スパイン・リーフアーキテクチャとは何ですか？どのように機能しますか？

ここ数年、サーバーが急速に普及し、データセンターのスイッチング層が複数の階層で構成されるようになる中、Spine-Leafアーキテクチャは、水平スケーリングと可用性の面での優位性から、既存の3層アーキテクチャに代わる主要なアーキテクチャになりつつあります。spine-leaf アーキテクチャについて知りたいですか？では、どのように 構築すればよいのでしょうか？spine-leafアーキテクチャの概念をわかりやすく解説し、その設計と実装に関する知見を提供する本ガイドをご覧ください。

スパイン・リーフアーキテクチャとは？

スパインリーフアーキテクチャは、スパインスイッチとリーフスイッチという2層のスイッチのみで構成されています。ネットワークコアとして機能するスパイン層は、ルーティング機能を担います。一方、リーフ層には、サーバー、ストレージユニット、 エンドユーザーを接続するアクセススイッチが含まれます。このトポロジーはホップ数を減らし、データ センターネットワークにおけるネットワーク遅延を低減します。

スパインリーフアーキテクチャ では、各リーフスイッチが各スパインスイッチに接続されます。この設計により、どのサーバーも他の任意のサーバーと通信でき、任意の2つのリーフスイッチ間に存在する相互接続スイッチ経路は1つ以下になります。

なぜスパイン・リーフアーキテクチャが必要なのですか？

現在データセンターで広く採用されているスパイン・リーフアーキテクチャには、拡張性やネットワーク性能の向上など、多くのメリットがあります。以下では、スパイン・リーフアーキテクチャの3つの利点について説明します。

冗長性の向上

スパイン・リーフアーキテクチャは、サーバーとコアネットワーク間の堅牢な接続を確立し、ハイパースケールデータセンターにおける柔軟性を高めます。リーフスイッチをサーバーとコアネットワーク間のブリッジとして導入することで、各リーフスイッチがすべてのスパインスイッチに接続され、大規模なノンブロッキングファブリックが形成されます。この構成により冗長性が大幅に向上し、トラフィックのボトルネックが最小限に抑えられます。

パフォーマンス向上

スパイン・リーフアーキテクチャは、TRILLやSPBなどのプロトコルおよび手法を採用することで、トラフィックの輻輳を効率的に緩和します。いずれかで動作できる柔軟性を備えています レイヤー2 またはレイヤー3では、スパイン・リーフアーキテクチャにより、スパインスイッチへのアップリンクを追加できます。このレイヤー間帯域幅の拡張によりオーバーサブスクリプションが軽減され、ネットワークの安定性が確保されます。

拡張性

スパイン・リーフアーキテクチャには、増加するトラフィックを処理できる複数のリンクが組み込まれています。アーキテクチャにスイッチを追加すると、拡張性が向上するだけでなく、企業の事業拡大も容易になります。この拡張性により、企業は将来的に業務をシームレスに拡大できます。

Spine-leafアーキテクチャと従来型アーキテクチャの比較：3層 

スパインリーフアーキテクチャと3層アーキテクチャの主な違いは、ネットワーク層の数とトラフィックフローの方向—それが南北方向か東西方向か—に根ざしています。

以下に示す従来の3層ネットワークアーキテクチャには、コア、アグリゲーション、アクセス—の3つの層があります。アクセススイッチはサーバーやストレージデバイスに接続され、アグリゲーション層はアクセス層のトラフィックを集約して冗長接続を提供し、コア層はネットワーク伝送を処理します。ただし、この3層構造は主に南北方向のトラフィック向けに設計されており、Spanning Tree Protocol (STP) に依存し、最大100台のスイッチをサポートします。この設計では、ネットワークデータの爆発的な増加により ポートのブロッキングや拡張性の制限が発生する可能性があります。

一方、スパインリーフアーキテクチャは、従来の3階層ネットワーク方式で見られるボトルネック問題を解消するため、バックボーンの南北方向ネットワークアーキテクチャに加えて東西方向トラフィックの並列処理を実現します。アクセス層の下に交換層を追加することで、このレベルにある2つのノード間でデータを直接伝送できるようになり、バックボーンネットワーク伝送のボトルネック問題を回避します。従来の3階層構成とは異なり、スパインリーフアーキテクチャでは、リーフ間をスパイン経由の1ホップで接続し、遅延とボトルネックを最小限に抑えます。重要な点として、スパインリーフアーキテクチャではスイッチ構成が固定されるため、動的なサーバー環境でもネットワークを変更する必要がありません。

