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云宏大讲坛 | 数据中心spine leaf网络架构

云宏大讲坛
2019-08-21 08:33:49

随着业务形态的变化,数据中心网络的交换架构也在不断的发展。传统的三层网络结构应用广泛而且技术成熟,但随着技术的发展趋势,它的瓶颈也不断涌现,导致越来越多的网络工程师放弃这种结构的网络,而spine leaf——叶脊拓扑网络结构,则越来越成为受关注的选择。

 

传统的三层网络架构及问题

 

传统的三层架构“接入-汇聚-核心”,是一种聚合访问模型,对于进出数据中心南北向流量的业务形态非常有效,但也存在一些问题:

 

首先是带宽的浪费。为了避免产生网络环路,生成树协议(STP)会阻止关键的网络链路,这意味着在未发生故障之前最大链路带宽的50%被block(阻塞)掉了。

 

三层网络架构

(图片来自网络)

 

其次是数据路径过长导致的高时延。仍以上图举例,如左侧接入交换机的节点需要与右侧的接入交换机节点通信,通信路径是:接入→汇聚→核心→汇聚→接入。这么长的路径,导致数据流量会产生速度和延迟方面的差异并导致新的问题。如今应用程序的数据流量越来越大,对延迟也越来越敏感。

 

最后是扩展性和成本问题。在此架构下想要构建大规模的网络,将会受限于核心设备的性能和端口密度,企业将面临成本和可扩展性的两难选择。

 

伴随着数据中心合并、虚拟化、超融合和新应用业务形态发展,数据中心内的流量模型从南北向逐渐向数据交换需求倍增的东西向演变。如典型的虚拟化服务器集群、存储集群Scale-Out、网络形态收敛等,纷纷提出了高性能、高可靠、低延迟的网络要求。用户希望采用一种扁平化的架构来提升网络效率,spine leaf叶脊架构由此登上舞台。

 

Spine Leaf是什么

 

Spine Leaf两层设备的扁平化网络架构来源于CLOS网络。CLOS网络模型是贝尔实验室的研究人员Charles Clos提出的,他利用数学理论证明,交换机按层次结构组网来实现高性能、无阻塞的大规模网络是可行的。

 

Spine类似三层架构中的核心交换机,但形态有所变化:高端口密度高吞吐量的三层交换机替代了大型机箱式交换机,网络的压力从集中式负载于核心交换机,变成给许多的spine交换机来均衡分担。

 

Spine Leaf叶脊结构

(图片来自网络)

 

从上图可以看出,任意两台leaf交换机之间的通信路径是一致的:Leaf→Spine→Leaf。每个Leaf交换机都连接到结构中的每个spine交换机。无论服务器连接到哪个leaf交换机,它总是必须跨越相同数量的设备才能到达另一个服务器,除非另一个服务器位于同一个leaf交换机上。因此,穿越Spine/Leaf网络的延迟时间,是可以被控制和预测的。

 

在这个模型中,Leaf交换机保持转发2层和3层的流量。流量可以分布在所有可用的链接上,不用担心过载问题。随着更多的连接被接入到Leaf交换机,那么链路带宽的收敛比将增加,导致网络发生转发阻塞。为了降低链路收敛比,可以通过增加Spine和Leaf设备间的链路带宽来解决。

 

在可靠性方面,因为Spine与Leaf是全交叉连接,任一层中的单交换机故障都不会影响整个网络结构。

 

Spine leaf架构优势

 

扁平化

扁平化设计缩短服务器之间的通信路径,从而降低延迟,可以显著提高应用程序和服务性能。

 

易扩展

如果Spine交换机的带宽不足,我们只需要增加Spine的节点数,也可以提供路径上的负载均衡;接入连接不足,则只需增加leaf节点数。

 

低收敛比

容易实现1:X甚至是无阻塞的1:1的收敛比,而且通过增加Spine和Leaf设备间的链路带宽也可以降低链路收敛比。

 

简化管理

叶脊结构可以在无环路环境中使用全网格中的每个链路并进行负载平衡,这种等价多路径设计在使用SDN等集中式网络管理平台时处于最佳状态。SDN允许在发生堵塞或链路故障时简化流量的配置,管理和重新分配路由,使得智能负载均衡的全网状拓扑成为一个相对简单的配置和管理方式。

 

边缘流量处理

随着物联网(IoT)等业务的兴起,接入层压力剧增,可能有数千个传感器和设备在网络边缘连接并产生大量流量。Leaf可以在接入层处理连接,spine保证节点内的任意两个端口之间提供延迟非常低的无阻塞性能,从而实现从接入到云平台的敏捷服务。

 

多云管理

数据中心或云之间通过spine leaf架构仍可以实现高性能、高容错等优势,而多云管理策略也逐渐成为企业的必选项。


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