آشنایی با معماری leaf-spine

مراکز داده بر تکنولوژی های نرم افزاری جدیدی تکیه می کنند که نقش اساسی را در گسترش قابلیت های یک سازمان enterprise ایفا می کنند. دیتاسنترهای پیشین، معماری three-tier را به کار می برند که در آن سرورها مبتنی بر مکان شان درون pod هایی تقسیم بندی می شوند ( شکل 1)

شکل 1 – طرح سه لایه ای مرکز داده

این معماری شامل روترهای core ، روترهای aggregation (یا همان distribution router) و سوییچ های access می شود. بین روترهای aggregation و سوییچ های access ،از پروتکل STP برای جلوگیری از ایجاد loop در لایه 2 شبکه استفاده می شود. پروتکل STP از چندین ویژگی پشتیبانی می کند: سادگی و تکنولوژی plug-and-play که به تنظیمات اندکی نیاز دارد. VLAN ها درون هر pod بسط داده می شوند به طوری که مکان سرورها آزادانه درون pod ها تغییر می کند بدون اینکه نیازی به تغییر آدرس IP و تنظیماتِ default gateway باشد. با این حال STP نمی تواند از مسیرهای ارسالِ موازی استفاده کند و همیشه مسیرهای افزونه در یک VLAN را مسدود می کند.

در سال 2010 شرکت سیسکو تکنولوژی vPC (یا Virtual-port-channel) ،یا همان Multichassis EtherChannel ،را برای غلبه بر محدودیت STP عرضه نمود. vPC ویژگی است که امکان تنظیم PortChannel را میان چند سوییچ فراهم می کند. vPC مسئله پورت های مسدود شده توسط  STP را رفع می کند، مسیرهای uplink  ِ active-active را از سوییچ های access به روترهای aggregation فراهم می کند و از پهنای باند موجود بهره کاملی می برد (شکل 2). با استفاده از تکنولوژی vPC ،پروتکل STP همچنان به عنوان مکانیزمی برای fail-safe استفاده می شود.

تکنولوژی vPC (پشتیبانی شده در سوییچ های Nexus سیسکو) به خوبی در محیطِ یک دیتاسنتر نسبتا کوچک ایفای نقش می کند، محیطی که اکثر ترافیک های آن شامل ارتباطات northbound و southbound در میان کلاینت ها و سرورها می شود.

شکل 2 – طرح مرکز داده با استفاده از vPC

از سال 2003 ،با ارائه تکنولوژی مجازی منابع محاسباتی، شبکه بندی و ذخیره سازی که پیشتر در طرحِ دیتاسنتر، درون pod ها در لایه 2 قرار می گرفتند، حال می توانند یکپارچه شوند. این تکنولوژیِ تحول آور نیاز به domain لایه 2 ای بزرگتری را از لایه access تا لایه core به وجود آورد (شکل 3).

شکل 3 – طرح مرکز داده به همراه domain لایه 3 گسترده

ادمینِ مرکز داده می تواند یک pool مرکزی از منابع با قابلیت تغییرپذیری بیشتر را ایجاد نماید که بر اساس نیازها می توانند دوباره تخصیص دهی شوند. مجموعه ای از VM ها بر روی سرورها قرار دارند که آزادانه از سروری به سرور دیگر قابل جابجایی هستند بدون اینکه به تغییری در پارامترهای عملیاتی خود نیاز داشته باشند.

با استفاده از سرورهای مجازی شده، اپلیکیشن ها به گونه ای در میان سرورها توزیع می شوند که منجر به افزایشِ ترافیک east-west می شود. چنین ترافیکی به مدیریتی موثر به همراهِ تاخیری کم و قابل پیش بینی نیاز خواهد داشت در صورتی که vPC تنها از active بودنِ حداکثر دو uplink موازی پشتیبانی می کند و بنابراین در معماری دیتاسنترِ three-tier ،پهنای باند به یک bottleneck تبدیل می شود. مشکل دیگری که در معماری three-tier وجود دارد، تاخیر سرور-به-سرور است که بسته به مسیر ترافیکی استفاده شده، تغییر می کند.

طرح دیتاسنتر جدیدی با نام معماری leaf-spine که مبتنی بر شبکه clos است برای غلبه بر این محدودیت ها عمومیت یافته است. این معماری ثابت نموده است که پهنای باند بیشتر، تاخیر کمتر و اتصالِ nonblocking سرور-به-سرور را فراهم می کند.