Spine-leafアーキテクチャを設計する方法は？

スパインリーフアーキテクチャを設計する際は、重要な検討事項が考慮されていることを確認する必要があり、 特に差し迫った2つの検討事項は、オーバーサブスクリプション率とスパインスイッチのサイズです。参考として、詳細な例も 以下に記載しています。

オーバーサブスクリプション率

オーバーサブスクリプション率は、すべてのデバイスが同時にトラフィックを送信する際の競合率を示します。この指標は、ノース／サウス方向（データセンターに出入りするトラフィック）とイースト／ウェスト方向（データセンター内のデバイス間トラフィック）で評価されます。現代のネットワークアーキテクチャでは、理想的なオーバーサブスクリプション比は3:1以下です。この比率は、アップストリーム帯域幅（バックボーンスイッチ向け）とダウンストリーム容量（サーバー／ストレージ向け）の比として表され、最適なパフォーマンスを確保します。たとえば、リーフスイッチに48 x 10Gポート（合計480Gb/s）と、40Gスパインスイッチに接続された4 x 40Gアップリンクポート（アップリンク容量160Gb/s）が備わっている場合、その比率は3:1です。ポートリンクの輻輳を防ぐため、アップリンク速度が常にダウンリンク速度を上回るようにすることが重要です。

リーフおよびスパインのサイジング

トポロジーにおけるスパインスイッチの台数は、バックボーンスイッチのポート密度に依存します。同時に、スパインスイッチの台数は、リーフスイッチ間で必要とされるスループット、冗長/ECMP（等コストマルチパス）経路の数、および各スイッチのポート密度などの要因によって決まります。したがって、潜在的なネットワーク問題を回避するには、スパイン・リーフスイッチの台数とポート密度を慎重に検討することが不可欠です。

Layer 2またはLayer 3設計

2層のスパイン・リーフ型ファブリック設計は、Layer 2（VLAN構成を伴う）またはLayer 3（サブネット化を利用する）のいずれでも実装できます。これらのLayer 2技術は最大限の柔軟性を重視しています。VLANは複数のセグメントにまたがって 拡張でき、MACアドレスも容易に移行できます。同時に、Layer 3設計では非常に高速な コンバージェンス時間と大規模なスケーリングが優先される傾向があり、最大32台以上のアクティブなスパインスイッチに対応するファンアウトECMPサポートも含まれます。

したがって、これらの要素を考慮することで、優れた性能と拡張性を備え、 データセンターネットワーク固有の要件を満たすだけでなく、実用面でも優れたスパイン・リーフアーキテクチャを構築できます！

Spine-leafスイッチでSpine-leafアーキテクチャを構築

これらの原理と知識を理解した後、スパイン・リーフ型スイッチアーキテクチャを構築します。この新しいスパイン・リーフ型アーキテクチャは、新たな高密度サーバーネットワーク構造の構築を目的としています。ここでは、実用的な例を紹介します。

スパインスイッチには100Gポートを搭載したS7600-32Cを採用し、リーフスイッチには S7600-48Y8C, 100G/25Gポートを搭載しています。この構成により、100Gのアップリンク帯域幅と25Gのダウンリンク帯域幅が確保されます。リンク伝送全体を通じて、スイッチはMLAG、VXLAN、EVPN-VXLAN、および関連するさまざまな仮想化技術を同時にサポートし、堅牢な構造的信頼性を確保します。

結論：適切なSpine-Leafスイッチを選ぶには？

ポート密度、仮想化技術、ハードウェア 冗長性などの側面について、スパインおよびリーフスイッチのパフォーマンス能力を理解します。そのうえで、導入環境の正確なニーズに応じて スイッチの選択をカスタマイズし、ネットワークアーキテクチャを完成させます。QSFPTEKを無視することはできません S7600シリーズスイッチ 完全な仮想化ソフトウェア システムをサポートします。これらのスイッチを活用することで、ネットワーク性能が向上し、ネットワーク目標の 達成に向けた導入を迅速化できます。