¿Qué es la arquitectura spine-leaf y cómo diseñarla?

Con el crecimiento exponencial de los servidores y la expansión de la capa de conmutación en los centros de datos, la arquitectura spine-leaf está reemplazando gradualmente a la tradicional de tres niveles, convirtiéndose en la nueva estrella en ascenso. ¿Qué es exactamente una arquitectura spine-leaf y cómo se construye? A continuación, explicaremos en detalle qué es una arquitectura spine-leaf y cómo diseñarla de manera efectiva.

¿Qué es la arquitectura spine-leaf?

La arquitectura spine-leaf consta de solo dos capas de switches: los switches spine y los switches leaf. La capa spine está formada por switches que realizan el enrutamiento y funcionan como el núcleo de la red. La capa leaf incluye switches de acceso que se conectan a servidores, dispositivos de almacenamiento y otros usuarios finales. Esta estructura ayuda a las redes de centros de datos a reducir el número de saltos y la latencia de la red.

En una arquitectura spine-leaf, cada switch leaf está conectado a cada switch spine. Con este diseño, cualquier servidor puede comunicarse con cualquier otro servidor, y no hay más de una ruta de conmutación intermedia entre dos switches leaf cualesquiera.

¿Por qué utilizar la arquitectura spine-leaf?

La arquitectura spine-leaf se ha convertido en una opción muy popular para los centros de datos, aportando numerosas ventajas como escalabilidad y rendimiento de red. A continuación, se resumen en cinco puntos las ventajas de la arquitectura spine-leaf en las redes modernas.

Mayor redundancia: La arquitectura spine-leaf conecta los servidores con la red central y ofrece mayor flexibilidad en los centros de datos a hiperescala. En este caso, el switch leaf puede desplegarse como puente entre el servidor y la red central. Cada switch leaf se conecta a todos los switches spine, creando una gran malla no bloqueante, lo que aumenta el nivel de redundancia y reduce los cuellos de botella del tráfico.

Mayor ancho de banda: La arquitectura spine-leaf puede evitar eficazmente la congestión del tráfico mediante el uso de protocolos o técnicas como la interconexión transparente de múltiples enlaces (TRILL) y el puenteado de camino más corto (SPB). Esta arquitectura puede ser de Capa 2 o Capa 3, lo que permite añadir enlaces ascendentes al switch spine para ampliar el ancho de banda entre capas y reducir la sobresuscripción, garantizando así la estabilidad de la red.

Mejora la escalabilidad: La arquitectura spine-leaf tiene múltiples enlaces que pueden transportar tráfico. La adición de switches mejorará la escalabilidad y ayudará a las empresas a ampliar tu negocio más adelante.

Reducción de costos: Una arquitectura spine-leaf aumenta el número de conexiones que cada switch puede gestionar, lo que permite a los centros de datos desplegar menos dispositivos. Muchas redes de centros de datos utilizan esta arquitectura para minimizar los costos.

Latencia y congestión mínimas: Al limitar el número máximo de saltos a dos entre cualquier nodo de origen y destino, se establece una ruta de tráfico más directa, mejorando el rendimiento general y mitigando los cuellos de botella. La única excepción es cuando el destino se encuentra en el mismo switch leaf.

Arquitectura spine-leaf vs. arquitectura tradicional de tres niveles

La principal diferencia entre la arquitectura spine-leaf y la arquitectura de tres niveles radica en el número de capas de red y en que el tráfico que transforman es norte-sur o este-oeste.

Como se muestra en la siguiente figura, la arquitectura de red tradicional de tres niveles consta de tres capas: núcleo, agregación y acceso. Los switches de acceso se conectan a los servidores y dispositivos de almacenamiento, mientras que la capa de agregación agrega el tráfico de la capa de acceso y proporciona conexiones redundantes. La capa central se encarga de la transmisión de la red.

Sin embargo, esta topología de tres capas suele estar diseñada para el tráfico norte-sur y utiliza el protocolo STP, soportando hasta 100 switches. En caso de expansión continua de los datos de red, esto provocará inevitablemente el bloqueo de puertos y una escalabilidad limitada.

La arquitectura spine-leaf consiste en añadir paralelismo de tráfico este-oeste a la arquitectura de red norte-sur de la red troncal, resolviendo fundamentalmente el problema de cuello de botella de la arquitectura de red tradicional de tres niveles. Aumenta la capa de intercambio por debajo de la capa de acceso, y la transmisión de datos entre dos nodos se completa directamente en esta capa, desviando así la transmisión de la red troncal.