معماری leaf-spine

شکل 4 توپولوژی leaf-spine دو لایه ای را نشان می دهد.

شکل 4 – توپولوژی leaf-spine

 

در این معماری clos دو لایه ای، هر سوییچ موجود در لایه پایین تر (لایه leaf) به هر یک از سوییچ های لایه بالاتر (لایه spine) از طریق توپولوژیِ full-mesh متصل شده است و هیچ اتصالِ مستقیمی از نوع spine-spine و leaf-leaf وجود ندارد. لایه leaf شامل سوییچ های access می شود که به دستگاه هایی همچون سرورها متصل اند. لایه spine به عنوان ستون فقرات شبکه عمل می کند و در برابر اتصال داخلیِ میان تمامیِ سوییچ های لایه leaf مسئول است. مسیرِ عبور به طور تصادفی انتخاب می شود چنانکه بار ترافیک به صورت یکنواخت میان سوییچ های لایه بالاتر توزیع شود. اگر یکی از سوییچ های لایه بالا دچار خرابی شود، تنها درصد اندکی از کارایی، در سراسر مرکز داده تنزل می یابد.

اگر بار (load) قرار گرفته بر روی لینک بیش از ظرفیت آن باشد (یعنی ترافیک تولید شده بیش از حدی باشد که توسط یک لینک فعال در یک زمان تجمیع شود)، فرآیند افزایشِ ظرفیت ساده است. یک سوییچ spine دیگر افزوده شده و در نتیجه تعداد uplink ها افزایش می یابد که منجر به افزایش پهنای باندِ میانِ لایه ها و کاهش رخدادِ باری بیش از ظرفیت لینک (oversubscription) می شود. اگر ظرفیتِ پورت های دستگاه مورد توجه باشد، می توان یک سوییچِ leaf جدید را از طریق اتصال آن به هر سوییچ spine اضافه نمود و تنظیمات شبکه را به سوییچ افزود. سادگی در توسعه و گسترش این معماری، فرآیند ارتقای شبکه را بهینه می سازد.

همانطور که پیشتر گفته شد طرح معماری سه لایه سنتی از پروتکل STP برای پیشگیری از loop استفاده می کند. پروتکل STP بر اساس شناساییِ loop در شبکه، لینک های افزونه را مسدود می کند. در نتیجه یک  سوییچ access که دارای دو عدد uplink است تنها از یکی از آنها می تواند بهره ببرد. معماری leaf-spine پروتکل های جایگزین جدیدتری به نام SPB و TRILL را برای پیشگیری از ایجاد loop به کار می برد. این پروتکل ها اجازه خواهند داد که تمام لینک های بین leaf و spine برای ارسال ترافیک استفاده شوند. پروتکل SPB و TRILL با به کارگیری پروتکل مسیریابی لایه 3 برای دستگاه های لایه 2ای، این مسئله را رفع می نماید. این پروتکل ها به دستگاه های لایه 2 اجازه خواهند داد که فریم های اترنت را مسیریابی نمایند.

با بهره گیری از معماری leaf-spine، مهم نیست که کدام سوییچ در لایه leaf به کدام سوییچ از لایه spine متصل است، ترافیک آن همیشه باید از تعداد دستگاه های یکسانی گذر کند تا به دستِ سرور مقصد برسد (حتی اگر سرور مقصد در همان leaf قرار گرفته باشد). این رویکرد منجر خواهد شد که تاخیر همیشه در سطحی قابل پیشبینی باقی بماند چرا که بسته های داده تنها به سمت یک سوییچ spine و سوییچ leaf دیگر حرکت می کنند تا به مقصد خود برسند.

در پایان

شبکه leaf-spine ویژگی های منحصر به فرد زیادی را در مقابل مدل 3 لایه ای ارائه می دهد. اگر از تنظیمات و طرح مناسب استفاده شود، توپولوژیِ leaf-spine مدیریتِ بارِ بیش از ظرفیت بر لینک (oversubscription) و قابلیت ارتقا را بهبود می بخشد. حذف پروتکلِ STP در این طرح به افزایشِ پایداریِ شبکه منجر می شود. محیط های leaf-spine با بهره مندی از ابزارهای جدید و توانایی در غلبه بر محدودیت های اساسی در کنارِ راهکارهای دیگری همچون SDN ،منجر به رشد و نموِ دپارتمان IT و مراکز داده خواهند شد چرا که خواهند توانست نیازها و خواسته های کسب و کار خود را برآورده نمایند.

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *