Bref:: Leaf-und-Spine Topology

Seit Jahrzehnten hören wir immer vom meist dreistufigen Hierarchisches Internetworking-Modell (Core, Distribution, Access).

Vergessen wir dieses Modell für einen Moment und blicken auf das moderne NonSense Insulting OHG Rechenzentrum. Den hier hat mittlerweile ein neues typologisches Design Einzug gehalten. Es nennt sich Leaf-and-Spine, und soll mal wieder aus gegeben Anlass ein kurzer Beitrag von mir werden.

Stellt euch einen Schrank in besagten Rechenzentrum vor, der mit Servern gefüllt ist. Ok, Easy!

Häufig befinden sich oben in jedem Rack ein paar Switches (meist zwei), und aus Gründen der Redundanz hat jeder Server im Rack mindestens eine Verbindung zu diesen beiden Switches. Möglicherweise habt Ihr den Begriff Top-of-Rack (ToR) – Switch schon gehört. Nichts anderes haben wir hier. Zwei bis drei Switche die sich physisch oben in einem Rack befinden. Punkt.

Übersicht

Leaf-Spine ist eine zweischichtige Netzwerktopologie, die aus Leaf- und Spine-Switches besteht.

Leaf-Spine ist eine zweischichtige Netzwerktopologie für Rechenzentren, die mehr East-West-Traffic (untereinander im Data-Center bleibender Traffic) als North-South-Traffic (Traffic zum Edge) aufweisen. Die Topologie setzt sich aus Leaf-Switches (mit denen Server und Speicher verbunden sind) und Spine-Switches (mit denen Leaf-Switches verbunden sind) zusammen.

Funktion der Leaf-Switche

Die Leaf- (deutsch Blatt, Flügel) Switche in einer Leaf-Spine-Topology haben zwei Aufgaben. Verbindung mit…

  • Server (Hypervisor, Farm, etc.)
  • sowie Spine-Switche

Funktion der Spine-Switche

Die Spine- (deutsch Rücken, Wirbelsäule) Switche in einer Leaf-and-Spine-Topologie haben zwei Aufgaben. Verbindung mit…

  • Layer-3 Devices (z.B. Router / Firewall / etc.)
  • sowie Leaf-Switche

Ihr werdet in der Topologie feststellen, dass jeder Leaf Switch mit jedem Spine-Switch verbunden ist. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Verbindungen zwischen den Spine-Switche. Im Gegensatz zu einem Leaf-Switch haben alle Anschlüsse eines Spine-Switch einen einzigen Zweck im Leben, nämlich die Verbindung zu einem Leaf-Switch (bzw. Core-Switche/Router). Es ist auch interessant zu beachten, dass die Uplink-Verbindungen von den Leaf-Switch zu den Spine-Switche entweder Layer-2-Verbindungen (d.h. Switched) oder Layer-3-Verbindungen (d.h. geroutete) sein können.

Natürlich variieren die Art und Anzahl der Verbindungen zwischen Leaf- und Spine-Switch je nach verwendetem Switch. Als Beispiel nehmen ich jedoch an, dass ich einen Leaf Switch mit min. 40 Gbit/s Bandbreite habe, mit dem er sich ohne Probleme mit einen Spine-Switch verbinden kann. Abhängig von der Art der Small Form-factor Pluggable (SFP), die Ihr in Euren Switches verwendet, könnt Ihr (z. B.) zwei 40-Gbit/s-Uplinks von einem Leaf-Switch zu zwei Spine-Switches (insgesamt 80 Gbit/s) legen.

Durch die Verbindung der ToR-Switche in einer Leaf-Spine-Topology sind alle Switche im gleichen Abstand voneinander angeordnet (d.h. ein einzelner Switch-Hop).

Leaf-Switches greifen in die Wirbelsäule ein und bilden die Zugriffsschicht, die die Netzwerkverbindungspunkte für Server liefert.
Jeder Leaf-Switch in einer Leaf-Spine-Architektur verbindet sich mit jedem Switch in der Netzwerkstruktur. Unabhängig davon, mit welchem Leaf-Switch ein Server verbunden ist, muss er jedes Mal, wenn er sich mit einem anderen Server verbindet, die gleiche Anzahl von Geräten durchqueren. (Die einzige Ausnahme ist, wenn sich der andere Server auf dem gleichen Leaf befindet.) Logisch oder?

Allgemeiner Nutzen

Dadurch werden Latenzzeiten und Engpässe minimiert, da jede Nutzlast nur zu einem Spine-Switch und einem weiteren Leaf-Switch reisen muss, um ihren Endpunkt zu erreichen. Spine-Switches haben eine sehr hohe Portdichte und bilden meist den Core (Kern) der Architektur.
Eine Leaf-Spine-Topology kann wie bereits erwähnt in Layer-2 oder Layer-3 aufgebaut sein, je nachdem, ob die Verbindungen zwischen der Leaf- und der Spine-Schicht geswitcht oder geroutet werden sollen.

Vorteile Layer-2

In einem Layer-2 Leaf-Spine-Design ersetzt die Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) oder das Shortest Path Bridging (SPB) die etwas altertümliche Spanning Tree Protocol (STP) Topology. Alle Hosts sind mit der Fabric verbunden und bieten eine schleifenfreie Route zu ihrer Ethernet-MAC-Adresse durch eine Shorest-Path-First-Berechnung.

Vorteile Layer-3

In einem Layer-3 Leaf-Spine-Design wird jeder Link geroutet. Dieser Ansatz ist meiner Meinung nach am effizientesten, wenn sepperate VLANs auf einzelne Leaf-Switches aufgeteilt sind oder wenn ein Netzwerk-Overlay wie VXLAN funktionieren soll.
Fortsetzung folgt…

 

 

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