معماری Spine-leaf چیست و چگونه آن را طراحی کنیم؟

با رشد تصاعدی سرورها و گسترش لایه سوئیچینگ مرکز داده، معماری Spine-leaf به عنوان یک مدل مطلوب به تدریج جایگزین معماری سنتی سه لایه می‌شود. چقدر در مورد معماری Spine-leaf و جزییات آن می‌دانید؟ چقدر با طراحی یک مدل بر مبنای معماری Spine-leaf آشنا هستید؟ در این مطلب توضیح خواهیم داد که معماری Spine-leaf چیست و چگونه می‌توان آن را طراحی کرد.

معماری Spine-leaf چیست؟

معماری Spine-leaf تنها از دو لایه سوئیچ تشکیل شده است: سوئیچ‌های spine و سوئیچ‌های leaf. لایه spine شامل سوئیچ‌هایی است که مسیریابی را انجام می‌دهند و به عنوان هسته شبکه کار می‌کنند. لایه leaf شامل سوئیچ‌های دسترسی است که به سرورها، دستگاه‌های ذخیره‌سازی و سایر کاربران نهایی متصل می‌شوند. این ساختار به شبکه‌های مرکز داده کمک می‌کند تا تعداد پرش‌ها و تأخیر شبکه را کاهش دهند. در معماری Spine-leaf، هر سوئیچ leaf به هر سوئیچ spine متصل می‌شود. با این طراحی، هر سروری می‌تواند با هر سرور دیگری ارتباط برقرار کند و بین هر دو سوئیچ leaf بیش از یک مسیر سوئیچ متصل به هم وجود ندارد.

چرا باید از معماری Spine-leaf استفاده کنیم؟

معماری spine-leaf به یک معماری مرسوم مرکز داده تبدیل شده است که مزایای زیادی مانند مقیاس پذیری، عملکرد بهتر شبکه و غیره را برای مرکز داده به ارمغان می‌آورد. مزایای معماری spine-leaf در شبکه‌های مدرن در اینجا در سه نکته خلاصه می‌شود.

• افزایش افزونگی: معماری spine-leaf سرورها را به شبکه اصلی متصل می‌کند و در مراکز داده در مقیاس فوق‌العاده، انعطاف‌پذیری بالاتری دارد. در این حالت، سوئیچ leaf می‌تواند به عنوان پلی بین سرور و شبکه اصلی مستقر شود. هر سوئیچ leaf به همه سوئیچ‌های spine متصل می‌شود، که یک fabric بزرگ غیر مسدود کننده ایجاد می‌کند، سطح افزونگی را افزایش می‌دهد و گلوگاه‌های ترافیکی را کاهش می‌دهد.
• بهبود عملکرد: معماری Spine-leaf می‌تواند با اعمال پروتکل‌ها یا تکنیک‌هایی مانند اتصال شفاف چند لینک (TRILL) و کوتاه‌ترین مسیر (SPB) از تراکم ترافیک جلوگیری کند. معماری spine-leaf می‌تواند لایه ۲ یا لایه ۳ باشد، بنابراین می‌توان uplinkها را به سوئیچ spine اضافه کرد تا پهنای باند بین لایه‌ها را افزایش و اشتراک بیش از حد را کاهش دهد تا پایداری شبکه تضمین شود.
• مقیاس پذیری: معماری Spine-leaf دارای پیوندهای متعددی است که می‌توانند ترافیک را حمل کنند. افزودن سوئیچ‌ها مقیاس پذیری را بهبود می‌بخشد و به شرکت‌ها کمک می‌کند تا بعدا تجارت خود را گسترش دهند.

Spine-leaf در مقابل معماری سنتی سه لایه

تفاوت اصلی بین معماری Spine-leaf و معماری سه لایه در تعداد لایه‌های شبکه نهفته است و ترافیک تبدیلی آن‌هاست که  ترافیک north-south یا east-west است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، معماری سنتی شبکه سه لایه از سه لایه تشکیل شده است: هسته (core)، تجمع (aggregation) و دسترسی (access). سوئیچ‌های دسترسی به سرورها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی متصل هستند، لایه تجمع ترافیک لایه دسترسی را جمع‌آوری می‌کند، اتصالات افزونگی را در لایه دسترسی فراهم می‌کند و لایه هسته امکان ارسال ترافیک شبکه را فراهم می‌کند. اما این توپولوژی سه لایه معمولا برای ترافیک north-south طراحی می‌شود و از پروتکل STP استفاده می‌کند که تا ۱۰۰ سوئیچ را پشتیبانی می‌کند. در صورت گسترش مداوم داده‌های شبکه، این امر به ناچار منجر به مسدود شدن پورت و محدودیت در مقیاس پذیری می‌شود.

معماری Spine-leaf برای اضافه کردن همسان ترافیک east-west به ترافیک north-south در معماری شبکه backbone است و اساسا مشکل گلوگاه معماری شبکه سه لایه سنتی را حل می‌کند. این کار لایه تبادل را در زیر لایه دسترسی افزایش می‌دهد و انتقال داده بین دو گره مستقیما در این لایه تکمیل می‌شود و در نتیجه انتقال backbone را منحرف می‌کند. در مقایسه با معماری سنتی سه لایه، معماری Spine-leaf با یک پرش بین leafها، اتصالی را از طریق spine ایجاد می‌کند و هر گونه تاخیر و تنگنا را به حداقل می‌رساند. در معماری‌های spine-leaf، پیکربندی سوئیچ ثابت است به طوری که برای یک محیط سرور پویا نیازی به تغییر شبکه نیست.

