¿Qué es la arquitectura Spine-Leaf y cómo funciona?

En los últimos años, con la rápida proliferación de servidores y con la capa de conmutación del centro de datos compuesta por varios niveles, la arquitectura Spine-Leaf está empezando a imponerse a la arquitectura de tres niveles existente como arquitectura líder, debido a sus ventajas de escalado horizontal y disponibilidad. ¿Quiere saber más sobre la arquitectura spine-leaf ? Entonces, ¿cómo se construye una? Profundice en nuestra guía, donde desmitificamos el concepto de arquitectura spine-leaf y ofrecemos información sobre su diseño e implementación.

¿Qué es la arquitectura spine-leaf?

La arquitectura spine-leaf consta de solo dos capas de switches: switches spine y leaf. La capa spine, que actúa como núcleo de la red, realiza funciones de enrutamiento. La capa leaf, por otro lado, incluye switches de acceso que conectan servidores, unidades de almacenamiento, y usuarios finales. Esta topología reduce el número de saltos y reduce la latencia de red en las redes de centros de datos.

En la arquitectura spine-leaf, cada switch leaf se conecta a cada switch spine. Este diseño garantiza que cualquier servidor pueda comunicarse con cualquier otro servidor, y que entre dos switches leaf cualesquiera no exista más de una ruta de switch interconectada.

¿Por qué necesita una arquitectura spine-leaf?

La arquitectura spine-leaf, ahora ampliamente adoptada en los centros de datos, aporta muchos beneficios, incluida la escalabilidad y un rendimiento de red mejorado. A continuación se describen tres ventajas de la arquitectura spine-leaf.

Mayor redundancia

La arquitectura spine-leaf establece una conexión robusta entre los servidores y la red central, ofreciendo mayor flexibilidad en centros de datos de hiperescala. Al desplegar el switch leaf como puente entre los servidores y la red central, cada switch leaf se conecta a todos los switches spine, formando una estructura considerable sin bloqueo. Esta configuración mejora significativamente la redundancia, minimizando los cuellos de botella del tráfico.

Mejora del rendimiento

La arquitectura spine-leaf alivia eficientemente la congestión del tráfico mediante la adopción de protocolos y metodologías como TRILL y SPB. Con la flexibilidad de operar en cualquiera de los dos Capa 2 o Capa 3, la arquitectura spine-leaf permite la adición de enlaces ascendentes al switch spine. Esta expansión del ancho de banda entre capas reduce la sobresuscripción, garantizando la estabilidad de la red.

Escalabilidad

La arquitectura spine-leaf incorpora múltiples enlaces capaces de gestionar el aumento del tráfico. Añadir switches a la arquitectura no solo mejora la escalabilidad, sino que también facilita la expansión de las empresas. Esta característica de escalabilidad posiciona a las empresas para ampliar sus operaciones en el futuro sin problemas.

Arquitectura Spine-leaf frente a arquitectura tradicional: tres niveles 

La diferenciación clave entre la arquitectura spine-leaf y la arquitectura de 3 niveles radica en el número de capas de red y la orientación del flujo de tráfico—ya sea norte-sur o este-oeste.

En la arquitectura de red convencional de tres niveles, ilustrada a continuación, hay tres capas—núcleo, agregación y acceso—. Los switches de acceso se conectan a servidores y dispositivos de almacenamiento; la capa de agregación consolida el tráfico de la capa de acceso y ofrece conexiones redundantes, mientras que la capa central gestiona la transmisión de red. Sin embargo, esta estructura de tres capas está diseñada principalmente para el tráfico norte-sur y se basa en el Spanning Tree Protocol (STP), admitiendo un máximo de 100 switches. Este diseño puede provocar potencialmente bloqueo de puertos y escalabilidad limitada debido a una explosión de datos de red.

Mientras que la arquitectura spine-leaf logra el paralelismo del tráfico este-oeste como una adición a la arquitectura de red norte-sur del backbone para eliminar el problema de cuello de botella que se encuentra en el enfoque tradicional de red de tres niveles. Aumenta la capa de intercambio debajo de la capa de acceso, lo que permite la transmisión directa de datos entre dos nodos en este nivel, evitando así el problema de cuello de botella en la transmisión de la red backbone. A diferencia de la configuración tradicional de tres niveles, la arquitectura spine-leaf establece una conexión a través del spine con un solo salto entre leaves, minimizando la latencia y los cuellos de botella. Es importante destacar que, en las arquitecturas spine-leaf, la configuración del switch permanece fija, eliminando la necesidad de cambios de red en entornos de servidores dinámicos.

