Qu'est-ce qu'une architecture Leaf-Spine et comment procéder à sa conception

Pendant de nombreuses années, les datacenters ont été construits sur une architecture à trois niveaux. Avec la consolidation des datacenters, la virtualisation, l'apparition de systèmes hyper-convergents, l’architecture “Leaf-Spine” est de plus en plus populaire dans le déploiement actuel des réseaux de datacenters. Qu'est-ce qu'une architecture Leaf-Spine et comment procéder à sa conception ? Cet article vous fournira plus de détails.

Qu'est-ce qu’une architecture Leaf-Spine ?

L'architecture Leaf-spine rejoint les grands réseaux de centres de données/nuages grâce à son évolutivité, sa fiabilité et ses performances supérieures. Comme illustré ci-dessous, le modèle Leaf-Spine ne comporte que deux couches : la couche “Leaf” (feuilles) et la couche “Spine” (épine dorsale). La couche dorsale est constituée de switchs (commutateurs) qui assurent le routage, fonctionnant comme Backbone (épine dorsale) du réseau. La couche Leaf implique un switch d'accès qui se connecte aux points d'extrémité comme les serveurs, les périphériques de stockage, etc. Dans l'architecture Leaf-Spine, chaque switch Leaf est interconnecté avec tous les switchs Spine. Grâce à ce modèle, tout serveur peut communiquer avec n'importe quel autre serveur en n'ayant qu'un seul chemin d'interconnexion entre deux switchs leaf.

Figure 1 : Architecture Leaf-Spine

L'architecture traditionnelle à trois niveaux, cependant, se compose de trois couches, dont la couche coeur, la couche d’agrégation/distribution et la couche d'accès. Ces dispositifs sont interconnectés par des voies de redondance qui peuvent créer des boucles (loops) dans le réseau. Ce modèle d'architecture est généralement conçu pour le trafic nord-sud traditionnel (trafic entrant/sortant d'un centre de données). Si un trafic est-ouest (trafic entre les appareils dans le centre de données) massif passe par cette architecture classique, les appareils connectés au même port de commutation peuvent être en concurrence pour la largeur de bande, ce qui se traduit par un temps de réponse médiocre pour les utilisateurs finaux. Ainsi, cette architecture à trois niveaux n'est pas adaptée au centre de données virtualisé moderne où les serveurs de calcul et de stockage peuvent être situés n'importe où dans l'installation.

Figure 2 : Architecture traditionnelle à trois niveaux.

Avantages de l'architecture Leaf-Spine

Les avantages du modèle Leaf-Spine consistent en une amélioration de la latence, une réduction des goulets d'étranglement et une extension de la bande passante. Tout d'abord, l’architecture Leaf-Spine utilise tous les liens d'interconnexion. Chaque Leaf est connectée à tous les Spine sans qu'il n'y ait d'interconnexion entre les Spines eux-mêmes ou entre les Leaf, ce qui crée un grand réseau non bloquant. Dans un réseau à trois niveaux, un serveur peut avoir besoin de suivre un chemin hiérarchique passant par deux switchs de distribution et un switch central (core) pour communiquer avec un autre switch, ce qui ajoute de la latence et crée des goulets d'étranglement. Un autre avantage est la facilité avec laquelle il est possible d'ajouter du matériel et des capacités supplémentaires. Les architectures Leaf-spine peuvent être de couche 2 ou de couche 3, ce qui permet d'ajouter un switch spine supplémentaire et de prolonger les liaisons montantes vers chaque switch leaf, ce qui élargit la bande passante entre les couches et réduit la sursouscription.

Comment mettre au point une architecture Leaf-Spine ?

Avant la conception d'une architecture Leaf-Spine, vous devez déterminer certains facteurs associés importants. Il convient à cet égard de tenir compte des rapports de sursouscription, de l'échelle de la couche Leaf et de la couche Spine, des liaisons montantes de la couche Leaf à la couche Spine, de la construction au niveau de la couche 2 ou de la couche 3.

Taux de sursouscription — La sursouscription est le taux de contention lorsque tous les appareils envoient du trafic en même temps. Cela peut être mesuré dans une direction nord/sud (trafic entrant/sortant d'un centre de données) ainsi qu'est/ouest (trafic entre les appareils dans le centre de données). Les réseaux modernes actuels ont un taux de sursouscription de 3:1 ou moins, qui est mesuré comme le taux de ports de liaison descendante (vers les serveurs/le stockage) par rapport aux ports de liaison ascendante (vers les switchs verticaux). La figure ci-dessous illustre comment mesurer le taux de sursouscription des couches Leaf et Spine.

Figure 3 : Taux de sursouscription.

