Los diseños de tres capas están cayendo en desgracia en las redes de centros de datos modernos, a pesar de su ubicuidad y familiaridad. ¿Qué se está apoderando? Topologías hoja-espina.
A medida que las organizaciones buscan maximizar la utilidad y la utilización de sus respectivos centros de datos, se ha incrementado el escrutinio de las topologías de red convencionales. La «topología» es la forma en que los dispositivos de red están interconectados, formando una ruta que los hosts siguen para comunicarse entre sí.
La topología del centro de datos de red estándar era una arquitectura de tres capas: la capa de acceso, donde los usuarios se conectan a la red; la capa de agregación, donde los conmutadores de acceso se cruzan; y el núcleo, donde los conmutadores de agregación se interconectan entre sí y con redes fuera del centro de datos.
El diseño de este modelo proporciona una base predecible para una red de centro de datos. Escalar físicamente el modelo de tres capas implica identificar los requisitos de densidad de puertos y comprar una cantidad adecuada de conmutadores para cada capa. Los requisitos de cableado estructurado también son predecibles, ya que la interconexión entre capas se realiza de la misma manera en todo el centro de datos. Por lo tanto, hacer crecer una red de tres capas es tan simple como pedir más conmutadores y ejecutar más cables con cifras conocidas de costos de capital y operativos.
Por qué las tres capas se quedan cortas
Sin embargo, existen muchas razones por las que los arquitectos de redes exploran nuevas topologías de centros de datos.
Quizás el más significativo es el cambio en los patrones de tráfico del centro de datos. La mayor parte del tráfico de la red se mueve a lo largo de una línea norte-sur. – los hosts se están comunicando con hosts de otros segmentos de la red. El tráfico de norte a sur fluye por el modelo para el servicio de enrutamiento y luego retrocede para llegar a su destino. Mientras tanto, los hosts dentro del mismo segmento de red generalmente se conectan al mismo conmutador, manteniendo su tráfico fuera de los puntos de interconexión de la red.
Sin embargo, en los centros de datos modernos, las alteraciones de las infraestructuras de almacenamiento y computación cambian los patrones de tráfico de red predominantes de norte a sur a este a oeste. En los flujos de tráfico de este a oeste, los segmentos de red se distribuyen a través de múltiples conmutadores de acceso, lo que requiere que los hosts atraviesen puntos de interconexión de red. Al menos dos tendencias importantes han contribuido a este fenómeno de este a oeste: la convergencia y la virtualización.
Convergencia: el tráfico de almacenamiento a menudo comparte la misma red física que el tráfico de aplicaciones. El tráfico de almacenamiento ocurre entre hosts y arreglos que están en el mismo segmento de red, lógicamente uno al lado del otro.
Virtualización: a medida que TI continúa virtualizando hosts físicos en máquinas virtuales (VM), la capacidad de mover cargas de trabajo fácilmente se ha convertido en una función normativa generalizada. Las máquinas virtuales se mueven de un host físico a otro dentro de un segmento de red.
La ejecución del tráfico de este a oeste a través de una topología de centro de datos de red que fue diseñada para el tráfico de norte a sur provoca una suscripción excesiva de enlaces de interconexión entre capas. Si los hosts de un conmutador de acceso necesitan comunicarse a alta velocidad con los hosts conectados a otro conmutador de acceso, los enlaces ascendentes entre la capa de acceso y la agregación se convierten en un potencial – y probable – punto de congestión. Los diseños de red de tres niveles a menudo agravan el problema de la conexión. Debido a que el árbol de expansión bloquea los enlaces redundantes para evitar bucles, los conmutadores de acceso con enlaces ascendentes duales solo pueden utilizar uno de los enlaces para un segmento de red determinado.
Agregar más ancho de banda entre las capas en forma de enlaces entre conmutadores más rápidos ayuda a superar la congestión en la escala del modelo de tres capas, pero solo hasta cierto punto. Los problemas con el tráfico de este a oeste de host a host no ocurren una conversación a la vez. En cambio, los hosts hablan con otros hosts en todo el centro de datos en un momento dado, todo el tiempo. Entonces, si bien agregar ancho de banda facilita estas conversaciones, es solo una parte de la respuesta.
Una nueva topología en la ciudad
El resto de la respuesta es agregar conmutadores en la capa debajo de la capa de acceso y luego extender los enlaces de la capa de acceso a la siguiente, a través de la red. Esta topología es una hoja-espina. Un diseño de columna de hoja se escala horizontalmente mediante la adición de interruptores de columna, lo que no pueden hacer las implementaciones de árbol de expansión con un diseño tradicional de tres capas.
Esto es similar al diseño tradicional de tres capas, solo que con más interruptores en la capa del lomo. En una topología de columna vertebral, todos los enlaces se utilizan para reenviar tráfico, a menudo utilizando reemplazos modernos de protocolos de árbol de expansión, como la interconexión transparente de muchos enlaces (TRILL) o el puente de ruta más corta (SPB). TRILL y SPB proporcionan reenvío a través de todos los enlaces disponibles, al tiempo que mantienen una topología de red sin bucles, similar a las redes enrutadas.