¿Cómo diseñar una arquitectura spine-leaf?

Al diseñar una arquitectura spine-leaf, debe asegurarse de que se hayan tenido en cuenta consideraciones críticas y dos de las consideraciones más apremiantes son la tasa de sobresuscripción y el tamaño del switch spine . A continuación también se incluye un ejemplo detallado como referencia.

Tasa de sobresuscripción

La tasa de sobresuscripción indica la tasa de contención cuando todos los dispositivos transmiten tráfico simultáneamente. Esta métrica se evalúa en las direcciones norte/sur (tráfico de entrada/salida del centro de datos) y este/oeste (tráfico entre dispositivos dentro del centro de datos). Para las arquitecturas de red contemporáneas, la relación de sobresuscripción ideal es de 3:1 o inferior. Esta relación, expresada como el ancho de banda ascendente (hacia los switches troncales) frente a la capacidad descendente (hacia servidores/almacenamiento), garantiza un rendimiento óptimo. Por ejemplo, si un switch leaf cuenta con 48 puertos de 10G (con un total de 480Gb/s) y 4 puertos uplink de 40G conectados a un switch spine de 40G (con 160Gb/s de capacidad uplink), la relación es de 3:1. Es fundamental garantizar que las velocidades uplink superen constantemente las velocidades downlink para evitar el bloqueo de enlaces de puerto.

Dimensionamiento de Leaf y Spine

En la topología, la cantidad de switches spine depende de la densidad de puertos del switch backbone. Al mismo tiempo, el número de switches spine está determinado por factores como el rendimiento requerido entre switches leaf, la cantidad de rutas redundantes/ECMP (multipath equivalente) y sus respectivas densidades de puertos. En consecuencia, considerar minuciosamente el número de switches spine-leaf y su densidad de puertos es esencial para evitar posibles problemas de red.

Diseño de Capa 2 o Capa 3

Un diseño de red spine-leaf de dos niveles puede implementarse ya sea en la Capa 2 (con configuración de VLAN) o en la Capa 3 (utilizando subredes). Estas técnicas de Capa 2 enfatizan la máxima flexibilidad: las VLAN pueden extenderse a través de múltiples segmentos, y las direcciones MAC pueden migrarse fácilmente. Al mismo tiempo, los diseños de Capa 3 tienden a favorecer tiempos de convergencia muy rápidos y una escalabilidad mucho mayor, incluido el soporte ECMP de fan-out para hasta 32 o más switches spine activos.

En consecuencia, al considerar estos factores, podemos construir una arquitectura spine-leaf que no solo tenga un rendimiento notable, sea escalable, y satisfaga el requisito particular de una red de centro de datos, sino que también sea buena en la práctica.

Construya una arquitectura Spine-leaf con switches Spine-leaf

Después de comprender estos principios y conocimientos, construiremos una arquitectura de switches spine-leaf. Esta nueva arquitectura spine-leaf tiene como objetivo crear una nueva estructura de red de servidores de alta densidad. Aquí presentamos un ejemplo práctico.

Para el conmutador spine, optamos por el S7600-32C, equipado con puertos 100G, mientras que el conmutador leaf está representado por el S7600-48Y8C, con puertos 100G/25G. Esta configuración garantiza un ancho de banda de enlace ascendente de 100G y un ancho de banda de enlace descendente de 25G. Durante toda la transmisión del enlace, los switches admiten MLAG, VXLAN o EVPN-VXLAN, y varias tecnologías virtuales relacionadas de forma simultánea, lo que garantiza una sólida fiabilidad estructural.

Conclusión: ¿Cómo elegir los switches spine-leaf adecuados?

Comprenda las capacidades de rendimiento de los switches spine y leaf en aspectos como la densidad de puertos, la tecnología de virtualización, la redundancia de hardware , etc. Luego, personalice la elección del switch según las necesidades exactas de la implementación para completar la arquitectura de red. No podemos ignorar QSFPTEK switches de la serie S7600 que admiten un sistema completo de software de virtualización. El uso de estos switches permite aumentar el rendimiento de la red y acelerar la implementación para alcanzar sus objetivos de red.