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脊叶网络架构下的布线系统

2019-12-05 14:59
来源: 康宁

网格结构化的布线模块可以让数据中心管理员最大限度地利用网络投资。

在过去十年中,随着网络规模的增长,我们可以看到网络从传统的三层网络架构向更平坦、更宽的脊叶架构的转变。凭借其完全网状的连接方式,脊叶架构为我们提供了我们所渴望的可预测的高速网络性能,以及网络交换结构中的可靠性。

但是在有诸多优点的同时,脊叶结构在结构化布线方面也提出了挑战。在本文中,我们将研究如何构建和扩展一个4路脊柱,并逐步发展到更多的脊柱网络(如16路脊柱),并在网络发展过程中保持线速度切换能力和冗余。我们也将在结构化布线的主要区域内,探讨两种方法的优点和缺点:一种方法使用传统的光纤跳线,另一种使用光学网格模块。

发展简史

自20世纪80年代作为局域网(LAN)协议问世以来,以太网以其简单的算法和低廉的制造成本,一直是数据中心和互联网发展的推动力。以太网交换机在切换之前会查看它接收到的每一个包。它只打开外层信封来读取第2层的地址,而不用读取IP地址。这允许以太网交换机非常快速地移动数据包。

尽管以太网效率很高,但随着网络规模的增大,它也存在一些缺点。在一个由多个以太网交换机组成的网络中,为了阻止地址解析协议(ARP)请求等广播包在网络中泛滥和循环,使用了一种称为生成树协议(STP)的技术。STP阻塞冗余链接以防止网络中发生循环。在STP技术上运行的网络在主链路失败时使用冗余链路作为故障转移。这为基础结构提供了弹性,代价是可用带宽的利用率仅为一半。

过去很长的一段时间,我们都在使用生成树的逻辑来构建网络,直到我们遇到了一系列新的问题。第一个问题是我们的双核网络有限,没有增长空间(为了服务越来越多的客户,我们的网络需要相应地增长)。第二个问题是延迟。如果我们有一个大的网络,我们通常把它们分成更小的网络,我们称之为虚拟局域网(VLAN)。这将导致不同类型的数据流量具有不同的延迟。与通过第3层核心的不同VLAN之间的流量相比,在单个VLAN中通过第2层网络的流量具有不同的延迟。

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支持生成树协议的典型三层网络。冗余链接被阻止,以防止网络循环。

脊叶架构简介

现代电子商务、社交媒体和云应用程序大多使用分布式计算为客户服务。分布式计算是指服务器与服务器进行对话并并行工作,以创建动态web页面并回答客户问题;它需要相同的延迟。等待结果会让客户不满意。我们需要一个网络架构,它可以均匀地增长,并为现代应用程序提供统一的延迟。

这些问题的解决方案来自于一种网络架构,即今天所说的“脊叶架构”。自1952年Charles Clos首次引入多级电路交换网络(也称为Clos网络)以来,这个想法就一直存在。这种网络架构的主干称为脊(Spin),每个叶(Leaf) 都通过脊连接到进一步扩展的网络资源。只需添加更多的脊或叶交换机,网络就可以均匀地增长,而不会改变网络性能。

与传统的3层架构相比,网络的脊部分水平增长,约束了网络的层数。例如,通过双向脊网络,我们可以建立网络,支持多达6000台主机,通过4路脊网络,我们可以建立网络多达12000台主机,通过16路脊网络,我们可以超过100,000台10-GbE主机。

其次,所有的叶交换机都连接到架构中每个可用的脊交换机。这种完全网格化的架构允许任何连接到叶的主机只使用两个跃点连接其他主机,即交换机到交换机连接。例如,从叶交换机1到脊交换机1,然后从脊交换机1到叶交换机10。因为整个脊层是用冗余方式构建的(在脊或叶交换机宕机的情况下),所以可以自动使用替代路径和资源。

建立脊叶结构网络的基本规则如下:

· 主要构建模块是网络叶交换机和网络脊交换机。

· 所有主机只能连接到叶交换机。

· 叶交换机控制服务器之间的流量。

· 脊交换机在第2层或第3层的叶子交换机之间沿着最佳路径向前切换流量。

· 叶交换机上的上行端口数量决定了脊交换机的最大数量。

· 脊交换机端口数量决定叶交换机的最大数量

这些原则影响交换机制造商设计其设备的方式。

仔细观察一下脊交换机。如果我们观察一个典型的脊交换机,第一眼我们注意到多个扩展槽,例如4或8个来接受不同的线卡,用于连接叶交换机上行链路。

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在一个脊叶网络结构中,叶交换机控制服务器之间的流量,而脊交换机沿着叶交换机之间的最佳路径转发流量。一个被称为16路脊的架构可以扩展到支持超过100,000个10千兆位以太网主机。

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