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叶脊leaf-spine结构与Overlay技术

传统的数据中心网络结构是三层的,一般包括接入交换机、汇聚交换机和核心交换机。

在这架构下又分为L3架构和大2层架构,区别就在于L2/L3的分隔层次。当L2/L3隔离在汇聚交换机时,是L3架构,每对汇聚交换机构成一个L2的广播域,跨汇聚层的流量需要通过核心交换机路由转发完成。

此时由于L2广播域范围的限制,服务器的位置部署差不多也就定了,如果要发生位置迁移,也就会导致相应二层网络的变化,包括网关等配置变化。同时呢,在业务流量上,主要适应于南北向流量的转发,对于横向流量,特别是跨2层流量,服务器之间无直接路由交换的路径,需要经历接入-汇聚-核心-汇聚-接入,共5层的转发,所以无论是带宽还是延时性都不会有很好的支持。但是,这种L3层架构有一个好处就是,都只能在一个L2的广播域中,也就有效的限制了BUMBroadcase,Unknown Unicast,Multicast),如风暴等问题。

刚刚说了,上面的架构不利于服务的任意部署,那我们就牺牲一点BUM的控制能力。将L2/3向上移动一层,也就是在核心交换机的位置做分离,这也就是我们的大2层网络架构。

大2层网络架构在核心交换机以下都是同一个L2的广播域,接入交换机以下的服务位置在这个时候就可以任意部署,不会面临诸如IP地址,网关等问题。但这也就不可避免了上面所说的BUM非正常流量问题。同时,大2层架构下的核心交换机需要维护庞大的MAC和ARP表,对核心交换机的能力提出很高的要求 ,另外接入交换机(TOR)也对整个网络的规模造成一定的限制。因此种种,都最终限制了网络的规模,网络扩展及弹性能力,跨三层调度的时延问题,都不能满足未来业务的需求。

上面我们一共提到了两较大的问题:

  1. 如何解决过大的时延问题?

    无论是大2层还是L3层架构,都是传统的三层架构,对业务特别是跨二层业务,需要经历5个层级的交换机。

  2. 如何解决服务器任意部署问题,同时还不会造成严重的BUM问题?

    L2/3的分离位置在核心交换机时,BUM风险过大,核心交换机能力要求高。L2/3的隔离位置在汇聚交换机时,服务器部署受限。

下面我们从以下两个方面简单来说一说。

一、叶脊leaf-spine网络架构

基于传统三层网络架构的不足,叶脊leaf-spine结构得以在数据中心网络中崭露头角。现在我们就看看什么是叶脊leaf-spine。

这种结构就是leaf-spine叶脊拓扑结构,叶脊拓扑结构通过增加一层平行于主干纵向网络结构的横向网络结构,在这层横向结构上增加相应的交换网络在Spine/Leaf网络架构中,L2/L3的分隔通常在Leaf接入交换机。与传统三层网络架构类似,这样也能分隔L2广播域。同时还减少了架构层次,对跨2层业务的调度,也就是东西向的业务调度,更方便,时延能做到有效的降低。在叶脊拓扑结构,所有的链接都是用来转发流量, 也是使用通用的生成树协议,同样能保持保持一个无环路的网络拓扑结构。

这种叶脊leaf-spine虽然有效解决了跨2层业务调度的层次与时延问题。那么它可以实现并解决上面提到的第2个问题吗?也即是实现顶部服务器的任意部署问题。

答案是不可以的。我们假设,两个服务器处于不同的VLAN中,服务器配置不同的VLAN号,通过Spine交换机的调度,业务承载是没有问题的。但对于这两个服务器来说,它们的位置归属也就确定了。又或者,我们将两个服务器的VLAN配置为一样的,那能解决这个问题吗?答案还是不能,简单解释如同个Spine出现相同的Vlan配置,Spine交换机就不知道应该转发到哪个服务器。但并不能很好的实现服务器的任意部署。

为了解决第2个问题,那么我们从另一个方面来解决。也就是Overlay网络技术。

二、Overlay网络技术

Overlay网络是在现有的IP网络(Underlay网络)基础上构建的一个虚拟网络,这个网络的主要功能就是用来作为服务器的通讯,也就是在不改变网络架构的基础上,使服务器之间可以无障碍通话。目前比较流行的是我们常听到的VXLAN技术。在以前的文章中我们说到,VXLAN的另一个作用就是可以解决VLAN ID不足的问题。在这里,VXLAN技术,更主要的作用是解决了一个L3层网络上L2网络的通讯问题。或者说,解决服务器之间通过Overlay网络实现了跨Leaf TOR交换机接入服务器的任意性,也就是文章提到的第2个问题。

写在最后,叶脊leaf-spine网络架构配合Overlay技术,在SDDC(Software Defined Data Center)演进过程中将起到重要的作用。若文中存在表述不准确的请谅解,愿一起共同学习。


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