數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)：什么是Spine-Leaf架構(gòu)？

隨著傳統(tǒng)IDC向云數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也在不斷演進。

在傳統(tǒng)的大型數(shù)據(jù)中心，采用了層次化模型設(shè)計的三層網(wǎng)絡(luò)。將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計分成幾個層次，每個層次著重于某些特定的功能，這樣就能夠使一個復(fù)雜的大問題變成許多簡單的小問題。三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)有三個層次：

接入層(將工作站接入網(wǎng)絡(luò))

接入層的面向?qū)ο笾饕墙K端客戶，為終端客戶提供接入功能，接入層的主要功能是規(guī)劃同一網(wǎng)段中的工作站個數(shù)，提高各接入終端的帶寬。

匯聚層(提供基于策略的連接)

匯聚層連接網(wǎng)絡(luò)的核心層和各個接入的應(yīng)用層，在兩層之間承擔(dān)“媒介傳輸”的作用。在應(yīng)用接入核心層之前先經(jīng)過匯聚層進行數(shù)據(jù)處理，以減輕核心層設(shè)備的負(fù)荷。匯聚層提供內(nèi)容交換、防火墻、SSL卸載、入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)分析等服務(wù)。

核心層(網(wǎng)絡(luò)的高速交換主干)

核心層在互聯(lián)網(wǎng)中承載著網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與各應(yīng)用端口間的傳輸功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的支撐脊梁和數(shù)據(jù)傳輸通道。核心交換機為進出數(shù)據(jù)中心的包提供高速的轉(zhuǎn)發(fā)，為多個匯聚層提供連接性，核心交換機通常為整個網(wǎng)絡(luò)提供一個彈性的L3路由網(wǎng)絡(luò)。

通常情況下，匯聚交換機是L2和L3網(wǎng)絡(luò)的邊界，匯聚交換機以下的是L2網(wǎng)絡(luò)，以上是L3網(wǎng)絡(luò)。每組匯聚交換機管理一個POD，每個POD內(nèi)都是獨立的VLAN網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)服務(wù)器在一個POD內(nèi)遷移時，不必修改IP地址和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，因為一個POD對應(yīng)一個二層廣播域。

在匯聚路由器和接入交換機之間，使用生成樹協(xié)議(STP)構(gòu)建二層網(wǎng)絡(luò)的無環(huán)路拓?fù)洹Ｉ蓸鋮f(xié)議有幾個優(yōu)點：它很簡單，是一種只需要很少配置的即插即用技術(shù)。但是，生成樹協(xié)議不能使用并行轉(zhuǎn)發(fā)路徑，往往會阻塞 VLAN 中的冗余路徑。

2010年，思科引入vPC(Virtual Port Channel)技術(shù)，消除了生成樹阻塞端口，提供從接入交換機到匯聚路由器的雙活上行鏈路，充分利用可用帶寬。但vPC也不能真正做到完全的水平擴展。

使用 vPC 進行數(shù)據(jù)中心設(shè)計

傳統(tǒng)三層數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)

三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)因其實現(xiàn)簡單、配置工作量小、廣播控制能力強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng) DCN。但隨著數(shù)據(jù)中心整合、虛擬化、云計算等技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)的需求，主要原因有：

無法支撐虛擬機遷移所需的大二層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

無法支持流量的無阻塞轉(zhuǎn)發(fā)(尤其是東西向流量)

虛擬機動態(tài)遷移

虛擬化技術(shù)從根本上改變了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求。通過服務(wù)器虛擬化可以有效地提供服務(wù)器利用率，按需提供服務(wù)和資源，降低能源消耗，降低客戶的運維成本，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

在虛擬化數(shù)據(jù)中心里，一臺物理服務(wù)器被虛擬化為多臺邏輯服務(wù)器，稱為VM，每臺VM都可以獨立運行，有自己的OS，APP，也有自己獨立的MAC地址和IP地址。

虛擬化出來以后，就產(chǎn)生了虛擬機動態(tài)遷移的需求，虛擬機動態(tài)遷移是指在保證虛擬正常運行的同時，將一個虛擬機從一臺物理服務(wù)器移動到另一臺物理服務(wù)器的過程。該過程對于最終用戶來說是無感知的，所以要保證在遷移過程中，虛擬機的業(yè)務(wù)不能中斷。

虛擬機在動態(tài)遷移時，不僅要求虛擬機的IP地址不變、而且運行狀態(tài)也必須保持(例如TCP會話狀態(tài))，這就需要遷移的起始和目標(biāo)位置必須在同一個二層網(wǎng)絡(luò)域之中。

由于限制，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計根本無法滿足服務(wù)器虛擬化中更靈活的、可自定義的虛擬機遷移策略。

為了實現(xiàn)虛擬機的大范圍，甚至跨地域的動態(tài)遷移，就要求把虛擬機遷移可能涉及的所有服務(wù)器都納用同一個二層網(wǎng)絡(luò)域，通過虛擬化的技術(shù)形成一個更大范圍的二層網(wǎng)絡(luò)。這樣才能實現(xiàn)虛擬機的大范圍無障礙遷移，這種適合虛擬機隨時隨地?zé)o障礙遷移的大范圍二層網(wǎng)絡(luò)，我們稱之為大二層網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)中心的流量的轉(zhuǎn)變

數(shù)據(jù)中心的流量總的來說可以分為以下幾種：

南北向流量：數(shù)據(jù)中心之外的客戶端到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的流量，或者數(shù)據(jù)中心服務(wù)器訪問互聯(lián)網(wǎng)的流量。