En comparación con la arquitectura tradicional de tres niveles, la arquitectura spine-leaf proporciona una conexión a través de la espina con un único salto entre hojas, lo que minimiza cualquier latencia y cuello de botella. En las arquitecturas spine-leaf, la configuración de los switches es fija, por lo que no es necesario realizar cambios en la red para un entorno de servidores dinámico.

¿Cómo diseñar una arquitectura spine-leaf?

Antes de diseñar una arquitectura spine-leaf, es crucial tener en cuenta algunas consideraciones importantes, como la tasa de sobresuscripción y el tamaño del switch spine. También proporcionaremos un ejemplo detallado para tu referencia.

Consideraciones sobre el diseño de la arquitectura spine-leaf

Tasa de sobresuscripción: Es la tasa de contención cuando todos los dispositivos están enviando tráfico al mismo tiempo. Puede medirse en dirección norte/sur (tráfico que entra/sale del centro de datos) y en dirección este/oeste (tráfico entre dispositivos dentro del centro de datos). La relación de sobresuscripción más adecuada para las arquitecturas de red modernas es de 3:1 o menos, que se mide y delimita como una relación entre el ancho de banda ascendente (hacia los switches troncales) y la capacidad descendente (hacia los servidores/almacenamiento).

Por ejemplo, un switch leaf tiene 48 puertos 10G para un total de 480Gb/s de capacidad de puerto. Si conecta 4 puertos de enlace ascendente de 40G desde cada switch leaf a un switch spine de 40G, tendrá 160Gb/s de capacidad de enlace ascendente. La proporción es 480:160, o 3:1. Sin embargo, los enlaces ascendentes de los centros de datos suelen ser de 40G o 100G y pueden migrarse con el tiempo desde un punto de partida de 40G (Nx 40G) a 100G (Nx 100G). Es importante tener en cuenta que el enlace ascendente siempre debe funcionar más rápido que el descendente para no tener bloqueos en los enlaces de los puertos.

Dimensionamiento de switches leaf y spine: El número máximo de switches leaf en la topología viene determinado por la densidad de puertos de los switches spine. Y el número de switches spine se regirá por la combinación del rendimiento necesario entre los switches leaf, el número de rutas redundantes/ECMP (multipath equivalente) y su densidad de puertos. Por tanto, hay que tener en cuenta el número de switches spine-leaf y la densidad de puertos para evitar problemas de red.

Diseño de capa 2 o capa 3: Se puede construir una estructura de spine-leaf de dos capas tanto en Capa 2 (configurando VLAN) como en Capa 3 (subredes). Los diseños de Capa 2 deben proporcionar máxima flexibilidad, permitiendo que las VLAN se extiendan y que las direcciones MAC migren libremente. Los diseños de Capa 3 deben ofrecer los tiempos de convergencia más rápidos y la máxima escala, con ECMP de ventilador que soporte hasta 32 o más switches espina activos.

¿Cómo desplegar switches spine-leaf para una arquitectura spine-leaf?

Teniendo en cuenta estos puntos y la necesidad urgente de construir un centro de datos, el objetivo principal es integrar al menos 480x10G servidores en la arquitectura. A continuación, proporcionamos un ejemplo para ayudarte a completar rápidamente el diseño de la arquitectura spine-leaf.

Utilizamos el NC8200-4TD, que proporciona puertos de 40G, como switch spine y el N5850-48S6Q, que proporciona puertos de 40G/10G, como switch leaf. De este modo, el ancho de banda del enlace ascendente es de 40G y el del enlace descendente es de 10G. Sin embargo, dado que la proporción razonable de ancho de banda entre leaf y spine no puede superar 3:1, cada switch leaf puede conectar hasta 24x10G servidores.

El ancho de banda total que podemos obtener es de 480x10G. En toda la transmisión del enlace, el switch admite tecnologías virtuales como PFC, MLAG, VXLAN o EVPN-VXLAN, lo que es suficiente para garantizar la fiabilidad estructural.

Recomendaciones de switches spine y leaf para centros de datos

Primero, es crucial entender las características de rendimiento de los switches spine y leaf, como la densidad de puertos, la tecnología de virtualización y el hardware redundante. Luego, selecciona los switches adecuados según tus necesidades de implementación para completar la arquitectura de la red. Los switches para centros de datos de la serie N de FS están equipados con un sistema completo de software de virtualización, lo que te ayudará a alcanzar un rendimiento de red superior y a realizar una implementación rápida.

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