Richtig Netzwerken im Datacenter Ethernet Fabrics machen Netze flexibel

Autor / Redakteur: Frank Witte / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Virtualisierung, Konvergenz, Mobilität: Aktuelle Herausforderungen können nur flexible, schnelle und automatisch anpassbare Netzwerke erfüllen. Ethernet Fabrics gewährleisten dabei Performance und Skalierbarkeit.

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Im Vergleich zu klassischen hierarchischen Ethernet-Architekturen bieten Ethernet Fabrics mehr Leistung, effiziente Ressourcen-Nutzung, Verfügbarkeit und Einfachheit.
Im Vergleich zu klassischen hierarchischen Ethernet-Architekturen bieten Ethernet Fabrics mehr Leistung, effiziente Ressourcen-Nutzung, Verfügbarkeit und Einfachheit.
(Bild: Kadmy - Fotolia.com)

In den vergangenen Jahren sind die Ansprüche an das Netzwerk im Rechenzentrum kontinuierlich gewachsen. Hier werden zentral geschäftskritische Informationen zur Verfügung gestellt, so dass Ausfälle oder selbst Wartungsfenster nicht tolerierbar sind. Gleichzeitig werden die Aufgaben immer komplexer.

Der Datenverkehr im Rechenzentrum besteht heute aus zahlreichen unterschiedlichen Anwendungen. Dazu zählen neben klassischen Client-Server-Applikationen auch Web Services, Unified Communications-Dienste, mobile Apps, IP-Telefonie und Video-Konferenzen bis hin zu Cloud-basierten Services. Zudem wird das Netzwerk dazu verwendet, um Storage-Systeme über iSCSI oder NAS anzubinden.

Die verschiedenen Anwendungen besitzen unterschiedliche Traffic-Muster, zudem erfordern vor allem mobile und Cloud-basierte Anwendungen dynamisch skalierbare Ressourcen. So steigen die Anforderungen an das Netzwerk im Rechenzentrum in Bezug auf Performance, Latenz, Flexibilität, Verfügbarkeit und Verlustfreiheit permanent. Gleichzeitig sind die IT-Abteilungen gefordert, die Services möglichst effizient und kostensparend bereitzustellen.

Klassische RZ-Architekturen reichen nicht mehr

Damit sind klassische Ethernet-Netzwerke zunehmend überfordert. Zum Beispiel kann ein einzelner Switch nicht alle benötigten Netzwerkanschlüsse bereitstellen. So sind zur Skalierung immer wieder neue Switches meist manuell im Rechenzentrum zu installieren – sowie aufgrund der Ausfallsicherheit redundant zu halten.

Hierarchisch aufgebaute Netzwerktopologien werden schnell komplex und benötigen oft lange Umschaltzeiten. Wird zum Beispiel eine Verbindung ergänzt, ändert sich die Topologie und das RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) kann den gesamten Netzwerk-Verkehr anhalten, wenn sich daraus eine neue Struktur ergibt.

Fällt eine Rootbridge aus, dauert das Umschalten in der Praxis oft Minuten. Dies ist für die heutigen Anforderungen an Hochverfügbarkeit jedoch viel zu lang, daher sind moderne Verfahren gefragt.

Zudem funktioniert in klassischen Topologien jeder Switch eigenständig und verfügt über eine eigene Kontroll- und Daten-Ebene. Da jeder Switch mit spezifischen Konfigurationsparametern wie VLANs, ACLs, Policies oder QoS-Parametern zu versehen ist, bedeutet dies einen deutlichen Mehrfachaufwand. Zudem ist die manuelle Konfiguration fehleranfällig und meist nicht durchgehend konsistent.

Lösung von Storage abgeschaut

Um diese Nachteile zu vermeiden und eine flexible, skalierbare und effiziente Netzwerktopologie bereitzustellen, haben sich diverse Hersteller einen Ansatz aus dem Storage-Bereich abgeschaut, der ähnliche Anforderungen erfüllt. Er orientiert sich an den Fibre-Channel-SAN-Switches, die anstelle von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auf der Architektur einer zentralen Fabric basieren. Diese besitzt eine hohe Redundanz durch Quervernetzungen und ist auf hohen Durchsatz, Bandbreite und Ausfallsicherheit ausgelegt.

