O que é a arquitetura Spine-Leaf e como ela funciona?

Nos últimos anos, com a rápida proliferação de servidores e com a camada de comutação do data center composta por várias camadas, a arquitetura Spine-Leaf está começando a enfrentar a arquitetura existente de três camadas como a arquitetura líder, devido às suas vantagens de escalabilidade horizontal e disponibilidade. Quer saber sobre a arquitetura spine-leaf ? Então, como você cria uma? Aprofunde-se em nosso guia, onde desmistificamos o conceito de arquitetura spine-leaf e fornecemos insights sobre seu projeto e implementação.

O que é arquitetura Spine-leaf?

A arquitetura spine-leaf compreende apenas duas camadas de switches: switches spine e leaf. A camada spine, que serve como núcleo da rede, realiza funções de roteamento. A camada leaf, por outro lado, inclui switches de acesso que conectam servidores, unidades de armazenamento, e usuários finais. Essa topologia reduz a contagem de saltos e reduz a latência da rede em redes de data center.

Na arquitetura spine-leaf, cada switch leaf se conecta a cada switch spine. Esse projeto garante que qualquer servidor possa se comunicar com qualquer outro servidor e, entre quaisquer dois switches leaf, não exista mais de um caminho de switch interconectado.

Por que você precisa de uma arquitetura Spine-leaf?

A arquitetura spine-leaf, agora amplamente adotada em data centers, traz muitos benefícios, incluindo escalabilidade e desempenho de rede aprimorado. Três vantagens da arquitetura spine-leaf são descritas abaixo.

Redundância aumentada

A arquitetura spine-leaf estabelece uma conexão robusta entre os servidores e a rede central, oferecendo maior flexibilidade em data centers de hiperescala. Ao implantar o switch leaf como uma ponte entre os servidores e a rede central, cada switch leaf se conecta a todos os switches spine, formando uma malha considerável sem bloqueio. Essa configuração aumenta significativamente a redundância, minimizando gargalos de tráfego.

Aprimoramento de desempenho

A arquitetura spine-leaf alivia eficientemente o congestionamento de tráfego por meio da adoção de protocolos e metodologias como TRILL e SPB. Com a flexibilidade para operar em qualquer Camada 2 ou Camada 3, a arquitetura spine-leaf permite a adição de uplinks ao switch spine. Essa expansão da largura de banda entre camadas reduz a sobresubscription, garantindo a estabilidade da rede.

Escalabilidade

A arquitetura spine-leaf incorpora vários links capazes de lidar com o aumento do tráfego. A adição de switches à arquitetura não apenas melhora a escalabilidade, mas também facilita a expansão das empresas. Esse recurso de escalabilidade posiciona as empresas para expandir suas operações no futuro de forma contínua.

Arquitetura Spine-leaf vs Arquitetura Tradicional: Três Camadas 

A principal diferenciação entre a arquitetura spine-leaf e a arquitetura de 3 camadas está enraizada no número de camadas de rede e na orientação do fluxo de tráfego—seja norte-sul ou leste-oeste.

Na arquitetura de rede convencional de três camadas, ilustrada abaixo, três camadas—núcleo, agregação e acesso—estão presentes. Os switches de acesso se conectam a servidores e dispositivos de armazenamento; a camada de agregação consolida o tráfego da camada de acesso e oferece conexões redundantes, enquanto a camada de núcleo lida com a transmissão de rede. No entanto, essa estrutura de três camadas foi projetada principalmente para tráfego norte-sul e depende do Spanning Tree Protocol (STP), suportando no máximo 100 switches. Esse projeto pode potencialmente resultar em bloqueio de portas e escalabilidade limitada devido a uma explosão nos dados da rede.

Enquanto a arquitetura spine-leaf alcança paralelismo de tráfego leste-oeste como um acréscimo à arquitetura de rede norte-sul do backbone, a fim de eliminar o problema de gargalo encontrado na abordagem tradicional de rede de três camadas. Ela amplia a camada de agregação abaixo da camada de acesso, permitindo a transmissão direta de dados entre dois nós nesse nível, contornando assim o problema de gargalo na transmissão da rede backbone. Diferentemente da configuração tradicional de três camadas, a arquitetura spine-leaf estabelece uma conexão por meio do spine com um único salto entre leaves, minimizando a latência e os gargalos. É importante destacar que, em arquiteturas spine-leaf, a configuração dos switches permanece fixa, eliminando a necessidade de alterações na rede em ambientes dinâmicos de servidores.

