什么是Spine-Leaf架构以及如何设计它

随着服务器的指数级增长和数据中心交换层的扩展，spine-leaf架构正逐渐取代传统的三层架构成为后起之秀。那么你对spine-leaf架构了解多少呢？你如何构建脊叶架构？我们将解释什么是 spine-leaf 架构以及如何设计它。

什么是脊叶架构？

spine-leaf 架构仅由两层交换机组成：spine 和 leaf switches。主干层由执行路由并作为网络核心工作的交换机组成。叶子层涉及连接到服务器、存储设备和其他最终用户的接入交换机。这种结构有助于数据中心网络减少跳数并减少网络延迟。

在 spine-leaf 架构中，每个叶子交换机都连接到每个 spine 交换机。通过这种设计，任何服务器都可以与任何其他服务器进行通信，并且任何两个叶交换机之间的互连交换机路径都不会超过一个。

为什么使用脊叶架构？

Spine-Leaf架构已经成为一种流行的数据中心架构，为数据中心带来了很多优势，比如可扩展性、网络性能等。Spine-Leaf架构在现代网络中的优势总结为三点。

增加冗余： spine-leaf架构将服务器与核心网络连接起来，在超大规模数据中心中具有更高的灵活性。在这种情况下，叶子交换机可以部署为服务器和核心网络之间的桥梁。每个叶交换机都连接到所有主干交换机，从而创建一个大型无阻塞结构，提高冗余级别并减少流量瓶颈。

性能提升： Spine-Leaf架构通过应用多链路透明互连（TRILL）、最短路径桥接（SPB）等协议或技术，可以有效避免流量拥塞。Spine-Leaf架构可以是Layer 2或Layer 3，因此可以将上行链路添加到Spine交换机以扩展层间带宽并减少超额订阅以确保网络稳定性。

可扩展性： spine-leaf架构有多个链路可以承载流量。交换机的加入将提高可扩展性，有助于企业后期业务扩展。

Spine-leaf 与传统的三层架构

spine-leaf 架构和 3-tier 架构的主要区别在于网络层数，它们转换的流量是南北向或东西向流量。

如下图所示，传统的三层网络架构由核心层、汇聚层和接入层三层组成。接入交换机连接服务器和存储设备，汇聚层汇聚接入层流量，提供接入层冗余连接，核心层提供网络传输。但这种三层拓扑通常是为南北向流量设计的，使用STP协议，最多支持100台交换机。在网络数据不断膨胀的情况下，这将不可避免地造成端口堵塞，扩展性受限。

Spine-Leaf架构是在主干网的南北向网络架构中加入东西向流量并行，从根本上解决传统三层网络架构的瓶颈问题。它在接入层下增加了交换层，两个节点之间的数据传输直接在这一层完成，从而分流了骨干网传输。与传统的三层架构相比，spine-leaf 架构通过 spine 和叶子之间的单跳提供连接，最大限度地减少了延迟和瓶颈。在脊叶架构中，交换机配置是固定的，因此动态服务器环境不需要更改网络。

如何设计脊叶架构？

在设计 spine-leaf 架构之前，您需要弄清楚一些重要且相关的考虑因素，尤其是超额订阅率和 spine 交换机的大小。当然，我们也给出了详细的例子供大家参考。

脊叶架构的设计考虑

超额订阅率：即所有设备同时发送流量时的竞争率。它可以在北/南方向（进入/离开数据中心的流量）和东/西方向（数据中心内设备之间的流量）进行测量。现代网络架构最合适的超额订阅比率是 3:1 或更低，它被测量和描述为上行带宽（到主干交换机）和下行容量（到服务器/存储）之间的比率。

例如，叶子交换机有 48 个 10G 端口，总端口容量为 480Gb/s。如果将每个叶子交换机的 4 个 40G 上行链路端口连接到 40G 主干交换机，它将具有 160Gb/s 的上行链路容量。该比例为 480:160，即 3:1。然而，数据中心上行链路通常为 40G 或 100G，并且可以随着时间的推移从 40G (Nx 40G) 的起点迁移到 100G (Nx 100G)。重要的是要注意上行链路应始终比下行链路运行得更快，以免端口链路阻塞。

叶子和主干大小调整：拓扑中叶子交换机的最大数量由主干交换机的端口密度决定。主干交换机的数量将由叶交换机之间所需的吞吐量、冗余/ECMP（等效多路径）路径的数量及其端口密度的组合来控制。所以需要考虑spine-leaf交换机的数量和端口密度，以防止出现网络问题。

第 2 层或第 3 层设计：可以在第 2 层（配置 VLAN）或第 3 层（子网划分）构建两层脊叶结构。第 2 层设计需要提供最大的灵活性，允许 VLAN 跨越任何地方，MAC 地址可以迁移到任何地方。第 3 层设计需要提供最快的收敛时间和最大的规模，扇出 ECMP 支持多达 32 个或更多活动主干交换机。

Spine-leaf架构如何部署Spine-leaf交换机？

考虑到这几点，并且考虑到建设数据中心的迫切需要，主要目标是架构中至少有480x10G的服务器。这里我们给出了一个示例，帮助您快速完成spine-leaf架构设计。

我们使用提供40G端口的NC8200-4TD作为Spine交换机，使用提供40G/10G端口的N5850-48S6Q作为Leaf交换机。这样上行带宽为40G，下行带宽为10G。但是，由于leaf和spine之间的合理带宽比不能超过3:1，所以每个leaf交换机最多可以在这里连接24x10G的服务器。我们在这里可以获得的总带宽是 480x10G。在整个链路传输中，交换机同时支持PFC、MLAG、VXLAN或EVPN-VXLAN等相关虚拟技术，足以实现结构可靠性。

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首先，您需要了解脊叶交换机的性能特点，如端口密度、虚拟化技术、冗余硬件等，然后根据您的部署需要选择合适的交换机，完成网络架构。FS N系列数据中心交换机配备完善的虚拟化软件系统，助您实现更高的网络性能和快速部署。