CCNA v7.0 - Архитектура Spine-Leaf (Раздел 1 Network Fundamentals, 1.2C)

     В новом экзамене CCNA v7.0 рассматривают разные варианты архитектуры сетей, в частности, более подробно изучают архитектуру Spine-Leaf. Изначально данная архитектура описывалась в курсе CCNA Data Center как специализированная архитектура для построения ЦОД. Сейчас, когда курса больше нет, информация об архитектуре перекочевала в новый CCNA. Давайте рассмотрим, чем же эта архитектура отличается от типовых двух- и трехуровневых архитектур.

    Типовая архитектура ЦОД переползла из стандартной трехуровневой архитектуры кампусной сети (рисунок взят отсюда).

    Каждый уровень имеет свое назначение, всего их три - уровень ядра (Core), уровень распределения (Distrigution), который в ЦОД (центр обработки данных) называется уровнем агрегации (Aggregation), и уровень доступа (Access), где производится подключение конечных устройств. При этом на уровне ядра и распределения используются коммутаторы третьего уровня (L3), т.е. имеющие в своем арсенале  функции маршрутизации, когда как уровень доступа состоит из коммутаторов L2. Как можно заметить, для связи уровней друг с другом используется большое количество избыточных линий связи. Если между ядром и агрегацией используется маршрутизация для обеспечения беспетлевого подключения, то между уровнем агрегации и уровнем доступа все так же используется традиционный протокол STP (Spanning-tree protocol), который позволяет избавиться от петель на втором уровне модели OSI (Open System Interconnection).

    Основной недостаток использования STP - невозможность использования всех линков одновременно. Часть линков так или иначе будет заблокирована, таков алгоритм работы STP.
    Для устранения недостатков работы STP в центрах обработки данныx Cisco разработала технологию vPC (virtual Port Channel), которая стала доступна на коммутаторах поколения Nexus, специально разработанных для работы в ЦОД. Суть vPC в том, что теперь можно агрегировать линки, приходящие на разные коммутаторы. Это позволяет использовать больше линий связи для передачи трафика, увеличивать пропускную способность. Но вместе с этим STP по-прежнему выполняет роль защиты от образования петель на уровне L2.
    Внедрение технологии vPC не поменяло архитектуру сети ЦОД как таковую, она по-прежнему осталась трехуровневой.
    Дальнейшее развитие технологий привело к возникновению необходимости располагать сетевые ресурсы в ЦОД ближе друг к другу в плане уровня L2 для возможности передачи больших объемов трафика с минимальными задержками. Для этого стало важным расширение домена L2 как такового.
    Расширение L2 домена было произведено полным переносом функций L3 на ядро. В результате граница L2/L3 сместилась выше, как показано на рисунке (взято из документации):

 

    Появление распределенных приложений предъявило новые требования к сетевой части. Во-первых, предсказуемость задержки при передаче данных стало критичным параметром. Во-вторых, ограничения, которые имеются при внедрении vPC, а именно ограничения в пропускной способности и недостаточные возможности масштабирования, привели к тому, что трехуровневая архитектура как таковая не отвечала современным требованиям.

    Нужно было придумать что-то новое. И новое было, как всегда, взято из хорошо забытого старого. Новая архитектура Spine-and-Leaf (буквально можно перевести как "позвоночник-и-листья") базируется на теории многокаскадных сетей Клоза (Clos networks), разработанных еще в 1953 году.

    Spine-and-Leaf архитектура имеет следующие характеристики:

• высокая пропускная способность;
• минимальная и предсказуемая задержка;
• неблокируемая связность между серверами;
• простота масштабирования.

    В свою очередь, топология из трехуровневой вырождается в двухуровневую топологию, в которой имеется уровень Leaf (условный уровень доступа) и уровень Spine (условный уровень ядра). При этом каждое устройство низшего уровня связано со всеми устройствами высшего уровня (рисунок взят отсюда).

    Серверное оборудование подключается к уровню доступа (Leaf). За счет большого количества линий связи с верхнем уровнем трафик может выбрать любой путь, тем самым передача данных осуществляется максимально быстро и с минимальной задержкой. В случае выпадения одного из коммутаторов ядра из фабрики, другие коммутаторы принимают на себя возникшую нагрузку. Перестроение сети занимает минимальное время, что позволяет минимизировать влияние на приложения, работающие на серверах, тем самым увеличив отказоустойчивость системы в целом.
    В случае возникновения необходимости, для расширения мощностей для обработки трафика на уровне ядра или увеличения портовой емкости на уровне доступа, необходимо добавить дополнительное устройство на соответствующий уровень.
    Дополнительным преимуществом является то, что за счет полной эквивалентности путей прохождения трафика не важно, к каким конкретно коммутаторам уровня доступа будут подключены серверы.

    Связанные статьи: CCNA Enterprise v7.0 - Дополнительные главы для тех, кто проходил предыдущую версию