Flache Hierarchie im East-to-West-Routing

Was ist eine Spine-Leaf-Architektur?

| Autor / Redakteur: Otto Geißler / Ulrike Ostler

Zwei große Trends haben zum East-West-Routing beigetragen: Konvergenz und Virtualisierung.
Zwei große Trends haben zum East-West-Routing beigetragen: Konvergenz und Virtualisierung. (Bild: © djama - stock.adob.com)

Die Spine-Leaf-Architektur ist eine moderne Netzwerk-Architektur für Datacenter und soll die Engpässe der klassischen Recehnzentrumsarchitektur, zum Beispiel lange Umschaltzeiten und komplexe Verwaltung, neutralisieren.

In Datacenter nimmt bereits seit geraumer Zeit die Zahl der virtualisierten Applikationen zu. Dieser Trend wird insbesondere von Cloud Computing, SaaS und IP-Storage vorangetrieben. Gleichzeitig wird übersehen, dass damit auch ein Bedarf an leistungsstarken Gigabit-Ethernet-Verbindungen einhergeht.

Während früher das Verhältnis der extern und intern gerouteten Verbindungen bei vier zu eins lag, hat sich das Verhältnis heute längst umgekehrt. Auf Grund der hohen Nutzung von Plattform-Virtualisierungen kommen auf eine externe Verbindung vier interne. Das hat die logische Konsequenz, dass ein wesentlicher Anteil des Datenflusses in Zukunft innerhalb der Infrastruktur eines Datacenter zwischen virtuellen Servern ablaufen wird.

Netzwerk-Topologien auf dem Prüfstand

IT-Infrastruktur-Planer müssen nun handeln und ihre Routing-Strategien und Netzwerk-Topologien an die aktuellen Trends anpassen. Übrigens, unter einer Topologie versteht man die Art und Weise wie Netzwerkgeräte miteinander verbunden sind und wie die Hosts untereinander kommunizieren. Eine herkömmliche Netzwerk-Topologie besteht in der Regel aus drei Schichten:

  • Core-Layer (Kernschicht). In dieser Ebene sind die Aggregations-Switches miteinander verbunden. Zugleich wird mit Netzwerken außerhalb des Rechnungszentrums kommuniziert.
  • Aggregation-Layer (Aggregationsschicht). Auf dieser Ebene kommunizieren die Zugriffs-Switches miteinander.
  • Access-Layer (Zugriffsschicht). Über diese Ebene haben sich die User mit dem Netzwerk verbunden

Die Zugriffsschicht ist mit der Aggregationsschicht redundant verbunden sowie auch mit der Kernschicht. Die Aggregationsschicht verbindet angrenzende Access-Layer-Switches und Datacenter-Reihen. Die Kernschicht sorgt für Routing-Services zu anderen Teilen des Rechenzentrums sowie auch zu solchen, die außerhalb verortet sind.

Damit sind das Internet oder andere Außenstellen gemeint. Eine solche klassische Client-Server-Topologie wird auch als North-to-South-Routing bezeichnet. Das bedeutet, der North-South-Traffic fließt in einem Routing-Modell erst nach unten und dann wieder nach oben. Der Datenverkehr wird absichtlich von den Verbindungsknoten fern gehalten.

Was die Skalierbarkeit angeht, so ist diese traditionelle dreischichtige Router-Architektur durchaus praxistauglich. Jedoch können sich leicht „Flaschenhälse“ (Latenz) zwischen den beschriebenen Ebenen bilden. Solche Engpässe können auch durch redundante Links entstehen, sofern sie verwendet werden. Kein Wunder, denn dieses vertikale Routing-Schema im der Vergangenheit für ein „externes Routing“ konzipiert wurde.

Spine-Leaf-Architektur als Lösungsansatz

Da eine zunehmende Verbreiterung von virtualisierten Servern horizontale Routing-Verbindungen erfordert, ist es angezeigt, dass die RZ-Planer auf eine andere Router-Topologie umstellen und die Datenlaufzeit optimieren. Das heißt, an die Stelle der herkömmlichen Topologie tritt idealerweise eine Spine-Leaf-Architektur.

Damit also die Zwischenebenen wie bei der klassischen Aggregationsschicht wegfallen, müssen die Router direkt über eine vernetzte Kreuzverbindung angebunden werden. Für eine solche Topologie hat sich der Name East-to-West-Routing durchgesetzt. Bei einem East-West-Traffic verteilen sich also die Netzwerksegmente auf mehrere Zugriffs-Switches und die Hosts müssen Verbindungsknoten passieren – im Gegensatz zum North-South-Traffic.

Das Strukturmodell einer Spine-Leaf-Architektur sieht dann folgendermaßen aus: Core-Layer, Spine-Layer und Leaf-Layer. An der oberen Ebene ist der Core-Layer und der Leaf-Layer bildet die untere Ebene. Wobei hier der Leaf-Layer dem Access-Layer entspricht und daran die Server und Speichereinheiten angeschlossen sind.

Das Entscheidende: Die Leaf-Switches sind eng verflochten und mit den Spine-Switches verbunden. Diese Verflechtung soll garantieren, dass zwischen den Leaf- beziehungsweise Access-Switches nicht mehr als ein Hop (Weg von einem Netzknoten zum nächsten) besteht. Daraus resultiert eine deutliche Reduktion der Latenzzeit. Engpässe zwischen den Access-Switches treten nun nicht oder nur ganz selten auf.

Spine-Leaf-Topologie ist Standard

In den Designs der Portfolios von Netzwerkanbietern findet man heute meist nur noch Leaf-Spine. Da die beiden Schichten Zugriff und Aggregation erweitert sind, kann ein Host mit einem anderen über jeden beliebigen Leaf-Switch in Verbindung treten. Zudem weiß man immer, dass der Datenverkehr nur über den Eingangs-Leaf-Switch, den Spine-Switch und den Ausgangs-Leaf-Switch fließt.

Auf diese Weise kann das Verhalten von Anwendungen vorhergesagt werden. Im Falle von mehreren Multi-Tiered-Webanwendungen ist das von entscheidender Bedeutung. Das gilt zum Beispiel auch für High-Performance-Computing-Cluster und Hochfrequenz-Handel.

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