Las ventajas de la espina dorsal
Las topologías de hoja-espina son ahora el estándar de facto – es difícil encontrar un diseño que no sea la columna vertebral entre los diversos diseños de estructura Ethernet de los proveedores. Hay buenas razones para esto – leaf-spine tiene varias características deseables que favorecen a los diseñadores de redes que necesitan optimizar el tráfico este-oeste:
Todos los anfitriones de este a oeste son equidistantes. La espina de la hoja ensancha las capas de acceso y agregación. Un host puede hablar con otro host en cualquier otro conmutador de hoja y saber que el tráfico solo atravesará el conmutador de hoja de entrada, el conmutador de columna y el conmutador de hoja de salida. Como resultado, las aplicaciones que se ejecutan en esta infraestructura de red se comportarán de manera predecible, lo cual es una característica clave para las organizaciones que ejecutan aplicaciones web de múltiples niveles, clústeres de computación de alto rendimiento o comercio de alta frecuencia.
Leaf-spine utiliza todos los enlaces de interconexión. El diseño tradicional de tres capas utiliza spanning-tree, un protocolo de prevención de bucles. Como se mencionó anteriormente, el árbol de expansión detecta bucles y luego bloquea los enlaces que forman el bucle. Esto significa que los conmutadores de acceso de doble hogar solo utilizan uno de sus dos enlaces ascendentes. Las alternativas modernas como SPB y TRILL permiten que todos los enlaces entre la hoja y la columna reenvíen el tráfico, lo que permite que la red se amplíe a medida que aumenta el tráfico.
Admite conmutadores de configuración fija. Los conmutadores de configuración fija se envían con un número específico de puertos, en comparación con los conmutadores de chasis, que cuentan con ranuras modulares que se pueden llenar con tarjetas de línea para cumplir con los requisitos de densidad de puertos. Los conmutadores de chasis tienden a ser costosos en comparación con los conmutadores de configuración fija. Pero los conmutadores de chasis son necesarios en las topologías tradicionales de tres capas, donde un gran número de conmutadores de una capa se conectan a dos conmutadores en la siguiente capa. Leaf-spine permite que las interconexiones se extiendan a través de una gran cantidad de interruptores de spine, obviando la necesidad de interruptores de chasis masivos en algunos diseños de leaf-spine. Si bien los conmutadores de chasis se pueden utilizar en la capa de espina dorsal, muchas organizaciones están encontrando ahorros en los costos al implementar espinas de conmutador fijo.
Leaf-spine es actualmente el diseño preferido para topologías de centros de datos de casi cualquier tamaño. Es predecible, escalable y resuelve el problema del tráfico este-oeste. Cualquier organización cuya infraestructura de TI esté avanzando hacia la convergencia y los altos niveles de virtualización debe evaluar una topología de red de columna vertebral en su centro de datos.
Los contras de la espina dorsal de la hoja
La espina de la hoja no está exenta de defectos. Un inconveniente es que el recuento de interruptores es alto para obtener la escala requerida. Las topologías de columna vertebral en el centro de datos deben escalar hasta el punto en que puedan admitir los hosts físicos que se conectan a ellos. Cuanto mayor sea el número de conmutadores de hoja necesarios para el enlace ascendente de todos los hosts físicos, más ancha debe ser la columna vertebral para acomodarlos.
Una columna solo puede extenderse hasta cierto punto antes de que los interruptores de la columna estén fuera de los puertos y no puedan interconectar más interruptores de hoja, o la tasa de suscripción excesiva entre las capas de hoja y columna es inaceptable. En general, se considera aceptable una tasa de sobresuscripción de 3: 1 entre la capa de la hoja y la espina dorsal. Por ejemplo, 48 hosts que se conectan a la capa de hoja a 10 Gbps usan un máximo potencial de 480 Gbps. Si la capa de hoja se conecta a la capa de la columna vertebral utilizando 4 enlaces ascendentes de 40 Gbps, el ancho de banda de interconexión es de 160 Gbps, para una relación de sobresuscripción de 3: 1.
Las redes de columna vertebral también tienen requisitos de cableado importantes. El número de cables necesarios entre la hoja y la capa de la espina aumenta con la adición de un interruptor de espina. Cuanto más ancha sea la columna, más interconexiones se requieren. El desafío para los administradores de centros de datos es estructurar las plantas de cableado para que tengan suficientes hilos de fibra óptica para interconectar las capas. Además, la interconexión de conmutadores a decenas de metros de distancia requiere módulos ópticos costosos, lo que aumenta el costo general de una implementación de columna vertebral. Si bien existen módulos de cobre económicos que son útiles para distancias cortas, los módulos ópticos son necesarios y tienen un costo significativo en los centros de datos modernos.
