Что такое Leaf-Spine архитектура и как её проектировать

В течение многих лет центры обработки данных строились в трехуровневой архитектуре. Но с консолидацией центров обработки данных, виртуализацией, гиперконвергентными системами, новая сетевая архитектура leaf-spine постепенно становится основной в современном развертывании сетей центров обработки данных, что преодолевает некоторые ограничения традиционной трехуровневой архитектуры для коммутаторов ЦОД. Тогда как много вы знаете об архитектуре leaf-spine? Как построить leaf-spine архитектуру? Мы объясним, что такое архитектура leaf-spine и как проектировать архитектуру leaf-spine.

Что такое архитектура Leaf-Spine?

Архитектура сети Leaf-Spine догоняет крупные сети центров обработки данных/облачные вычисления благодаря своей масштабируемости, надежности и лучшей производительности. Как показано ниже, конструкция leaf-spine состоит только из двух уровня: leaf уровень и spine уровень. Spine уровень состоит из коммутаторов, которые выполняют маршрутизацию, работая в качестве магистрали сети. Leaf уровень включает в себя коммутатор доступа, который подключается к конечным точкам, таким как серверы, устройства хранения. В архитектуре leaf-spine каждый leaf коммутатор связан с каждым коммутатором spine. При таком дизайне любой сервер может связываться с любым другим сервером, имеющим не более одного пути межсоединения между любыми двумя leaf коммутаторами.

Рисунок 1: Leaf-Spine архитектура

Однако традиционная трехуровневая архитектура состоит из трех уровней, включая ядро при развертывании, агрегацию/распределение и уровень доступа. Эти устройства связаны избыточными путями, чтобы они могли образовывать петли в сети. Архитектурная модель обычно предназначена для традиционного трафика север-юг, поэтому, если через эту традиционную архитектуру проходит большой объем трафика восток-запад, устройства, подключенные к одному и тому же порту коммутатора, могут конкурировать за пропускную способность, что приводит к снижению качества конечных пользователей. Время отклика. Таким образом, эта трехуровневая архитектура не подходит для современных виртуальных центров обработки данных, где серверы вычислений и хранения могут быть расположены в любом месте на объекте.

Рисунок 2: коэффициент переподписки Leaf-Spine

Почему Leaf-Spine?

Учитывая повышенный фокус на массовые передачи данных и мгновенные перемещения данных в сети, стареющие трехуровневые конструкции в центрах обработки данных заменяются так называемым дизайном Leaf-Spine. Архитектура Leaf-Spine адаптируется к постоянно меняющимся потребностям компаний в отраслях big data с развивающимися центрами обработки данных.

Преимущества Leaf-Spine

Преимуществами модели leaf-spine являются увеличенная латентности, уменьшенные узкие места и расширенная пропускная способность. Во-первых, leaf-spine использует все взаимосвязи. Каждый leaf соединяется со всеми шипами без каких-либо взаимосвязей между самими шипами и листами, что создает большую неблокирующую ткань. Находясь в трехуровневой сети, одному серверу может потребоваться пройти по иерархическому пути через два коммутатора агрегации и один базовый коммутатор для связи с другим коммутатором, что увеличивает задержку и создает узкие места в трафике. Еще одним преимуществом является простота добавления дополнительного оборудования и емкости. Архитектуры leaf-spine могут быть как уровня 2, так и уровня 3, таким образом, можно добавить дополнительный переключатель позвоночника, и восходящие линии могут быть расширены для каждого конечного коммутатора, расширяя полосу пропускания между уровнями и уменьшая переподписку.

Недостатки Leaf-Spine

Однако этот подход имеет свои недостатки. Самый заметный из них – увеличение количества проводов в этой схеме, из-за соединения каждого Leaf и Spine устройства. А при увеличении новых коммутаторов на обоих уровнях эта проблема будет расти. Из-за этого нужно тщательно планировать физическое расположение устройств. Другим основным недостатком является использование маршрутизации уровня 3.Ее использование не дает возможность развертывать VLAN’ы в сети. В сети Leaf-Spine они локализованы на каждом коммутаторе отдельно – VLAN на Leaf сегменте недоступен другим Leaf устройствам. Это может создать проблемы мобильности гостевой виртуальной машины в центре обработки данных.

Как проектировать Spine-leaf?

Прежде чем разрабатывать архитектуру leaf-spine, вам необходимо выяснить некоторые важные связанные с этим факторы. В этом аспекте следует учитывать соотношение переподписки, масштаб листа и позвоночника, восходящие связи от листа к позвоночнику, построение на уровне 2 или уровне 3.

