Abbiamo utilizzato l’architettura gerarchica a tre livelli di Cisco per più di un decennio, ma nei data center l’architettura a foglia dorsale è oggi più popolare. In questa lezione imparerai l’architettura a foglia dorsale e i suoi vantaggi.
Prima di farlo, è necessario comprendere come si sono evoluti i data center e gli svantaggi dell’architettura gerarchica a tre livelli.
Evoluzione del data center
Cominciamo con una breve lezione di storia di come si è evoluta l’architettura a tre strati nel corso degli anni.
Architettura gerarchica a tre livelli
Ecco una panoramica del modello a tre strati:
Per oltre un decennio abbiamo utilizzato questa architettura con i tre livelli:
- Nucleo
- Distribuzione (aggregazione)
- Accesso
Il livello di accesso è dove colleghiamo i nostri dispositivi finali. In una rete di campus, si tratta di solito di computer, laptop e punti di accesso. In un data center, è qui che si trovano i nostri server. Il livello di distribuzione ha connessioni ridondanti per accedere agli switch del livello e si connette al livello principale. Il livello principale fornisce un trasporto veloce tra gli switch del livello di distribuzione.
Tra il livello di accesso e il livello di distribuzione, utilizziamo L2 e spanning-tree (STP) per bloccare tutti i collegamenti tranne uno . Tra la distribuzione e il livello principale, utilizziamo il routing.
Per una spiegazione dettagliata, puoi dare un’occhiata alla lezione sulla progettazione della rete del campus .
vPC
Per superare i limiti di STP, Cisco ha introdotto i virtual-port-channel (vPC) nel 2010. I vPC offrono uplink attivo-attivo dagli switch del livello di accesso agli switch del livello di distribuzione. I vPC ci consentono di utilizzare tutta la larghezza di banda disponibile.
Topologia L2
Grazie alla virtualizzazione , ora possiamo unire le risorse di elaborazione, rete e archiviazione in un pod in risorse virtuali. Il pool di queste risorse richiede spesso domini L2 di grandi dimensioni che vanno dal livello di accesso fino al livello principale.
Con questi grandi domini L2 che si estendono su tutta la rete, possiamo creare un pool di risorse flessibile e riallocare le risorse dove necessario.
Un esempio sono i nostri server. Prima della virtualizzazione, avevamo server fisici in un singolo pod. Con la virtualizzazione, abbiamo hypervisor in più pod. Una macchina virtuale che viene eseguita su un hypervisor nel pod uno può passare a un hypervisor nel secondo pod senza tempi di inattività. VMotion di VMWare può farlo ma richiede la connettività L2 per farlo.
Un effetto collaterale dell’avere risorse distribuite sulla rete anziché all’interno di un singolo pod è che la quantità di traffico est-ovest aumenta .
Il traffico tra i due server deve attraversare tutti i livelli della nostra rete.
Topologia L3
Un’altra opzione è utilizzare il routing ovunque. I vantaggi di una topologia instradata sono che possiamo utilizzare tutti i collegamenti per l’inoltro e i protocolli di instradamento convergono più velocemente di STP. Se richiediamo la connettività L2 tra server in pod diversi, possiamo utilizzare una rete overlay VXLAN, se necessario.
Vantaggi e svantaggi
L’architettura gerarchica a tre livelli presenta alcuni vantaggi e svantaggi. Diamo un’occhiata.
Vantaggi
Questo modello offre i seguenti vantaggi:
- Disponibilità : quando un pod si interrompe, il problema è generalmente isolato su un pod e non influisce sugli altri pod.
- Sicurezza : usiamo L2 tra i livelli di accesso e distribuzione e L3 tra i livelli di distribuzione e il livello principale. Possiamo filtrare il traffico su L3 in modo da poter decidere quale traffico entra o esce da un pod.
- Scalabilità : quando la rete cresce, possiamo aggiungere facilmente più switch di livello di distribuzione o di accesso.
- Familiarità : abbiamo utilizzato questo modello per oltre un decennio, quindi gli ingegneri di rete hanno familiarità con questo design e i protocolli che utilizziamo.
Svantaggi
Ci sono, tuttavia, alcuni svantaggi, motivo per cui l’architettura a foglia dorsale sta guadagnando popolarità.
Ecco due importanti svantaggi:
- Larghezza di banda limitata : i vPC risolvono il problema STP che possiamo utilizzare solo un collegamento attivo, ma i vPC sono limitati a due uplink attivi.
- Latenza : la latenza da server a server potrebbe essere elevata, a seconda del percorso del traffico. Il traffico est-ovest tra i pod deve passare attraverso la distribuzione e i livelli principali.
Architettura della colonna vertebrale e della foglia
L’architettura a foglia dorsale è stata sviluppata per superare i limiti dell’architettura a tre livelli. Offre elevata larghezza di banda, bassa latenza e connettività da server a server non bloccante per i data center che hanno principalmente flussi di traffico est-ovest . Ecco come appare:
Questa topologia è anche nota come architettura Clos, creata negli anni ’50 da Charles Clos per scambiare le chiamate telefoniche. È una topologia a due strati con interruttori a colonna e foglia.
