Switches, die das Routing durchführen und als Backbone des Netzwerks fungieren. Die Blattschicht umfasst einen Access-Switch, der die Verbindung zu Endpunkten wie Servern und Speichergeräten herstellt. In der Leaf-Spine-Architektur ist jeder Leaf-Switch mit jedem Spine-Switch verbunden. Bei diesem Design kann jeder Server mit jedem anderen Server mit nicht mehr als einem Verbindungs-Switch-Pfad zwischen zwei beliebigen Leaf-Switches kommunizieren.

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Abbildung 1: Leaf-Spine-Architektur

Die traditionelle dreistufige Architektur besteht dagegen aus drei Schichten, einschließlich Core-, Aggregations-/Verteilungs- und Zugriffsschicht in der Bereitstellung. Diese Geräte sind zur Redundanz über Pfade miteinander verbunden, wodurch Loops im Netzwerk entstehen können. Dieses Architekturmodell ist typischerweise für den traditionellen Nord-Süd-Verkehr ausgelegt. Wenn also massiver Ost-West-Verkehr über diese konventionelle Architektur läuft, können Geräte, die an denselben Switch-Port angeschlossen sind, um Bandbreite ringen, was zu schlechten Reaktionszeiten für die Endbenutzer führt. Daher eignet sich diese dreistufige Architektur nicht für das moderne virtualisierte Datenzentrum, in dem Rechen- und Speicherserver überall innerhalb der Einrichtung stehen können.

Traditional-Three-tier-Architecture.png

Abbildung 2: Traditionelle dreistufige Architektur

Vorteile der Leaf-Spine-Architektur

Die Vorteile des Leaf-Spine-Modells sind die verbesserte Latenzzeit, reduzierte Bottlenecks und erweiterte Bandbreite. Erstens nutzt das Leaf-Spine-Modell alle Interconnection-Links. Jeder Leaf ist mit allen Spines verbunden, ohne dass zwischen den Spines selbst oder den Leafs Verbindungen bestehen, wodurch ein großes, nicht blockierendes Gewebe entsteht. In einem dreistufigen Netzwerk muss ein Server unter Umständen einen hierarchischen Pfad durch zwei Aggregation-Switches und einen Core-Switch durchlaufen, um mit einem anderen Switch zu kommunizieren, was die Latenz erhöht und Traffic-Engpässe verursacht. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Möglichkeit, zusätzliche Hardware und Kapazität hinzuzufügen. Leaf-Spine-Architekturen können entweder Layer 2 oder Layer 3 sein, so dass ein zusätzlicher Spine-Switch hinzugefügt werden kann und Uplinks zu jedem Leaf-Switch erweitert werden können, wodurch die Bandbreite zwischen den Schichten erweitert und die Überzeichnung reduziert wird.

Wie wird eine Leaf-Spine-Architektur konzipiert?

Bevor Sie eine Leaf-Spine-Architektur entwerfen, müssen Sie einige wichtige miteinander verbundene Faktoren ermitteln. In diesem Zusammenhang sollten Überzeichnungsrate, Leaf- und Spine-Scale, Uplinks von Leaf zu Spine und der Aufbau von Layer 2 oder Layer 3 in Betracht gezogen werden.

Überzeichnungsrate — Überbelegung ist eine Verbindungsrate bei der gleichzeitiger Sendung der Datenverkehre aller Geräte. Sie kann in Nord/Süd-Richtung (Verkehr, der ein Rechenzentrum betritt bzw. verlässt) sowie in Ost/West-Richtung (Verkehr zwischen Geräten im Rechenzentrum) gemessen werden. Die moderne Netzwerkdesigns weisen Überzeichnungsraten von 3: 1 oder weniger auf, die als Rate von Downlink-Ports (zu Servern/Speicherung) zu Uplink-Ports (zu Spine-Switches) gemessen werden. Die folgende Abbildung zeigt, wie die Überzeichnungsrate von Leaf- und Spine-Layers gemessen wird.

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Abbildung 3: Überzeichnungsrate

Leaf- und Spine-Scale — Da die Endpunkte im Netzwerk nur mit den Leaf-Switches verbunden sind, hängt die Anzahl der Leaf-Switches im Netzwerk von der Anzahl der Schnittstellen ab, die für die Verbindung aller Endpunkte einschließlich der Multihomed-Endpunkte erforderlich ist. Da jeder Leaf-Switch mit allen Spines verbunden ist, bestimmt die Portdichte am Spine-Switch die maximale Anzahl der Leaf-Switches in der Topologie. Und die Anzahl der Spine-Switches im Netzwerk wird durch eine Kombination aus dem erforderlichen Durchsatz zwischen den Leaf-Switches, der Anzahl der redundanten/ECMP-Pfade (Equal-Cost Multi-Path) zwischen den Leafs und der Port-Dichte in den Spine-Switches bestimmt.

10G/40G/100G Uplinks from Leaf to Spine — Für ein Leaf-Spine-Netzwerk sind die Uplinks vom Leaf zum Spine typischerweise 10G oder 40G und können mit der Zeit von einem Startpunkt von 10G (N x 10G) zu 40G (N x 40G) wandern. In einem idealen Szenario arbeiten die Uplinks immer mit einer schnelleren Geschwindigkeit als die Downlinks, um sicherzustellen, dass es keine Blockierung durch Mikro-Bursts eines Hosts gibt.