Коэффициенты переподписки — переподписка представляет собой коэффициент конкуренции, когда все устройства отправляют трафик одновременно. Его можно измерить в направлении север/юг (трафик, входящий/выходящий из центра обработки данных), а также в направлении восток/запад (трафик между устройствами в центре обработки данных). Современные проекты сетей имеют коэффициент превышения подписки 3: 1 или менее, который измеряется как отношение портов нисходящей линии связи (к серверам/хранилищу) к портам восходящей линии связи (к коммутаторам Spine). На рисунке ниже показано, как измерить коэффициент переподписки для уровней leaf и spine.

Рисунок 3: FS Leaf-Spine архитектура

Масштаб Leaf и Spine — поскольку конечные точки в сетевом соединении только с leaf коммутаторами, количество leaf коммутаторов в сети зависит от номера интерфейса, необходимого для подключения всех конечных точек, включая многосетевые конечные точки. Поскольку каждый конечный коммутатор подключается ко всем шипам, плотность портов на коммутаторе шип определяет максимальное количество leaf коммутаторов в топологии. А количество коммутаторов Spine в сети определяется комбинацией пропускной способности, требуемой между leaf коммутаторами, количеством избыточных/ECMP (равноправных многолучевых) путей между конечными устройствами и плотностью портов в коммутаторах Spine.

10G/40G/100G восходящие линии от Leaf до Spine - Для сети leaf-spine, восходящие линии от листа к позвоночнику обычно имеют 10G или 40G и могут со временем мигрировать из начальной точки 10G (N x 10G), чтобы стать 40G (N x 40G). В идеальном случае восходящие каналы всегда работают с большей скоростью, чем нисходящие линии, чтобы гарантировать отсутствие блокировки из-за микровзрывов одного хоста, разрывающегося на скорости линии.

Уровень 2 или Уровень 3 - Двухуровневые сети leaf-spine могут быть построены либо на уровне 2 (везде VLAN), либо на уровне 3 (подсети). Проекты уровня 2 обеспечивают наибольшую гибкость, позволяя виртуальным локальным сетям охватывать всюду, а MAC-адреса - мигрировать куда угодно. Конструкции уровня 3 обеспечивают самое быстрое время сходимости и самый большой масштаб с разветвлением с ECMP, поддерживающим до 32 или более активных spine коммутаторов.

Создание Leaf-Spine с FS коммутаторами

Здесь мы используем FS leaf-spine коммутаторы в качестве примера, чтобы показать, как построить архитектуру leaf-spine. Учитывая, что мы хотим построить структуру центра обработки данных с основной целью не менее 960 10G серверов. В этом случае мы будем использовать FS N5860-48SC в качестве leaf коммутатора и N8560-64C в качестве spine коммутатора.

Рисунок 4: FS N8560-64C коммутатор 64 порта

FS N8560-64C — это 64-портовый коммутатор уровня 3 для ЦОД, поддерживающий 64 100Gb QSFP28, предназначенный для облачных центров обработки данных.

Рисунок 5: FS N5860-48SC коммутатор 48 портов

N5860-48SC фиксированный коммутатор с 48× 10G портами используется в качестве leaf коммутатора. Он поддерживает 8× 100G QSFP28 uplink.

Две модели коммутаторов ЦОД используются для построения сетевой архитектуры 100G Spine-Leaf. Соединения между spine коммутаторами и leaf коммутаторами составляют 100G, а соединения между leaf коммутаторами и серверами — 10G. Для покрытия 960 серверов мы будем использовать 20 коммутаторов N5860-48SC и 2 коммутатора N8560-64C.

Рекомендация по коммутатору Leaf-Spine

FS коммутаторы Ethernet серии S5850 очень подходят для использования в качестве leaf коммутаторов. Эти коммутаторы поставляются с полным системным программным обеспечением и приложениями, что позволяет быстро развертывать сервисы и управлять ими в традиционных и полностью виртуализированных центрах обработки данных.

Для spine коммутаторов мы рекомендуем FS коммутаторы серию N8500. Они построены с использованием расширенных наборов функций, в том числе MLAG, VXLAN, SFLOW, BGP и OSPF и т. д. Благодаря поддержке уровней 2, 3 и overlay архитектур, серии N5800 являются идеальным выбором для коммутаторов для ядра в ЦОД.

Вывод

Важно понимать двухуровневую архитектуру leaf-spine, поскольку она предлагает уникальные преимущества по сравнению с традиционной трехуровневой архитектурой. Развертывание архитектуры leaf-spine сети и покупка высокопроизводительных коммутаторов для ЦОД являются обязательными для менеджеров дата-центра, поскольку топология сети leaf-spine позволяет дата-центрам процветать, одновременно выполняя все потребности бизнеса.