چگونه معماری Spine-leaf طراحی کنیم؟

قبل از طراحی معماری Spine-leaf، باید برخی از ملاحظات مهم و مرتبط، به ویژه نرخ اشتراک بیش از حد و تعداد سوئیچ spine را در نظر بگیرید. در ادامه به توضیح ملاحظات مربوط به طراحی معماری spine-leaf می‌پردازیم.

ملاحظات طراحی معماری Spine-leaf

نرخ اشتراک بیش از حد: این نرخ اختلاف زمانی است که همه دستگاه‌ها همزمان ترافیک ارسال می‌کنند. می‌توان آن را در جهت north/south (ترافیک ورودی/خروجی از مرکز داده) و در جهت east/west (ترافیک بین دستگاه‌ها در مرکز داده) اندازه گیری کرد. مناسب‌ترین نسبت اضافه اشتراک برای معماری‌های شبکه مدرن ۳:۱ یا کمتر است که به عنوان نسبتی بین پهنای باند بالادستی (به سوئیچ‌های backbone) و ظرفیت پایین دستی (به سرورها/ذخیره سازی) اندازه‌گیری و مشخص می‌شود.

به عنوان مثال، یک سوئیچ leaf دارای ۴۸ درگاه ۱۰G برای مجموع ظرفیت پورت ۴۸۰ گیگابیتی است. اگر ۴ پورت uplink ۴۰ گیگابیتی را از هر سوئیچ leaf به یک سوئیچ ۴۰ گیگابیتی وصل کنید، ظرفیت uplink برابر با ۱۶۰ گیگابیت بر ثانیه خواهد داشت. نسبت ۴۸۰:۱۶۰ یا ۳:۱ است. با این حال، لینک‌های مرکز داده معمولا ۴۰G یا ۱۰۰G هستند و می‌توانند در طول زمان از نقطه شروع که ۴۰G است به ۱۰۰G تغییر کنند. توجه به این نکته مهم است که uplink همیشه باید سریعتر از downlink باشد تا لینک پورت مسدود نشود.

اندازه Spine-leaf: حداکثر تعداد سوئیچ‌های leaf در توپولوژی توسط تراکم پورت سوئیچ‌های spine تعیین می‌شود و تعداد سوئیچ‌های spine با ترکیبی از توان عملیاتی مورد نیاز بین سوئیچ‌های leaf، تعداد مسیرهای اضافی  یا ECMP و چگالی پورت آن‌ها کنترل می‌شود. بنابراین برای جلوگیری از مشکلات شبکه، باید تعداد سوئیچ‌های spine-leaf و تراکم پورت در نظر گرفته شود.

طرح لایه ۲ یا لایه ۳: یک fabric دولایه spine-leaf را می‌توان در لایه ۲ (با پیکربندی VLANها) یا لایه ۳ (زیر شبکه) ساخت. طرح‌های لایه ۲ باید حداکثر انعطاف‌پذیری را ارائه دهند و به VLAN‌ها اجازه می‌دهند تا در هر جایی گسترش یابند و آدرس‌های MAC به هر کجا مهاجرت کنند. طرح‌های لایه ۳ باید سریع‌ترین زمان‌های همگرایی و حداکثر مقیاس را با فن‌آوری ECMP ارائه دهند که تا ۳۲ یا بیشتر سوئیچ spine فعال را پشتیبانی می‌کند.

مقاله پیشنهادی “مسیریابی north/south NSX-T EVPN با fabric Datacenter مبتنی بر NX-OS EVPN”

چگونه می‌توان سوئیچ‌های Spine-leaf را برای معماری Spine-leaf مستقر کرد؟

با در نظر گرفتن این نکات و با توجه به نیاز مبرم به ساخت مرکز داده، هدف اصلی داشتن حداقل سرورهای ۴۸۰X10G در معماری است. در اینجا مثالی آورده‌ایم تا به شما در تکمیل سریع طراحی معماری Spine-leaf کمک کنیم.

ما از NC8200-4TD که پورت‌های ۴۰G را ارائه می‌کند، به عنوان سوئیچ spine و N5850-48S6Q که پورت‌های ۴۰G/10G را ارائه می‌دهد، به عنوان سوئیچ leaf استفاده می‌کنیم. به این ترتیب پهنای باند Uplink  برابر با ۴۰G و پهنای باند downlink برابر با ۱۰G است. با این حال، از آنجایی که نسبت پهنای باند معقول بین spine و leaf نمی تواند از ۳:۱ تجاوز کند، هر سوئیچ leaf می‌تواند تا ۲۴ سرور ۱۰G را در اینجا متصل کند. کل پهنای باندی که در اینجا می‌توانیم بدست آوریم ۴۸۰X10G است. در مجموع انتقال لینک، سوئیچ از PFC، MLAG، VXLAN، یا EVPN-VXLAN و سایر فناوری‌های مجازی مرتبط به طور همزمان پشتیبانی می‌کند که برای دستیابی به قابلیت اطمینان ساختاری کافی است.

توصیه سوئیچ‌های Spine-leaf مرکز داده

ابتدا باید ویژگی‌های عملکردی سوئیچ‌های spine و leaf مانند تراکم پورت، فناوری مجازی‌سازی، سخت‌افزار اضافی و غیره را بدانید. سپس سوئیچ‌های مناسب را بسته به نیازهای استقرار خود برای تکمیل معماری شبکه انتخاب کنید. سوئیچ‌های مرکز داده سری FS N مجهز به یک سیستم نرم افزار مجازی سازی کامل هستند تا به شما در دستیابی به عملکرد شبکه بالاتر و استقرار سریع کمک کنند.

منبع