Ogni switch a foglia si collega a tutti gli interruttori della colonna vertebrale . Gli interruttori foglia si collegano a dispositivi finali come i server. Gli interruttori della colonna vertebrale sono la spina dorsale. Il percorso del traffico dai cambi foglia ai cambi dorsale è casuale in modo che il carico del traffico sia distribuito tra tutti i cambi dorsale . Se un switch della colonna vertebrale si guasta, si verifica solo una leggera riduzione delle prestazioni nel data center.
Espandere la capacità di un’architettura a foglia dorsale è semplice. Quando un uplink è sottoscritto in eccesso, è possibile aggiungere un switch della colonna vertebrale e collegare ad esso tutti gli interruttori foglia. Ciò riduce il rapporto di sottoscrizione in eccesso e aumenta la larghezza di banda tra gli interruttori della colonna vertebrale e delle ante. Quando hai bisogno di più porte per i dispositivi finali, aggiungi un ulteriore switch a foglia e lo colleghi a tutti gli interruttori della colonna vertebrale.
Con l’architettura a foglia dorsale, ogni dispositivo finale è sempre a una distanza massima di due hop . Ci sono solo un switch della colonna vertebrale e un switch foglia tra l’origine e la destinazione. L’unica eccezione è quando la destinazione è sullo stesso switch foglia. Ciò mantiene la latenza e i ritardi bassi e prevedibili.
Un’architettura a foglia dorsale può essere L2 o L3. In un progetto L2, usiamo Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) o shortest path bridging (SPB) invece di STP.
Vantaggi
L’architettura a foglia dorsale presenta diversi vantaggi:
- Ridondanza migliorata : ogni switch a foglia si collega a ogni switch della colonna vertebrale. Ciò è superiore all’architettura a tre livelli in cui uno switch del livello di accesso è connesso solo a due switch del livello di distribuzione uplink in cui utilizziamo STP per bloccare uno dei due collegamenti.
- Larghezza di banda aumentata : la possibilità di utilizzare più collegamenti attivi invece di uno aumenta la larghezza di banda. Con STP, abbiamo solo un collegamento attivo su X possibili collegamenti. TRILL e SPB possono utilizzare più link attivi contemporaneamente.
- Scalabilità migliorata : ogni switch della colonna vertebrale aggiuntivo aggiunge un altro percorso per passare da un switch foglia a un altro e, poiché utilizziamo tutti i collegamenti, aumenta la larghezza di banda. Ciò semplifica la scalabilità della nostra rete se necessario.
- Costo inferiore : gli switch a configurazione fissa sono switch con un numero fisso di porte e di solito non sono espandibili. Con l’architettura a tre livelli, spesso abbiamo bisogno di switch chassis per fornire un numero sufficiente di porte. Con l’architettura a foglia dorsale, gli interruttori a dorso si collegano solo agli interruttori a foglia. Non ci sono collegamenti tra gli interruttori della colonna vertebrale. Molte reti spine-leaf utilizzano switch a configurazione fissa.
- Latenza e ritardo inferiori : dobbiamo sempre viaggiare solo attraverso un switch a colonna e un switch a foglia per arrivare a una destinazione (a meno che la destinazione non sia collegata allo stesso switch a foglia). Ciò riduce al minimo la latenza e garantisce un ritardo costante.
- Consumo energetico : gli switch a configurazione fissa richiedono meno watt per porta.
Svantaggi
Naturalmente, questa architettura presenta anche alcuni svantaggi.
- Requisiti di cablaggio : poiché tutti gli interruttori a foglia si collegano a tutti gli interruttori a spina, sono necessari molti cavi.
- Un numero limitato di host : il numero di host che possiamo supportare dipende dal numero di porte sulla colonna vertebrale e sugli interruttori foglia. Se si dispone di interruttori a colonna con 32 porte, è possibile collegare 32 interruttori a foglia.
Conclusione
- Abbiamo utilizzato l’architettura gerarchica a tre livelli per oltre un decennio. Al giorno d’oggi, non è più l’opzione migliore per la maggior parte dei datacenter.
- Uno dei problemi è che STP blocca tutti i collegamenti tranne uno.
- vPC risolve in qualche modo questa limitazione di STP, ma vPC può utilizzare solo due collegamenti attivi.
- La quantità di traffico est-ovest è aumentata; uno dei motivi è la virtualizzazione.
- Alcune soluzioni di virtualizzazione richiedono domini L2 di grandi dimensioni.
- Il traffico est-ovest deve passare attraverso il livello di distribuzione, al livello principale e giù per un altro livello di distribuzione per passare da un livello di accesso a un altro. Ciò aumenta la latenza e il ritardo.
- L’architettura a foglia dorsale ha due strati: dorso e foglia. È una buona scelta per i data center con flussi di traffico principalmente est-ovest.
- Ogni switch a foglia è collegato a tutti gli interruttori della colonna vertebrale.
- Ogni dispositivo finale dista solo un massimo di due hop. Ciò riduce la latenza e il ritardo.
- Le topologie foglia dorsale possono essere L2 o L3.
- In un design L2, usiamo TRILL o SPB invece di STP. Entrambi i protocolli possono utilizzare tutti i collegamenti per inoltrare il traffico.
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