Che cos'è l'architettura Spine-Leaf e come funziona?

Negli ultimi anni, con la rapida proliferazione dei server e con il livello di switching dei data center composto da più livelli, l'architettura Spine-Leaf sta iniziando a sfidare l'attuale architettura a tre livelli come architettura leader, grazie ai suoi vantaggi in termini di scalabilità orizzontale e disponibilità. Vuoi saperne di più sull'architettura spine-leaf ? Allora, come se ne costruisce una? Approfondisci la nostra guida, in cui demistifichiamo il concetto di architettura spine-leaf e forniamo approfondimenti sulla sua progettazione e implementazione.

Che cos'è l'architettura spine-leaf?

L'architettura spine-leaf comprende solo due livelli di switch: switch spine e leaf. Il livello spine, che funge da nucleo della rete, svolge funzioni di routing. Il livello leaf, invece, include switch di accesso che collegano server, unità di storage, e utenti finali. Questa topologia riduce il numero di hop e riduce la latenza di rete nelle reti dei data center.

Nell architettura spine-leaf, ogni switch leaf si collega a ogni switch spine. Questo design garantisce che qualsiasi server possa comunicare con qualsiasi altro server e che tra due switch leaf qualsiasi non esista più di un percorso di switch interconnesso.

Perché è necessaria un'architettura spine-leaf?

L'architettura spine-leaf, ora ampiamente adottata nei data center, offre molti vantaggi, tra cui scalabilità e prestazioni di rete migliorate. Di seguito sono illustrati tre vantaggi dell'architettura spine-leaf.

Ridondanza aumentata

L'architettura spine-leaf stabilisce una connessione robusta tra i server e la rete core, offrendo maggiore flessibilità nei data center iperscalabili. Implementando lo switch leaf come ponte tra i server e la rete core, ogni switch leaf si collega a tutti gli switch spine, formando un fabric non bloccante di grandi dimensioni. Questa configurazione migliora significativamente la ridondanza, riducendo al minimo i colli di bottiglia del traffico.

Miglioramento delle prestazioni

L'architettura spine-leaf allevia efficacemente la congestione del traffico attraverso l'adozione di protocolli e metodologie come TRILL e SPB. Con la flessibilità di operare a Layer 2 o Layer 3, l'architettura spine-leaf consente l'aggiunta di uplink allo switch spine. Questa espansione della larghezza di banda tra i layer riduce l'oversubscription, garantendo la stabilità della rete.

Scalabilità

L'architettura spine-leaf incorpora più collegamenti in grado di gestire un traffico maggiore. L'aggiunta di switch all'architettura non solo migliora la scalabilità, ma facilita anche l'espansione delle imprese. Questa caratteristica di scalabilità consente alle aziende di espandere le proprie operazioni in futuro senza interruzioni.

Architettura spine-leaf vs architettura tradizionale: a tre livelli 

La differenza chiave tra l'architettura spine-leaf e l'architettura a 3 livelli è radicata nel numero di livelli di rete e nell'orientamento del flusso di traffico—che sia nord-sud o est-ovest.

Nell'architettura di rete convenzionale a tre livelli, illustrata di seguito, sono presenti tre livelli—core, aggregazione e accesso—. Gli switch di accesso si collegano a server e dispositivi di storage; il livello di aggregazione consolida il traffico del livello di accesso e offre connessioni ridondanti, mentre il livello core gestisce la trasmissione di rete. Tuttavia, questa struttura a tre livelli è progettata principalmente per il traffico nord-sud e si basa sul protocollo Spanning Tree (STP), supportando un massimo di 100 switch. Questo design può potenzialmente causare il blocco delle porte e una scalabilità limitata a causa di un'esplosione dei dati di rete.

Mentre l'architettura spine-leaf ottiene il parallelismo del traffico est-ovest come aggiunta all'architettura di rete nord-sud del backbone, al fine di eliminare il problema dei colli di bottiglia presente nell'approccio tradizionale alla rete a tre livelli. Potenzia il livello di scambio sotto il livello di accesso, consentendo la trasmissione diretta dei dati tra due nodi a questo livello, aggirando così il problema dei colli di bottiglia nella trasmissione della rete backbone. A differenza della configurazione tradizionale a tre livelli, l'architettura spine-leaf stabilisce una connessione attraverso lo spine con un singolo hop tra le leaf, riducendo al minimo latenza e colli di bottiglia. È importante notare che, nelle architetture spine-leaf, la configurazione degli switch rimane fissa, eliminando la necessità di modifiche alla rete in ambienti server dinamici.

