Datacenter Network - Leaf/Spine Topolojisi

Bu yazıda Datacenter yapılarında sunucular arası ve/veya sunuculardan dışarıdaki ağlara iletişimin gerçekleşmesi esnasında kullanılan Switch yapılarından bahsedeceğiz. Aşağıdaki görselde Datacenter'lardaki Doğu-Batı ve Kuzey-Güney yönündeki veri trafik şemasını görebiliyoruz. Burada görüldüği üzere trafik her iki oryantasyonda da Leaf ve Spine Switch'lerinden anahtarlanmaktadır. Spine Switch yüksek kapasiteli yapısıyla global networke , internete bağlanmasını sağlar.

Şekil 1 - Life/Spine topolojisi 

Neden Leaf/Spine Mimarisi?

Cloud, IoT ve sanal datacenter uygulamalarının bolca kullanılması ve yaygınlaşmasının sonucu olarak özellikle Datacenter haberleşmesinde ethernet fiziksel iletişim hızı olarak 10G hızı artık uygulanabilir ve tercih edilebilir olmaktan çıkıyor. Bunun yerine 40G/100G hızları ihtiyacı daha karşılayabilir niteliktedir ve artık birçok network anahtarlama veya yönlendirici cihazında kulanılmaktadır. 40G/100G hızlarının network cihazlarında yer almasıyla beraber mevcut Datacenter Network mimarisinde de yeni topolojiler verimi artırmaktadır. 

Geleneksel Datacenter Network yapısında üçlü bağlayıcı network (three-tier) mimarisi kullanılmaktadır. Fakat 40/100G 'nin entegre olmasıyla yeni bir network mimarisi bu geleneksel yapının dezavantajlarını ortadan kaldırabilmektedir. Life/Spine mimarisi burada sözünü ettiğimiz modern network mimarisidir. 

Şekil 2 - Life/Spine vs Traditional 3-Tier topolojisi

Leaf/Spine topolojisi iki katmanlı ve adından anlaşılacağı üzere Leaf ve Spine türünde switchlerden oluşan bir network topolojisidir. Aslında veri merkezi ağlarında kullanılan bu topoloji ve yukarıda bahsettiğimiz oryantasyonlardan doğu-batı doğrultusundaki trafiğin kontrolü konusunda, kuzey-güney doğrultusuna göre daha efektif çalışırlar. Leaf Switch'ler sunuculara ve depolama cihazlarına bağlılarken, Spine Switchler bir üst seviyede bu Leaf Switchleri birbirine bağlayan yapılardır. Daha doğrusu Leaf Switch'lerin trafikleri Spine Switch'lerde toplanır ve yönlendirilir.

Leaf/Spine Mimarisi Avantajları 

Leaf/Sine mimarisinin geleneksel üçlü bağlayıcı mimarisine göre avantajları şöyle sıralanabilir,

• Life/Span mimarisi (ikili bağlayıcı) kullanılarak sinyal anahtarlama katmanında geçerken toplam sinyal gecikmesi indirgenebilir.

• Leaf/Spine mimarisi, Datacenter'ların sürekli değişim haline daha adapte olabilir yapıdadır. Network'te aşırı talep sonucu yükün aşırı hale gelmesi veya katmanlar arası bantgenişliği sorunu yaşanması durumlarında Life/Spine mimarisinde networke Spine Switch eklenerek port kapasitesi artırılabilir ve uplink yeteneği genişletilerek Leaf Switch'lere kazandırılabilir.

• Leaf/Spine mimarisinde network, Layer 3 routing işlevini kullanır. Tüm trafik yönlendirmesi aktif bir durumda konfigüre edilir. Bu sayede networkteki istenmeyen döngüler engellenir ve networkün stabil kalması sağlanır. 

Çalışma Mantığı 

Leaf/Spine mimarisindeki her Leaf Switch cihazı, sunculardan trafiği toplayıp ağın çekirdeği olan Spine Switch'lere aktarır. Leaf Switch'ler  ağ dokusundaki tüm Spine cihazlarına bağlanır. Haliyle Spine Switch'ler de tüm Leaf Switch'lere bağlı olmuş olurlar. Bunun sonucu olarak Leaf/Spine yapısında bir sunucu hangi Leaf Switch' bağlı olursa olsun, başka bir sunucuya her bağlandığında ya da bağlanmak istediğinde aynı sayıda cihazı geçmesi gerekir. Bu topolojide gecikmeler, tıkanıklıklar minimize edilmiş olur bu şekilde. Çünkü bu yapıda her bir veri yükü, hedef olan bir uç noktasına gidebilmek için bir Spine Switch'e ve başka bir Leaf Switch'e gitmesi gerekir. Spine Switch'ler çok fazla Leaf Switch kendilerine bağlı olduğu ve trafik yükünü sırtladıkları için yüksek port kapasitelerine sahip olmak zorundadırlar. Aksi takdirde gecikmenin minimum olması ve verinin hızlı bir şekilde global ağda hareket edebilmesi gereken datacenter ağlarında gecikmeler ve tıkanıklıklar artacaktır. Ayrıca Spine Switch'ler burdaki mimarinin çekirdeği konumundadırlar ve bazen Core Switch olarak da isimlendirilebilirler.

Şekil 3 - Örnek Life/Spine topolojisi (Dell marka ürünler)

Leaf Switch  

Yüksek kapasiteli switch olarak bildiğimiz ve geleneksel mimaride 24/48 port Access Switch'lerin toplayıcısı olarak çalışan ToR (Top-of-Rack) switchler aslında bu mimaride Leaf switch görevi görürler. Yukarıdaki görselde Leaf Swtich olarak gösterilen Dell firmasının S4810 modeli bu topolojide ToR switch fonksiyonuyla Leaf Switch olarak belirtilmiştir. Örnek olarak bu ciahzın niteliklerini biraz incelyebiliriz diye düşündüm.

Dell Networking S4810 ToR Switch 

Cisco Nexus 9396PX ToR Switch

http://i.dell.com/sites/doccontent/shared-content/data-sheets/en/documents/dell_force10_s4810_spec_sheet.pdf

Kaynaklar

https://www.wikiwand.com/en/Data_center_network_architectures

https://searchdatacenter.techtarget.com/definition/Leaf-spine

https://www.sdxcentral.com/data-center/definitions/what-are-leaf-switches/

https://www.cisco.com/c/en/us/products/switches/nexus-9396px-switch/index.html

http://i.dell.com/sites/doccontent/shared-content/data-sheets/en/documents/dell_force10_s4810_spec_sheet.pdf

http://www.fiber-optic-tutorial.com/connect-cisco-nexus-9396px-40g-network.html