Échelle des couches Leaf et Spine — Comme les terminaux du réseau se connectent uniquement aux switchs Leaf, le nombre de switchs Leaf dans le réseau dépend du numéro d'interface requis pour connecter tous les terminaux, y compris les terminaux multi-sites. Comme chaque switch Leaf se connecte à toutes les switchs Spine, la densité de ports sur le switch Leaf détermine le nombre maximum de switchs Leaf dans la topologie. Et le nombre de switchs Spine dans le réseau est déterminé par une combinaison du débit requis entre les switchs Leaf, du nombre de voies redondantes/ECMP (equal-cost multi-path) entre les switchs Leaf, et de la densité de ports dans les switchs Spine.

Liaisons montantes 10G/40G/100G de la couche Leaf à la couche Spine - Pour un réseau Leaf-Spine, les liaisons montantes de la couche Leaf à la couche Spine sont généralement de 10G ou 40G et peuvent migrer progressivement d'un point de départ de 10G (N x 10G) à 40G (N x 40G). Le scénario idéal consiste toujours à faire fonctionner les liaisons montantes à une vitesse plus rapide que les liaisons descendantes afin d'éviter tout blocage dû à des micro-ruptures d'un hôte qui se produit à la vitesse de la ligne.

Couche 2 ou Couche 3 — Des réseaux Leaf-Spine à deux niveaux peuvent être créés soit à la couche 2 (VLAN partout), soit à la couche 3 (sous-réseaux). Les conceptions de la couche 2 offrent la plus grande flexibilité, permettant aux VLAN de s'étendre partout et aux adresses MAC de migrer librement. Les conceptions de la couche 3 offrent les temps de convergence les plus rapides et la plus grande échelle avec un déploiement en éventail (fan-out), avec le ECMP prenant en charge jusqu'à 32 switchs Spine actifs ou plus.

Construir une architecture de type "Leaf-Spine" avec des switchs FS

Nous prenons ici l'exemple des switchs Leaf-spine de FS pour montrer comment mettre en place une architecture Leaf-spine. Étant donné que nous voulons construire une structure de centre de données avec un objectif principal d'au moins 960 serveurs 10G avec une sursouscription 3:1. Dans ce cas, nous utiliserons le switch FS S8050-20Q4C comme switch Spine et S5850-48S6Q comme switch Leaf. Le S8050-20Q4C est un switch Ethernet L2/L3 (couche 2 et 3) 40G/100G haute performance avec des fonctions de visibilité réseau améliorées, et le S5850-48S6Q est un switch Ethernet L2/L3 (couche 2 et 3) 10G/40G.

Figure 4 : Switchs Leaf-Spine FS

En utilisant ces deux types de switchs pour construire une architecture réseau 40G, les connexions entre les switchs Spine et switchs Leaf sont de 40G, tandis que les connexions entre les switchs Leaf et les serveurs sont généralement de 10G. Ainsi, les ports 40G QSFP+ du switch S5850-48S6Q peuvent être utilisés pour connecter le switch spine S8050-20Q4C, et les ports 10G SFP+ du S5850-48S6Q sont suggérés pour connecter des serveurs et des routeurs. Par conséquent, grâce aux formules ci-dessus, nous pouvons avoir ici 4 switchs Spine et 20 switchs Leaf. Ainsi, en construisant cette architecture Leaf-Spine, le nombre maximum de serveurs 10G est de 960 avec un taux de sursouscription de 3:1.

Figure 5 : Architecture Leaf-Spine FS

Recommandation sur les switchs Leaf-Spine

Les switchs Ethernet de la série FS S5850 sont parfaitement adaptés pour une utilisation en tant que switchs Leaf. Ces switchs sont fournis avec le logiciel et les applications du système complet pour faciliter le déploiement et gestion des services pour les centres de données traditionnels et entièrement virtualisés.

Pour les switchs Spine, nous recommandons ici la série FS N8500. Ils sont dotés de fonctionnalités avancées, telles que MLAG, VXLAN, SFLOW, BGP et OSPF, etc. Prenant en charge les architectures de couche 2, de couche 3 et de superposition, la série N5800 est le choix idéal pour les switchs centraux de centre de données.

Conclusion

Il est important de comprendre l'architecture Leaf-Spine à deux niveaux car elle offre des avantages uniques par rapport au modèle traditionnel d'architecture à trois niveaux. Le déploiement d'une architecture Leaf-Spine et l'achat de switchs de centre de données hautes performances sont essentiels pour les gestionnaires de centres de données, car la topologie Leaf-Spine permet aux centres de données de prospérer tout en répondant à tous les besoins de l'entreprise.

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