Come progettare un'architettura spine-leaf?

Quando si progetta un'architettura spine-leaf, è necessario assicurarsi che siano state fatte considerazioni critiche e due delle considerazioni più urgenti sono il tasso di oversubscription e la dimensione dello switch spine . Di seguito è incluso anche un esempio dettagliato come riferimento.

Tasso di oversubscription

Il tasso di oversubscription indica il tasso di contesa quando tutti i dispositivi trasmettono traffico simultaneamente. Questa metrica viene valutata nelle direzioni nord/sud (traffico di ingresso/uscita del data center) ed est/ovest (traffico tra dispositivi all'interno del data center). Per le architetture di rete contemporanee, il rapporto di oversubscription ideale è 3:1 o inferiore. Questo rapporto, espresso come larghezza di banda upstream (verso gli switch backbone) rispetto alla capacità downstream (verso server/storage), garantisce prestazioni ottimali. Ad esempio, se uno switch leaf dispone di 48 porte da 10G (per un totale di 480Gb/s) e 4 porte uplink da 40G collegate a uno switch spine 40G (con una capacità uplink di 160Gb/s), il rapporto è 3:1. È fondamentale garantire che le velocità uplink superino costantemente le velocità downlink per prevenire il blocco dei link delle porte.

Dimensionamento Leaf e Spine

Nella topologia, il numero di spine switch dipende dalla densità di porte dello switch backbone. Allo stesso tempo, il numero di spine switch è determinato da fattori quali il throughput richiesto tra gli switch leaf, la quantità di percorsi ridondanti/ECMP (equal-cost multipath) e le rispettive densità di porte. Di conseguenza, considerare meticolosamente il numero di switch spine-leaf e la loro densità di porte è essenziale per evitare potenziali problemi di rete.

Progettazione Layer 2 o Layer 3

Un design fabric spine-leaf a due livelli può essere implementato al Layer 2 (che prevede la configurazione VLAN) o al Layer 3 (utilizzando il subnetting). Queste tecniche Layer 2 enfatizzano la massima flessibilità: le VLAN possono essere estese su più segmenti e gli indirizzi MAC possono essere migrati facilmente. Allo stesso tempo, i design Layer 3 tendono a favorire tempi di convergenza molto rapidi e una scalabilità molto maggiore, incluso il supporto ECMP fan-out per un massimo di 32 o più switch spine attivi.

Di conseguenza, considerando questi fattori, possiamo costruire un'architettura spine-leaf che non solo offrirà prestazioni notevoli, sarà scalabile, e soddisferà i requisiti specifici di una rete di data center, ma sarà anche valida nella pratica!

Costruire un'architettura spine-leaf con switch spine-leaf

Dopo aver compreso questi principi e conoscenze, realizzeremo un'architettura di switch spine-leaf. Questa nuova architettura spine-leaf mira a creare una nuova struttura di rete server ad alta densità. Qui presentiamo un esempio pratico.

Per lo switch spine, optiamo per il S7600-32C, dotato di porte 100G, mentre lo switch leaf è rappresentato dal S7600-48Y8C, dotata di porte 100G/25G. Questa configurazione garantisce una larghezza di banda uplink di 100G e una larghezza di banda downlink di 25G. Durante l'intera trasmissione del collegamento, gli switch supportano contemporaneamente MLAG, VXLAN o EVPN-VXLAN e varie tecnologie virtuali correlate, garantendo una solida affidabilità strutturale.

Conclusione: come scegliere gli switch spine-leaf giusti?

Comprendere le capacità prestazionali degli switch spine e leaf per aspetti quali densità di porte, tecnologia di virtualizzazione, ridondanza hardware, ecc. Quindi, personalizzare la scelta dello switch in base alle esigenze esatte dell'implementazione per completare l'architettura di rete. Non possiamo ignorare QSFPTEK switch della serie S7600 che supportano un sistema software di virtualizzazione completo. L'utilizzo di questi switch consente di aumentare le prestazioni della rete e di accelerare l'implementazione per raggiungere i tuoi obiettivi di networking.