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

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John

Publié le 23 mai 2017
2020-12-03 07:31:27
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Pendant de nombreuses années, les centres de données ont été construits sur une architecture à trois niveaux. Mais avec la consolidation des centres de données, la virtualisation, l'apparition de systèmes hyper-convergents, l’architecture de réseau “Leaf-Spine” devient progressivement le courant dominant dans le déploiement actuel des réseaux de centres de données, qui surmonte certaines limites des architectures traditionnelles à trois niveaux pour les commutateurs de centres de données. Quelles sont vos connaissances sur l'architecture Leaf-Spine et comment procéder pour sa mise en place? Nous expliquerons dans cet article en quoi consiste et comment réaliser une architecture Leaf-Spine.

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

L'architecture de réseau 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 commutateurs qui assurent le routage, fonctionnant comme Backbone (épine dorsale) du réseau. La couche Leaf implique un commutateur d'accès qui se connecte aux points d'extrémité comme les serveurs, les périphériques de stockage, etc. Dans l'architecture Leaf-Spine, chaque commutateur Leaf est interconnecté avec tous les commutateurs 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 commutateurs leaf.

Architecture Leaf-Spine.png

Figure 1 : Architecture Leaf-Spine

L'architecture traditionnelle à trois niveaux, cependant, se compose de trois couches, dont le Core (noyau), 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.

Architecture traditionnelle à trois niveaux..png

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 commutateurs de distribution et un commutateur central (core) pour communiquer avec un autre commutateur, 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 commutateur spine supplémentaire et de prolonger les liaisons montantes vers chaque commutateur 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 commutateurs verticaux). La figure ci-dessous illustre comment mesurer le taux de sursouscription des couches Leaf et Spine.

Taux de sursouscription..jpg

Figure 3 : Taux de sursouscription.

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

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

Nous prenons ici l'exemple des commutateurs 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 commutateur FS S8050-20Q4C comme commutateur Spine et S5850-48S6Q comme commutateur Leaf. Le S8050-20Q4C est un commutateur Ethernet L2/L3 (couche 2 et 3) 40G/100G haute performance avec des fonctions de visibilité réseau améliorées, et le S5850-48S6Q est un commutateur Ethernet L2/L3 (couche 2 et 3) 10G/40G.

Commutateurs Leaf-Spine FS.jpg

Figure 4 : commutateurs Leaf-Spine FS.

En utilisant ces deux types de commutateurs pour construire une architecture de réseau 40G, les connexions entre les commutateurs Spine et commutateurs Leaf sont de 40G, tandis que les connexions entre les commutateurs 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 commutateurs Spine et 20 commutateurs 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.

Architecture Leaf-Spine FS.jpg

Figure 5 : Architecture Leaf-Spine FS

Recommandation sur les commutateurs Leaf-Spine

Les commutateurs Ethernet de la série FS S5850 sont parfaitement adaptés pour une utilisation en tant que commutateurs Leaf. Ces commutateurs 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.

FS P/N S5850-32S2Q S5850-48T4Q S5850-48S6Q
Ports 32x 10GbE SFP+ et 2x 40GbE QSFP+ 48x 10GBase-T et 4x 40GbE 48x 10GbE SFP+ et 6x 40GbE QSFP+
Débit 595.24Mpps 952.32Mpps 1071.43Mpps
Capacité de commutation 800Gbps 1.28Tbps 1.44Tbps
Latence 612ns 612ns 612ns
Puissance maximale 120W/150W 350W 150W/190W

Pour les commutateurs 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 commutateurs de noyau de centre de données.

FS P/N N8500-48B6C N8000-32Q N8500-32C
Ports 48x SFP28 et 6x QSFP28 32x QSFP+ 32x QSFP28
Capacité de commutation 3.6Tbps duplex intégral 2.56Tbps duplex intégral 6.4Tbps duplex intégral
Performance de transmission 4.7Bpps 1.44Bpps 4.7Bpps
Latence 500ns 480ns 500ns
Consommation électrique max. 550W 300W 550W

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 de réseau Leaf-Spine et l'achat de commutateurs 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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