新型數據中心網絡結構向“葉脊架構”轉化-摩泰光電

近年來，隨著互聯網，尤其是移動互聯網的蓬勃發展，諸如大數據、移動支付、云存儲、視頻自媒體、車聯網等多種應用，都對數據中心的高速訪問、高性能計算、海量數據存儲、業務靈活遷移等提出更高的要求。因此，各大互聯網、IDC企業都相繼在數據中心建設一張高性能、高可靠性、可靈活遷移的大二層網絡。

傳統的三層架構由核心層、匯聚層和接入層組成，但該架構有一個突出的技術矛盾點，既可靠性與鏈路利用率的矛盾，架構中存在多設備多路徑冗余，為了避免環路和廣播風暴的形成，啟用了STP協議，從而導致鏈路的利用效率嚴重不足。

該架構的另一個不足是其設計初衷主要針對南 - 北向流量，雖然也支持東 - 西向流量，但存在明顯的不足，如圖1，在東 - 西向流量中，傳輸路徑為接入---匯聚---核心---匯聚---接入，不僅僅浪費核心交換機的資源，多層轉發還大大增加了延時，并且數據包的轉發路徑跳數不同，從而導致數據包轉發不一致，進一步影響最終用戶訪問的響應時長。

圖1 傳統的三層架構

所以，本質上傳統三層架構只是保證傳輸備份，數據流方向的變化使得某種程度上不在適應數據中心的網絡需求。而葉脊網絡架構和相關協議的出現，則很好地解決了傳統三層網絡架構存在的不足，其構成的大二層網絡，能更好地滿足數據中心云計算和虛擬化技術對于網絡性能和業務靈活遷移的需求。

葉脊網絡架構由葉子層（葉層）和脊椎層（脊層）組成。葉交換機作為接入交換機，連接各服務器、存儲等設備，脊交換機作為主干層負責路由轉發。在該架構中，每臺葉層交換機都與每臺脊層交換機連接，形成一個全互聯的拓撲結構。如圖2：

圖2 葉脊網絡架構

葉脊網絡架構的優勢非常明顯：

? 第一，低延遲：

位于不同葉交換機上的服務器，其流量始終只需要經由一臺脊交換機轉發一次，既可達到目標服務器所在的葉交換機，使得數據包具有等長路徑，延遲時間變得可預測，轉發次數大大降低，從而降低延遲。

? 第二，高效率：

通過ECMP動態選擇多條路徑進行通信的負載均衡，相較于二層網絡上采用的STP協議能夠更好的利用多條鏈路進行流量傳輸，大大增加了效率。

? 第三，高擴展：

由于同一個域中不同的葉交換機提供同樣的路徑和延時接入，使得這種大二層網絡業務可以在不同的也交換機之間靈活遷移，當帶寬不足時，增加脊交換機數量，可水平擴展帶寬。當服務器數量增加時，增加脊交換機數量，也可以擴大數據中心規模。更加有利于云計算和虛擬化的應用。

? 第四、低要求：

南北向流量，可以從葉節點出去，也可從脊節點出去。東西向流量，分布在多條鏈路，可大大降低對交換機高帶寬、高性能的昂貴需求。

? 第五，更可靠：

傳統網絡采用STP協議，當一臺設備故障時就會重新收斂，影響網絡性能甚至發生故障。而葉脊架構中采用TRILL協議（多鏈路透明互聯協議），當一臺設備故障時，不需重新收斂，流量繼續在其他正常路徑上通過，網絡連通性不受影響，帶寬也只減少一條路徑的帶寬，性能影響微乎其微。

目前數據中心間的數據流量大大提高，葉脊架構在IDC間數據傳輸性能表現優異，根據葉脊交換機之間不超過3:1的合理帶寬比例部署，該架構對光模塊的需求相比于傳統架構提升至少5倍，大大提高光模塊和跳線的使用量。如表1：（數據來源于公開資料整理）

表1 葉脊架構和傳統架構光模塊需求量對比

數據中心	構架	光模塊數量
數據中心	構架	10G	40G	100G
960臺服務器小型數據中心	傳統構架	2000	16	4
960臺服務器小型數據中心	葉脊構架	1920	160	16
1000個機柜中大型數據中心	傳統構架	128000	160	8
1000個機柜中大型數據中心	葉脊構架	120000	4800	32

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