東西向流量：數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器之間的流量。

跨數(shù)據(jù)中心流量：不同數(shù)據(jù)中心的流量，例如數(shù)據(jù)中心之間的災(zāi)備，私有云和公有云之間的通訊。

在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中，業(yè)務(wù)通常采用專線方式部署。通常，服務(wù)部署在一個或多個物理服務(wù)器上，并與其他系統(tǒng)物理隔離。因此，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心東西向流量較低，南北向流量約占數(shù)據(jù)中心總流量的80%。

在云數(shù)據(jù)中心，服務(wù)架構(gòu)逐漸從單體架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閃eb-APP-DB，分布式技術(shù)成為企業(yè)應(yīng)用的主流。服務(wù)的組件通常分布在多個虛擬機或容器中。該服務(wù)不再由一臺或多臺物理服務(wù)器運行，而是由多臺服務(wù)器協(xié)同工作，導(dǎo)致東西向流量快速增長。

此外，大數(shù)據(jù)服務(wù)的出現(xiàn)使分布式計算成為云數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)配置。大數(shù)據(jù)服務(wù)可以分布在一個數(shù)據(jù)中心的數(shù)百臺服務(wù)器上進行并行計算，這也大大增加了東西向流量。

傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是為南北向流量占主導(dǎo)地位的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心設(shè)計的，不適合東西向流量較大的云數(shù)據(jù)中心。

一些東西向流量(如跨POD的二層和三層流量)必須經(jīng)過匯聚層和核心層的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，不必要地經(jīng)過許多節(jié)點。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常設(shè)置1:10到1:3的帶寬超額比，以提高設(shè)備利用率。隨著超額訂閱率，每次流量通過節(jié)點時性能都會顯著下降。此外，第 3 層網(wǎng)絡(luò)上的 xSTP 技術(shù)加劇了這種惡化。

因此，如果通過傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運行大量的東西向流量，連接到同一交換機端口的設(shè)備可能會爭奪帶寬，導(dǎo)致最終用戶獲得的響應(yīng)時間很差。

Spine-Leaf架構(gòu)

Clos 網(wǎng)絡(luò)以其發(fā)明者Charles Clos命名，Charles Clos是一名電話網(wǎng)絡(luò)工程師，他在 1950 年代需要解決如何應(yīng)對電話網(wǎng)絡(luò)的爆炸式增長這一問題. 提出了現(xiàn)在稱之為 Clos 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

一個簡單的兩層Clos網(wǎng)絡(luò)

Spine-Leaf體系架構(gòu)是由Spine和Leaf這兩個交換層組成的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Leaf層由訪問交換機組成，匯聚來自服務(wù)器的流量，并直接連接到Spine或網(wǎng)絡(luò)核心。Spine交換機在全網(wǎng)格拓?fù)渲谢ミB所有Leaf交換機。上圖中，綠色節(jié)點代表交換機，灰色節(jié)點代表服務(wù)器。在綠色節(jié)點中，最上面的是Spine節(jié)點，下面是Leaf節(jié)點。

Spine-Leaf架構(gòu)更適合滿足現(xiàn)代應(yīng)用程序的需求，例如高吞吐量和低延遲。

Spine交換機具有高吞吐量、低延遲且端口密集，它們與每個Leaf交換機都有直接的高速 (40-400Gbps) 連接。

Leaf交換機與傳統(tǒng)TOR交換機非常相似，它們通常是 24 或 48 端口 1、10 或 40Gbps的接入層連接。但是，它們增加了到每個Spine交換機的 40、100 或 400Gbps 上行鏈路的能力。

Spine-Leaf架構(gòu)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有何不同?

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)通常基于三層模型：

接入交換機連接到服務(wù)器

匯聚交換機為接入交換機提供冗余連接

核心交換機在匯聚交換機之間提供快速傳輸

Spine-Leaf 架構(gòu)減少了核心層，實現(xiàn)了層次的扁平化，如下圖所示。

此外，關(guān)于Spine-Leaf 架構(gòu)的其他常見差異如下：

放棄了生成樹協(xié)議 (STP)

越來越多地使用固定端口交換機而不是網(wǎng)絡(luò)骨干的模塊化模型

橫向與縱向基礎(chǔ)架構(gòu)的擴展

上文有提到如今東西向流量越來越多，低延遲、優(yōu)化流量對于東西向流量的性能至關(guān)重要，尤其是在時間敏感或數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序中。Spine-Leaf架構(gòu)的主要好處之一就是它允許數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)的源到數(shù)據(jù)的目標(biāo)路徑較短。無論源和目的地如何，Spine-Leaf結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)上的跳數(shù)都相同，任意兩個服務(wù)器之間都是Leaf—>Spine—>Leaf三跳可達的。

由于Spine-Leaf 架構(gòu)不再需要 STP，容量也得到了提高。其依賴諸如 ECMP(等價多路徑)路由等協(xié)議來平衡所有可用路徑上的流量，同時仍然避免網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。

除了更高的性能外，Spine-Leaf 架構(gòu)還提供了更好的可擴展性。可以添加額外的Spine交換機并將其連接到每個Leaf ，從而進一步增加容量。同樣，當(dāng)端口密度成為問題時，可以無縫添加新的Leaf 交換機。在這兩種情況下，網(wǎng)絡(luò)都不必為基礎(chǔ)設(shè)施的這種擴展(“橫向擴展”)而重新設(shè)計，也沒有停機時間。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)中心 云數(shù)據(jù)中心 層次化模型