Was ist Spine-Leaf-Architektur und wie funktioniert sie?

In den letzten Jahren, mit der raschen Verbreitung von Servern und einer aus mehreren Ebenen bestehenden Switching-Schicht in Rechenzentren, beginnt die Spine-Leaf-Architektur aufgrund ihrer Vorteile bei horizontaler Skalierung und Verfügbarkeit, sich gegenüber der bestehenden dreistufigen Architektur als führende Architektur durchzusetzen. Möchten Sie mehr über die Spine-Leaf Architektur erfahren? Wie baut man also eine auf? Vertiefen Sie sich in unseren Leitfaden, in dem wir das Konzept der Spine-Leaf-Architektur verständlich machen und Einblicke in ihr Design und ihre Implementierung geben.

Was ist eine Spine-Leaf-Architektur?

Die Spine-Leaf-Architektur besteht aus nur zwei Switch-Ebenen: Spine- und Leaf-Switches. Die Spine-Ebene, die als Netzwerkkern dient, übernimmt Routing-Funktionen. Die Leaf-Ebene hingegen umfasst Access-Switches, die Server, Speichereinheiten, und Endnutzer verbinden. Diese Topologie reduziert die Anzahl der Hops und verringert die Netzwerklatenz in Rechenzentrumsnetzwerken.

In der Spine-Leaf-Architektur verbindet sich jeder Leaf-Switch mit jedem Spine-Switch. Dieses Design stellt sicher, dass jeder Server mit jedem anderen Server kommunizieren kann, und zwischen zwei beliebigen Leaf-Switches gibt es nicht mehr als einen verbundenen Switch-Pfad.

Warum benötigen Sie eine Spine-Leaf-Architektur?

Die Spine-Leaf-Architektur, die inzwischen in Rechenzentren weit verbreitet ist, bietet viele Vorteile, darunter Skalierbarkeit und verbesserte Netzwerkleistung. Drei Vorteile der Spine-Leaf-Architektur werden im Folgenden beschrieben.

Erhöhte Redundanz

Die Spine-Leaf-Architektur stellt eine robuste Verbindung zwischen Servern und dem Core-Netzwerk her und bietet mehr Flexibilität in Hyperscale-Rechenzentren. Durch den Einsatz des Leaf Switch als Brücke zwischen Servern und dem Core-Netzwerk wird jeder Leaf Switch mit allen Spine Switches verbunden, wodurch eine große nicht blockierende Fabric entsteht. Diese Konfiguration erhöht die Redundanz erheblich und minimiert Verkehrsengpässe.

Leistungssteigerung

Die Spine-Leaf-Architektur lindert Verkehrsüberlastungen effizient durch den Einsatz von Protokollen und Methoden wie TRILL und SPB. Mit der Flexibilität, entweder auf Layer 2 oder Layer 3 ermöglicht die Spine-Leaf-Architektur das Hinzufügen von Uplinks zum Spine-Switch. Diese Erweiterung der Bandbreite zwischen den Schichten reduziert die Überbuchung und gewährleistet die Netzwerkstabilität.

Skalierbarkeit

Die Spine-Leaf-Architektur umfasst mehrere Verbindungen, die ein erhöhtes Datenaufkommen bewältigen können. Das Hinzufügen von Switches zur Architektur verbessert nicht nur die Skalierbarkeit, sondern erleichtert auch die Expansion von Unternehmen. Diese Skalierbarkeitsfunktion versetzt Unternehmen in die Lage, ihre Geschäftstätigkeit in Zukunft nahtlos auszuweiten.

Die Spine-Leaf-Architektur im Vergleich zur traditionellen Architektur: Drei-Schichten 

Der Hauptunterschied zwischen Spine-Leaf-Architektur und der 3-Tier-Architektur liegt in der Anzahl der Netzwerkschichten und der Ausrichtung des Datenverkehrs—ob Nord-Süd oder Ost-West.

In der unten dargestellten konventionellen dreistufigen Netzwerkarchitektur sind drei Ebenen—Core, Aggregation und Access—vorhanden. Access-Switches verbinden sich mit Servern und Speichergeräten; die Aggregationsebene konsolidiert den Datenverkehr der Access-Ebene und bietet redundante Verbindungen, während die Core-Ebene die Netzwerkübertragung übernimmt. Diese dreischichtige Struktur ist jedoch hauptsächlich für Nord-Süd-Datenverkehr ausgelegt und stützt sich auf das Spanning Tree Protocol (STP), wobei maximal 100 Switches unterstützt werden. Dieses Design kann aufgrund einer Explosion der Netzwerkdaten potenziell zu Port-Blocking und begrenzter Skalierbarkeit führen.

Die Spine-Leaf-Architektur erreicht hingegen Parallelität des Ost-West-Datenverkehrs als Ergänzung zur Nord-Süd-Netzwerkarchitektur des Backbones, um das Engpassproblem zu beseitigen, das beim traditionellen dreistufigen Netzwerkansatz auftritt. Sie erweitert die Austauschschicht unterhalb der Zugriffsschicht und ermöglicht eine direkte Datenübertragung zwischen zwei Knoten auf dieser Ebene, wodurch das Engpassproblem bei der Übertragung im Backbone-Netzwerk umgangen wird. Im Gegensatz zur traditionellen dreistufigen Konfiguration stellt die Spine-Leaf-Architektur eine Verbindung über den Spine mit einem einzigen Hop zwischen Leafs her, wodurch Latenz und Engpässe minimiert werden. Wichtig ist, dass in Spine-Leaf-Architekturen die Switch-Konfiguration fest bleibt, wodurch Netzwerkänderungen in dynamischen Serverumgebungen entfallen.

Wie entwirft man eine Spine-Leaf-Architektur?

Beim Entwurf einer Spine-Leaf-Architektur müssen Sie sicherstellen, dass kritische Überlegungen angestellt wurden und zwei der wichtigsten Überlegungen sind die Überbuchungsrate und die Größe des Spine-Switches . Ein detailliertes Beispiel ist ebenfalls unten als Referenz enthalten.

Überbuchungsrate

Die Oversubscription-Rate bezeichnet die Überbuchungsrate, wenn alle Geräte gleichzeitig Datenverkehr übertragen. Diese Kennzahl wird in Nord/Süd-Richtung (Ein-/Ausgangsverkehr des Rechenzentrums) und Ost/West-Richtung (Datenverkehr zwischen Geräten innerhalb des Rechenzentrums) bewertet. Für moderne Netzwerkarchitekturen liegt das ideale Oversubscription-Verhältnis bei 3:1 oder niedriger. Dieses Verhältnis, ausgedrückt als Upstream-Bandbreite (zu Backbone-Switches) im Vergleich zur Downstream-Kapazität (zu Servern/Speicher), gewährleistet optimale Leistung. Wenn beispielsweise ein Leaf-Switch über 48 x 10G-Ports (insgesamt 480Gb/s) und 4 x 40G-Uplink-Ports verfügt, die mit einem 40G-Spine-Switch verbunden sind (mit 160Gb/s Uplink-Kapazität), beträgt das Verhältnis 3:1. Es ist entscheidend, sicherzustellen, dass die Uplink-Geschwindigkeiten die Downlink-Geschwindigkeiten stets übersteigen, um eine Blockierung von Port-Links zu verhindern.

Leaf- und Spine-Dimensionierung

In der Topologie hängt die Anzahl der Spine-Switches von der Portdichte des Backbone-Switches ab. Gleichzeitig wird die Anzahl der Spine-Switches durch Faktoren wie den erforderlichen Durchsatz zwischen Leaf-Switches, die Anzahl redundanter/ECMP-Pfade (Equal-Cost Multipath) und deren jeweilige Portdichten bestimmt. Daher ist eine sorgfältige Berücksichtigung der Anzahl der Spine-Leaf-Switches und ihrer Portdichte unerlässlich, um potenzielle Netzwerkprobleme zu vermeiden.

Layer-2- oder Layer-3-Design

Ein zweistufiges Spine-Leaf-Fabric-Design kann entweder auf Layer 2 (mit VLAN-Konfiguration) oder Layer 3 (unter Verwendung von Subnetting) implementiert werden. Diese Layer-2-Techniken betonen maximale Flexibilität: VLANs können über mehrere Segmente hinweg erweitert werden, und MAC-Adressen lassen sich leicht migrieren. Gleichzeitig bevorzugen Layer-3-Designs tendenziell sehr schnelle Konvergenzzeiten und eine wesentlich größere Skalierung, einschließlich Fan-out-ECMP-Unterstützung für bis zu 32 oder mehr aktive Spine-Switches.

Folglich können wir unter Berücksichtigung dieser Faktoren eine Spine-Leaf-Architektur aufbauen, die nicht nur bemerkenswert leistungsfähig und skalierbar ist, sondern auch die spezifischen Anforderungen eines Rechenzentrumsnetzwerks erfüllt und sich in der Praxis bewährt!

Aufbau einer Spine-Leaf-Architektur mit Spine-Leaf-Switches

Nachdem wir diese Prinzipien und Kenntnisse verstanden haben, werden wir eine Spine-Leaf-Switch-Architektur aufbauen. Diese neue Spine-Leaf-Architektur zielt darauf ab, eine neue Servernetzwerkstruktur mit hoher Dichte zu schaffen. Hier stellen wir ein praktisches Beispiel vor.

Als Spine-Switch wählen wir den S7600-32C, der mit 100G-Ports ausgestattet ist, während als Leaf-Switch der S7600-48Y8C, mit 100G/25G-Ports. Diese Konfiguration gewährleistet eine 100G-Uplink-Bandbreite und eine 25G-Downlink-Bandbreite. Während der gesamten Link-Übertragung unterstützen die Switches gleichzeitig MLAG, VXLAN oder EVPN-VXLAN sowie verschiedene zugehörige Virtualisierungstechnologien und gewährleisten so eine robuste strukturelle Zuverlässigkeit.

Fazit: Wie wählt man die richtigen Spine-Leaf-Switches aus?

Verstehen Sie die Leistungsfähigkeiten von Spine- und Leaf-Switches in Bezug auf Aspekte wie Portdichte, Virtualisierungstechnologie, Hardware Redundanz usw. Passen Sie anschließend die Switch-Auswahl entsprechend den genauen Anforderungen der Bereitstellung an, um die Netzwerkarchitektur zu vervollständigen. Wir können QSFPTEK nicht ignorieren Switches der Serie S7600 die ein vollständiges Virtualisierungssoftware system unterstützen. Die Nutzung dieser Switches ermöglicht eine höhere Netzwerkleistung und eine schnellere Bereitstellung zur Erreichung Ihrer Netzwerkziele.