Durch die Übernahme einer entsprechenden Architektur in das Netzwerk unter dem Begriff Ethernet Fabrics wachsen damit die Infrastrukturen von Server, Storage und Netzwerk immer enger zusammen. Entsprechend erfüllt ein dynamisches Rechenzentrum nicht nur die aktuellen Anforderungen hinsichtlich Flexibilität und Skalierbarkeit, sondern bringt auch ein effizientes, automatisiertes Management mit sich.

In den neuesten Konzepten erfolgt zudem die Steuerung der Netzwerkinfrastruktur zentral über einen Software-Defined Network (SDN) basierten Ansatz. Ethernet Fabrics zeichnen sich hier durch hohe Skalierbarkeit und einen geringeren Verkabelungsaufwand aus.

Software Defined anstelle von 3-Tier

Anstelle der klassischen 3-Tier Architektur, in der ein Server über mindestens eine Distributions-Ebene an das Kernnetzwerk angebunden wird, bietet Ethernet Fabrics sehr flache Hierarchien in der Netzwerktopologie, die als Clos-Architektur bekannt sind, da es über einen Leaf und einen Spine für die Access- und Core-Ebene kurze Wege mit hoher Performance ermöglicht.

Die Infrastruktur im Rechenzentrum eröffnet dann die Möglichkeit für Scale-Out-Architekturen, die zum Beispiel in einer Art Baukasten auch Server- und Storage-Systeme integrieren. Diese standardisierten Block-Lösungen ermöglichen die einfache Bereitstellung virtueller Services in Form eines „Datacenters in a Box“.

Wie kommen physische Netze und virtualisierte zusammen?

Doch wie erfolgt die Verbindung zwischen dem virtualisierten und dem realen Netzwerk? Auch hier spielen Ethernet Fabrics ihre Vorteile aus, indem sich die Anbindung ohne Medienbrüche homogen auf Basis von Ethernet realisieren lässt. In einer weiteren Ausbaustufe können mehrere virtualisierte Umgebungen miteinander verbunden sowie mit Services in anderen Bereichen des Rechenzentrums, zum Beispiel getrennt nach Brandabschnitten, skalierbar in einem RZ-Netzwerk verknüpft werden.

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Während eine solche Intra-Datacenter-Scale-Out-Architektur noch per Kupfer- oder Glasfaser-Verkabelung funktioniert, ist bei einer Vernetzung von Rechenzentren an unterschiedlichen Standorten eine optische oder IP-Anbindung eines Providers nötig. Derartige Intra-Datacenter-Scale-Out-Architekturen sind heute bereits weit verbreitet.

Standardisierte RZ-Infrastrukturen, die im eigenen Unternehmen aufgebaut und auch als Private Cloud bezeichnet werden, lassen sich in einer weiteren Stufe gemeinsam mit Public Cloud Services nutzen. Derartige Hybrid Cloud-Umgebungen werden von Kunden zunehmend angefragt.

Funktionsbasis

Das Ziel von Ethernet Fabrics ist Skalierbarkeit ohne den Verlust von Performance. So wird zum Beispiel eine klassische Netzwerkarchitektur (hierarchischer 2-Tier und 3-Tier-Aufbau) oftmals auf eine maximale Ausbaustufe ausgelegt.

Die Erweiterungsfähigkeit im Server Access ist damit auf die physikalische Netzwerkperformance limitiert. Beim Hinzufügen weiterer Server gerät die Performance schnell an ihre Grenzen. Abhilfe schaffen oftmals nur umfangreiche Erweiterungen der Netzwerkinfrastruktur durch höhere Leistungen wie 10 oder 40 GB, sofern die Systemlandschaft das zulässt.