Layer 2 or Layer 3 — Zweistufige Leaf-Spine-Netzwerke können entweder auf Layer 2 (VLAN überall) oder Layer 3 (Subnetze) aufgebaut werden. Layer-2-Designs bieten die größte Flexibilität, so dass sich VLANs überall erstrecken können und MAC-Adressen überall hin migriert werden können. Layer-3-Designs bieten die schnellsten Konvergenzzeiten und den größten Umfang mit Fan-out, wobei ECMP bis zu 32 oder mehr aktive Spine-Switches unterstützt.

Aufbau einer Leaf-Spine-Architecture mit FS-Switches

Hier zeigen wir am Beispiel der FS-Leaf-Spine-Switches, wie man eine Leaf-Spine-Architektur aufbaut. Wir wollen eine Rechenzentrums-Fabric mit dem primären Ziel von mindestens 960 10G-Servern mit einer Überzeichnung von 3:1 aufbauen. In diesem Fall werden wir FS S8050-20Q4C als Spine-Switch und S5850-48S6Q als Leaf-Spine-Switch verwenden. S8050-20Q4C ist ein hochleistungsfähiger L2/L3 40G/100G-Ethernet-Switch mit hervorgehobenen Netzwerksichtbarkeitsmerkmalen, und S5850-48S6Q ist ein L2/L3 10G/40G-Ethernet-Switch.

FS-Leaf-Spine-Switches.jpg

Abildung 4: Leaf-Spine-Switches von FS

Bei der Verwendung zweier Arten von Switches zum Aufbau einer 40G-Spine-Leaf-Netzwerkarchitektur betragen die Verbindungen zwischen den Spine-Switches und den Leaf-Switches 40G, während die Verbindungen zwischen den Leaf-Switches und den Servern in der Regel 10G betragen. So können die 40G-QSFP+-Ports des S5850-48S6Q-Switch für den Anschluss des Spine-Switch S8050-20Q4C verwendet werden, und die 10G-SFP+-Ports des S5850-48S6Q werden für den Anschluss von Servern und Routern empfohlen. Jeder Leaf-Switch ist mit jedem Spine verbunden. Daher ergibt sich aus den obigen Formeln, dass wir hier 4 Spine-Switches und 20 Leaf-Switches einsetzen können. Beim Aufbau dieser Leaf-Spine-Architektur beträgt die maximale Anzahl von 10G-Servern also 960 bei einer Überzeichnung von 3:1.

FS-Leaf-Spine-Architecture.jpg

Abbilsung 5: Leaf-Spine-Architektur von FS

Empfehlungen für Leaf-Spine-Switches

Die Ethernet-Switches der S5850-Serie von FS eignen sich perfekt für den Einsatz als Leaf-Switches. Diese Switches werden mit der kompletten Systemsoftware und Anwendungen geliefert, um die schnelle Servicebereitstellung und -verwaltung sowohl für traditionelle als auch für vollständig virtualisierte Rechenzentren zu erleichtern.

FS P/N S5850-32S2Q S5850-48T4Q S5850-48S6Q
Ports 32x 10GbE SFP+ und 2x 40GbE QSFP+ 48x 10GBase-T und 4x 40GbE 48x 10GbE SFP+ und 6x 40GbE QSFP+
Durchsatz 595.24Mpps 952.32Mpps 1071.43Mpps
Switching-Kapazität 800Gbps 1.28Tbps 1.44Tbps
Latenz 612ns 612ns 612ns
Max. Stromverbrauch 120W/150W 350W 150W/190W

Für Spine-Switches empfehlen wir hier die N8500-Serie von FS. Sie sind mit den erweiterten Funktionssätzen einschließlich MLAG, VXLAN, SFLOW, BGP und OSPF usw. ausgestattet. Mit Unterstützung für Layer-2-, Layer-3- und Overlay-Architekturen sind die Modelle der N5800-Serie die ideale Wahl für Core-Switches in Rechenzentren.

FS P/N N8500-48B6C N8000-32Q N8500-32C
Ports 48x SFP28 und 6x QSFP28 32x QSFP+ 32x QSFP28
Switching-Kapazität 3.6Tbpsfull-duplex 2.56Tbpsfull-duplex 6.4Tbpsfull-duplex
Weiterleitungs-Performance 4.7Bpps 1.44Bpps 4.7Bpps
Latenz 500ns 480ns 500ns
Max. Stromverbrauch 550W 300W 550W

Fazit

Es ist wichtig, die 2-stufige Leaf-Spine-Architektur zu verstehen, da sie einzigartige Vorteile gegenüber dem traditionellen 3-stufigen Architekturmodell bietet. Der Einsatz einer Leaf-Spine-Netzwerkarchitektur und der Kauf von hochleistungsfähigen Rechenzentrums-Switches sind für Rechenzentrums-Manager unerlässlich, da die Leaf-Spine-Netzwerktopologie es Rechenzentren ermöglicht, zu gedeihen und gleichzeitig alle Anforderungen des Unternehmens zu erfüllen.

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