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

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John

23 de mayo de 2017
2020-12-03 12:27:52
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Durante muchos años, los centros de datos se han construido en una arquitectura de tres niveles. Pero con la integración de los centros de datos, la virtualización y el surgimiento de sistemas hiperconvergentes, una nueva arquitectura de red, leaf-spine, se ha convertido gradualmente en la corriente principal en la implementación actual de la red de los centros de datos, que supera algunas limitaciones de la arquitectura tradicional de tres niveles para los switches de centros de datos. Entonces, ¿cuánto sabes sobre la arquitectura leaf-spine? ¿Cómo construir la arquitectura leaf-spine? Explicaremos qué es la arquitectura leaf-spine y cómo diseñarla.

¿Qué es la arquitectura spine-leaf?

La arquitectura de red leaf-spine se está poniendo al día con las redes de los grandes centros de datos o redes en la nube debido a su escalabilidad, fiabilidad y un mejor rendimiento. Como se muestra a continuación, el diseño de leaf-spine solo consta de dos capas: la capa leaf y la capa spine. La capa spine está formada por switches que realizan el enrutamiento y funcionan como la columna vertebral de la red. La capa leaf implica un switch de acceso que se conecta a puntos finales como servidores, dispositivos de almacenamiento. En la arquitectura leaf-spine, cada switch de leaf está interconectado con cada switch de spine. Con este diseño, cualquier servidor puede comunicarse con cualquier otro servidor con no más de una ruta de switch de interconexión entre dos switches de leaf.

Figura 1: Arquitectura leaf-spine

Figura 1: Arquitectura leaf-spine

Sin embargo, una arquitectura tradicional de tres niveles está compuesta por tres capas, que incluyen capa de núcleo, capa de agregación/distribución y capa de acceso en la implementación. Estos dispositivos están interconectados por vías de redundancia que pueden crear bucles en la red. Este modelo de arquitectura generalmente está diseñado para el tráfico tradicional norte-sur, por lo que si se ejecuta un tráfico masivo este-oeste a través de esta arquitectura convencional, los dispositivos conectados al mismo puerto del switch pueden competir por el ancho de banda, lo que resulta en un tiempo de respuesta pobre obtenido por los usuarios finales. Por lo tanto, esta arquitectura de tres niveles no es adecuada para los centros de datos virtuales modernos donde los servidores de cómputo y almacenamiento pueden estar ubicados en cualquier lugar dentro de la instalación.

Figura2: Arquitectura tradicional de tres niveles

Figura2: Arquitectura tradicional de tres niveles

Ventajas de la arquitectura leaf-spine

Las ventajas del modelo leaf-spine consisten en la latencia mejorada, los cuellos de botella reducidos y el ancho de banda ampliado. En primer lugar, leaf-spine utiliza todos los enlaces de interconexión. Cada leaf se conecta a todos los spines, y los spines y los leafs mismos no están conectados entre sí, formando así una gran estructura sin bloqueo. Mientras en una red de tres niveles, un servidor puede necesita recorrer una ruta jerárquica a través de dos switches de agregación y un switch de núcleo para comunicarse con otro switch, lo que aumenta latencia y crea cuellos de botella de tráfico. Otra ventaja es la facilidad de agregar hardware y capacidad adicionales. Las arquitecturas leaf-spine pueden ser de capa 2 o de capa 3, por lo tanto, se puede agregar un switch de spine adicional y los enlaces ascendentes se pueden extender a cada switch de leaf, expandiendo así el ancho de banda de la capa intermedia y reduciendo la suscripción excesiva.

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¿Cómo diseñar la arquitectura spine-leaf?

Antes de diseñar una arquitectura leaf-spine, debes identificar algunos factores relacionados importantes. En este sentido, se deben considerar las relaciones de exceso de suscripción, la escala de leaf y spine, los enlaces ascendentes de leaf a spine construidos en la capa 2 o la capa 3.

Relaciones de exceso de suscripción: la suscripción excesiva es la relación de contención cuando todos los dispositivos envían tráfico al mismo tiempo. Se puede medir en dirección norte-sur (tráfico entrando o saliendo de un centro de datos) así como este-oeste (tráfico entre dispositivos en el centro de datos). Los diseños de red modernos actuales tienen relaciones de sobresuscripción de 3:1 o menos, que se mide como la relación de puertos de enlace descendente (a servidores o almacenamiento) a puertos de enlace ascendente (a switches de spine). La siguiente figura ilustra cómo medir la relación de sobresuscripción de las capas leaf y spine.

Relaciones de exceso de suscripción

Figura 3: Relaciones de exceso de suscripción

Escala de leaf y spine — Dado que los puntos finales en la red solo están conectados a switches de leaf, el número de switches de leaf en la red depende del número de interfaz requerido para conectar todos los puntos finales, incluidos los puntos finales de multiproveedor. Debido a que cada switch de leaf se conecta a todos los spines, la densidad de puertos en el switch de spine determina la cantidad máxima de switches de spine en la topología. Y el número de switches de spine en la red se controla mediante una combinación del rendimiento requerido entre los switches de leaf, el número de rutas redundantes/ECMP (ruta múltiple de igual costo) entre los leafs y la densidad de puertos en los switches de spine.