Bei Netzwerkarchitekturen, die auf Ethernet Fabrics basieren, genügt in einem solchen Fall der Einschub weiterer Module, um mehr Performance zu gewährleisten. So lässt sich das System einfach und schnell erweitern, ohne die Verkabelung zu verändern.

Diese Lösungen unterstützen zudem eine nahtlose Integration zur Virtualisierung des Netzwerks, die auf der Ebene der Server stattfindet. Der virtuelle Switch funktioniert also auf dem Server, meist über eine 10-GB-Schnittstelle. Was heute die physikalischen Systeme abbilden, übernehmen in Zukunft virtuelle Funktionalitäten, dazu gehören neben dem Switching und Routing zum Beispiel auch Security-Profile.

Komplexe Einführung

Lösungen für Ethernet Fabrics sind zwar schon seit mehreren Jahren auf dem Markt, doch haben sie sich bis heute noch nicht überall durchgesetzt. Während sie ursprünglich eine reine Netzwerk-Infrastrukturlösung boten, enthalten heutige Konzepte nun auch Tools zur Optimierung, Automatisierung und Orchestrierung von Services, wodurch sich Private Cloud Services einfach realisieren lassen.

Damit sind sie für alle Unternehmen interessant, die eine hohe Performance sowie Skalierbarkeit, Hochverfügbarkeit und Flexibilität benötigen. Auch Firmen, die Hybrid Cloud-Lösungen nutzen oder einen hohen Anteil an Virtualisierung besitzen, sollten die Einführung von Ethernet Fabrics prüfen.

Allerdings ist dazu ein Umdenken nötig, da es ein vollständig anderes Netzwerkkonzept erfordert. So sind die genutzten Applikationen, der Anschluss der Server und die optimale Verkabelung zu konzeptionieren, um das ideale Verhältnis zwischen Ost-West- (zwischen verschiedenen Servern) und Nord-Süd-Traffic (zwischen Client und Server) zu ermitteln.

Weg mit alten Zöpfen

Zudem sollten sich möglichst viele Services automatisieren und orchestrieren sowie weitere Produkte, etwa für die Betriebsautomation oder Infrastrukturservices, integrieren lassen. Die Virtualisierung auf Basis von Hypervisoren hat dabei mit entsprechenden Switches zu funktionieren.

Auch die Komplexität der Implementierung ist nicht zu unterschätzen. Die Integration physikalischer und virtualisierter Umgebungen erzeugt eine große Heterogenität mit zahlreichen Schnittstellen. Aus diesem Grund sollte ein erfahrener Dienstleister bei der Konzeptionierung und Umsetzung hinzugezogen werden.

Schließlich haben die Unternehmen durch die hohen Kosten, den Aufwand und das operative Risiko durch Ausfallzeiten nur einen Versuch für die Konzepterstellung, Validierung und Migration. Während bislang Netzwerke nur einfach erweitert wurden, stellen Ethernet Fabrics einen grundlegenden Architekturwechsel dar. Und eine solche Umgebung wird nicht einfach spontan aufgebaut.

Fazit

Im Vergleich zu klassischen hierarchischen Ethernet-Architekturen bieten Ethernet Fabrics mehr Leistung, effiziente Ressourcen-Nutzung, Verfügbarkeit und Einfachheit. Unternehmen können damit ihre Kosten senken und die Virtualisierungskette über das Rechenzentrum hinaus bis zum Desktop des Anwenders verlängern.

Frank Witte
Frank Witte
(Bild: Bernd Arnold / Computacenter)

Sie benötigen das Spanning Tree Protocol nicht mehr, können aber mit bestehenden Ethernets weiterarbeiten. Ethernet Fabrics lassen sich in bestehende RZ-Infrastrukturen integrieren und passen sich flexibel an die Anforderungen an. Das Netz ist somit bereit für den steigenden Bedarf an Leistung, Funktionalität und Automatisierung.

Über den Autor

Frank Witte ist Solution Manager Consulting Services bei Computacenter.

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