Como projetar uma arquitetura spine-leaf?

Ao projetar uma arquitetura spine-leaf, você precisa garantir que considerações críticas tenham sido feitas e duas das considerações mais urgentes são a taxa de oversubscription e o tamanho do switch spine . Um exemplo detalhado também está incluído abaixo para referência.

Taxa de oversubscription

A taxa de sobresubscrição indica a taxa de contenção quando todos os dispositivos transmitem tráfego simultaneamente. Essa métrica é avaliada nas direções norte/sul (tráfego de entrada/saída do data center) e leste/oeste (tráfego entre dispositivos dentro do data center). Para arquiteturas de rede contemporâneas, a proporção ideal de sobresubscrição é de 3:1 ou menor. Essa proporção, expressa como a largura de banda upstream (para switches de backbone) em comparação com a capacidade downstream (para servidores/armazenamento), garante desempenho ideal. Por exemplo, se um switch leaf possui portas 48 x 10G (totalizando 480Gb/s) e portas de uplink 4 x 40G conectadas a um switch spine 40G (com capacidade de uplink de 160Gb/s), a proporção é de 3:1. É crucial garantir que as velocidades de uplink superem consistentemente as velocidades de downlink para evitar bloqueio do link da porta.

Dimensionamento Leaf e Spine

Na topologia, as contagens de switches spine dependem da densidade de portas do switch de backbone. Ao mesmo tempo, o número de switches spine é determinado por fatores como a taxa de transferência necessária entre switches leaf, a quantidade de caminhos redundantes/ECMP (multipath equivalente) e suas respectivas densidades de portas. Consequentemente, considerar cuidadosamente o número de switches spine-leaf e sua densidade de portas é essencial para evitar possíveis problemas de rede.

Design de Camada 2 ou Camada 3

Um projeto de fabric spine-leaf de duas camadas pode ser implementado na Camada 2 (envolvendo configuração de VLAN) ou na Camada 3 (utilizando subnetting). Essas técnicas de Camada 2 enfatizam a máxima flexibilidade: as VLANs podem ser estendidas por vários segmentos, e os endereços MAC podem ser migrados facilmente. Ao mesmo tempo, os projetos de Camada 3 tendem a favorecer tempos de convergência muito rápidos e uma escala muito maior, incluindo suporte a ECMP fan-out para até 32 ou mais switches spine ativos.

Consequentemente, ao considerar esses fatores, podemos construir uma arquitetura spine-leaf que não apenas terá um desempenho notavelmente bom, será escalável, e atenderá ao requisito específico de uma rede de data center, mas também será boa na prática!

Crie uma arquitetura Spine-leaf com switches Spine-leaf

Após compreender esses princípios e conhecimentos, construiremos uma arquitetura de switches spine-leaf. Essa nova arquitetura spine-leaf tem como objetivo criar uma nova estrutura de rede de servidores de alta densidade. Aqui, apresentamos um exemplo prático.

Para o switch spine, optamos pelo S7600-32C, equipado com portas 100G, enquanto o switch leaf é representado pelo S7600-48Y8C, com portas 100G/25G. Essa configuração garante uma largura de banda de uplink de 100G e uma largura de banda de downlink de 25G. Durante toda a transmissão do link, os switches suportam MLAG, VXLAN ou EVPN-VXLAN, e várias tecnologias virtuais relacionadas simultaneamente, garantindo robusta confiabilidade estrutural.

Conclusão: Como escolher os switches spine-leaf certos?

Entenda os recursos de desempenho dos switches spine e leaf em aspectos como densidade de portas, tecnologia de virtualização, redundância de hardware etc. Em seguida, personalize a escolha do switch de acordo com as necessidades exatas da implantação para completar a arquitetura de rede. Não podemos ignorar a QSFPTEK Switches da série S7600 que oferecem suporte a um sistema completo de software de virtualização . A utilização desses switches permite maior desempenho da rede e uma implantação mais rápida para atingir seus objetivos de rede.