Enlaces ascendentes 10G/40G/100G de leaf a spine — Para una red leaf-spine, los enlaces ascendentes de leaf a spine suelen ser 10G o 40G y pueden migrar con el tiempo desde un comienzo de 10G (N x 10G) a 40G ( N x 40G). Idealmente, los enlaces ascendentes siempre operan a una velocidad más rápida que los enlaces descendentes, para garantizar que no haya ningún bloqueo debido a las micro ráfagas de un host que explotan a velocidad de línea.

Capa 2 o capa 3 — Las redes leaf-spine de dos niveles se pueden construir en la capa 2 (VLAN en todas partes) o en la capa 3 (subredes). Los diseños de capa 2 proporcionan la mayor flexibilidad que permite que las VLAN se extiendan a todas partes y que las direcciones MAC migren a cualquier parte. Los diseños de capa 3 proporcionan los tiempos de convergencia más rápidos y la mayor escala de expansión con ECMP que admite hasta 32 o más switches de spine activos.

Uso de switches FS para construir arquitectura leaf-spine

Aquí tomamos los switches leaf-spine de FS como ejemplo para mostrar cómo construir una arquitectura leaf-spine. Dado que deseamos construir una estructura de centro de datos, cuyo objetivo principal sea al menos 960 servidores de 10G con una suscripción excesiva 3:1. En este caso, utilizaremos FS S8050-20Q4C como switch de spine y S5850-48S6Q como switch de leaf. S8050-20Q4C es un switch Ethernet capa 2/capa 3 40G/100G de alto rendimiento con características de visibilidad de red destacadas, y S5850-48S6Q es un switch Ethernet capa 2/capa 3 10G/40G.

FS Switches leaf-spine

Figura 4: FS Switches leaf-spine

Al usar los dos tipos de switches para construir una arquitectura de red spine-leaf 40G, las conexiones entre los switches de spine y leaf son 40G, mientras que las conexiones entre los switches de leaf y los servidores suelen ser 10G. Por lo tanto, los puertos QSFP+ 40G del switch S5850-48S6Q se pueden usar para conectar el switch de spine S8050-20Q4C, y se recomienda utilizar los puertos SFP+ 10G del S5850-48S6Q para conectar servidores y enrutadores. Cada switch de leaf está conectado a cada spine. Por lo tanto, a través de las fórmulas anteriores, podemos tener 4 switches de spine y 20 switches de leaf aquí. Así, cuando se construya esta arquitectura leaf-spine, la cantidad máxima de servidores 10G es de 960 con una suscripción excesiva de 3:1.

FS Arquitectura leaf-spine

Figura 5: FS Arquitectura leaf-spine

Recomendación sobre el switch leaf-spine

Los switches Ethernet de la gama FS S5850 son muy adecuados para usar como switches de leaf. Estos switches vienen con software y aplicaciones de sistema completos para facilitar la implementación y administración rápidas de servicios en centros de datos tradicionales y totalmente virtualizados.

FS P/N S5850-32S2Q S5850-48T4Q S5850-48S6Q
Puertos 32x 10GbE SFP+ y 2x 40GbE QSFP+ 48x 10GBase-T y 4x 40GbE 48x 10GbE SFP+ y 6x 40GbE QSFP+
Tasa de expedición 595.24Mpps 952.32Mpps 1071.43Mpps
Capacidad de conmutación 800Gbps 1.28Tbps 1.44Tbps
Latencia 612ns 612ns 612ns
Consumo de energía máximo 120W/150W 350W 150W/190W

Para switches de spine, aquí recomendamos la gama FS N8500. Están construidos con conjuntos de funciones avanzadas, que incluyen MLAG, VXLAN, SFLOW, BGP y OSPF, etc. Con soporte para arquitecturas de capa 2, capa 3 y superposición, la gama N5800 es la opción ideal para switches de núcleo de centro de datos.

FS P/N N8500-48B6C N8000-32Q N8500-32C
Puertos 48x SFP28 and 6x QSFP28 32x QSFP+ 32x QSFP28
Capacidad de conmutación 3.6Tbpsfull-duplex 2.56Tbpsfull-duplex 6.4Tbpsfull-duplex
Tasa de expedición 4.7Bpps 1.44Bpps 4.7Bpps
Latencia 500ns 480ns 500ns
Consumo de energía máximo 550W 300W 550W

Conclusión

Es importante comprender la arquitectura leaf-spine de 2 niveles, ya que tiene ventajas únicas sobre el modelo de arquitectura tradicional de 3 niveles. Para los administradores de centros de datos, son imprescindibles la implementación de la arquitectura de red leaf-spine y la compra de switches de centro de datos de alto rendimiento, porque la topología de la red leaf-spine permite que los centros de datos prosperen y satisfagan todas las necesidades del negocio.