软件定义网络 - Leaf-Spine 架构

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软件定义网络 (SDN) Leaf-Spine 架构用于设计数据中心中可扩展且高性能的网络。Leaf-Spine 架构优化数据流，从而实现网络设备之间的高效通信，就像 SDN 控制器进行集中控制一样。

两层交换架构

Leaf-Spine 架构中的两层交换架构包含两种类型的交换机：Leaf 交换机和 Spine 交换机。网络中的每个设备都具有可预测的低延迟通信与其他设备进行通信。这些交换机如下所述：

Leaf 交换机

这些是接入层交换机。它们连接服务器、防火墙、负载均衡器和机架内的其他设备。每个机架有两个 Leaf 交换机以实现冗余。因此，如果一个 Leaf 交换机发生故障，第二个交换机将保持连接。

Spine 交换机

Spine 交换机构成网络的核心。每个 Leaf 交换机连接到架构中的每个 Spine 交换机，以创建完全互连的拓扑结构。因此，流量在一个 Leaf 交换机到另一个 Leaf 交换机之间最多只需要两跳——从 Leaf 到 Spine，再从 Spine 到 Leaf。

这种架构优化了东西向流量（数据中心内设备之间的流量），以实现低延迟通信。您可以将所有 Leaf 交换机连接到所有 Spine 交换机。因此，网络具有均匀的流量分配。

SD-Fabric 的特点

SD-Fabric 是 Leaf-Spine 架构的基于 SDN 的实现。它构建在 ONOS（开放网络操作系统）之上。您可以管理第 2 层 (L2) 和第 3 层 (L3) 连接。它向您展示了如何使用 SDN 来构建生产级网络。

第 2 层和第 3 层连接

SD-Fabric 支持 L2 功能，例如 VLAN 和 Q-in-Q（双 VLAN 标记）。这些用于需要按服务类别隔离流量的接入网络。SD-Fabric 还支持跨 L3 架构的 L2 隧道（对于单标记和双标记 VLAN），以便在网络中移动。

在 L3 方面，SD-Fabric 支持 IPv4 和 IPv6 路由。它具有使用集中式组播树构建和 IGMP（互联网组管理协议）进行单播和组播流量的功能，用于需要加入和离开组播组的主机。

此外，SD-Fabric 还实现了重要的协议，例如用于 IPv4 的 ARP（地址解析协议）和用于 IPv6 的 NDP（邻居发现协议）。它还支持用于 IPv4 和 IPv6 的 DHCP（动态主机配置协议），用于动态 IP 地址分配。因此，SD-Fabric 可以处理内部服务器到服务器的流量和外部路由需求。

高可用性和可扩展性

SD-Fabric 通过结合成熟的技术（如双归属、链路捆绑和等价多路径 (ECMP) 路由）实现了高可用性。在此配置中，每个服务器都连接到一对机架顶部 (ToR) 交换机。每个 Leaf 交换机使用 ECMP 链路组连接到多个 Spine 交换机。因此，即使一个交换机和链路发生故障，流量也会自动重新路由，从而保持网络性能。

在可扩展性方面，SD-Fabric 可以支持多达 120,000 条路由和 250,000 个流。因此，您可以使用两个 Spine 交换机和八个 Leaf 交换机进行配置。它支持多达四个服务器机架。随着流量的增加，您可以向架构中添加更多 Spine 和 Leaf 交换机，而无需对网络配置进行重大更改。

Leaf-Spine 架构中的分段路由

SD-Fabric 使用的重要技术之一是分段路由 (SR)。分段路由描述了如何在网络中转发流量，因为您可以将端到端路径分解成一系列段。这些段由标签表示。每个标签交换步骤都由交换机的转发平面使用。

SD-Fabric 中的分段路由使用多协议标签交换 (MPLS)。例如，当流量需要在不同机架中的两个主机之间传输时，SD-Fabric 会为每个路径段（从 Leaf 到 Spine 和从 Spine 到 Leaf）分配 MPLS 标签。MPLS 标签指示数据包使用网络，从而到达其目的地。

这种基于 MPLS 的分段路由用于高效的流量传输。而 ECMP 确保流量在多条路径上得到平衡，防止任何单条链路过载。

路由和组播管理

SD-Fabric 还使用 SDN 原则处理路由和组播流量。SD-Fabric 基于对网络的全局了解来计算最佳路由和组播树，而不是运行 OSPF（开放最短路径优先）和 PIM（协议无关组播）等分布式路由协议。然后，此信息将被推送到架构交换机，无需分布式协议。

例如，如果您想创建一个组播组，SD-Fabric 控制器将构建该树并将其安装在相关的交换机上。您可以使用 RESTful API 和命令行界面 (CLI) 与这些服务交互，以编程方式管理路由和组播组。

Leaf-Spine 架构的优势

Leaf-Spine 架构在数据中心和大型网络中具有多种优势。其中一些优势如下所示：

• 低延迟 - 两层设计确保网络中的任何设备都可以在两跳内与另一个设备进行通信，从而最大限度地减少延迟。
• 高可用性 - 通过冗余连接和使用双归属和 ECMP 等技术，网络可以在不影响性能的情况下处理链路和交换机故障。
• 可扩展性 - Leaf-Spine 架构可以通过根据需要添加更多 Leaf 和 Spine 交换机来扩展，无需进行重大重新配置。
• 高效的负载均衡 - ECMP 路由在多条路径上平衡流量，防止任何单条链路成为瓶颈。
• 简化的管理 - 像 SD-Fabric 中的 ONOS 这样的 SDN 控制器具有集中控制功能，可实现动态路由、策略管理和对网络的实时可见性。

Leaf-Spine 架构的缺点

Leaf-Spine 架构也有一些缺点。其中一些如下所示：

• 成本 - 如果要实现完全互连的 Leaf-Spine 架构，需要对交换机和互连进行投资，尤其是在大规模部署中。
• 布线复杂性 - 随着交换机数量的增加，连接每个 Leaf 到每个 Spine 所需的布线可能难以管理。
• 侧重东西向流量 - Leaf-Spine 架构擅长处理东西向流量，但对于处理内部网络和外部网络之间的南北向流量，可能需要更多设计考虑。

结论

使用 SDN 原则实现 Leaf-Spine 架构具有多种优势。Leaf-Spine 架构集中连接并优化流量流，就像 SDN 控制器集中网络控制一样。它为动态网络奠定了基础，可以扩展以满足数据中心的需求。您可以利用分段路由、ECMP 和集中式路由等优势。SD-Fabric 展示了 SDN 如何将一般的网络设计转变为灵活且高性能的基础设施。Leaf-Spine 架构具有负载均衡和可用性等优势。