新型数据中心网络结构向“叶脊架构”转化

        近年来，随着互联网，尤其是移动互联网的蓬勃发展，诸如大数据、移动支付、云存储、视频自媒体、车联网等多种应用，都对数据中心的高速访问、高性能计算、海量数据存储、业务灵活迁移等提出更高的要求。因此，各大互联网、IDC企业都相继在数据中心建设一张高性能、高可靠性、可灵活迁移的大二层网络。

        传统的三层架构由核心层、汇聚层和接入层组成，但该架构有一个突出的技术矛盾点，既可靠性与链路利用率的矛盾，架构中存在多设备多路径冗余，为了避免环路和广播风暴的形成，启用了STP协议，从而导致链路的利用效率严重不足。

        该架构的另一个不足是其设计初衷主要针对南 – 北向流量，虽然也支持东 – 西向流量，但存在明显的不足，如图1，在东 – 西向流量中，传输路径为接入---汇聚---核心---汇聚---接入，不仅仅浪费核心交换机的资源，多层转发还大大增加了延时，并且数据包的转发路径跳数不同，从而导致数据包转发不一致，进一步影响最终用户访问的响应时长。

图1 传统的三层架构

        所以，本质上传统三层架构只是保证传输备份，数据流方向的变化使得某种程度上不在适应数据中心的网络需求。而叶脊网络架构和相关协议的出现，则很好地解决了传统三层网络架构存在的不足，其构成的大二层网络，能更好地满足数据中心云计算和虚拟化技术对于网络性能和业务灵活迁移的需求。

        叶脊网络架构由叶子层（叶层）和脊椎层（脊层）组成。叶交换机作为接入交换机，连接各服务器、存储等设备，脊交换机作为主干层负责路由转发。在该架构中，每台叶层交换机都与每台脊层交换机连接，形成一个全互联的拓扑结构。如图2：

图2 叶脊网络架构

        叶脊网络架构的优势非常明显：

        ⦁ 第一，低延迟：

        位于不同叶交换机上的服务器，其流量始终只需要经由一台脊交换机转发一次，既可达到目标服务器所在的叶交换机，使得数据包具有等长路径，延迟时间变得可预测，转发次数大大降低，从而降低延迟。

        ⦁ 第二，高效率：

        通过ECMP动态选择多条路径进行通信的负载均衡，相较于二层网络上采用的STP协议能够更好的利用多条链路进行流量传输，大大增加了效率。

        ⦁ 第三，高扩展：

        由于同一个域中不同的叶交换机提供同样的路径和延时接入，使得这种大二层网络业务可以在不同的也交换机之间灵活迁移，当带宽不足时，增加脊交换机数量，可水平扩展带宽。当服务器数量增加时，增加脊交换机数量，也可以扩大数据中心规模。更加有利于云计算和虚拟化的应用。

        ⦁ 第四、低要求：

        南北向流量，可以从叶节点出去，也可从脊节点出去。东西向流量，分布在多条链路，可大大降低对交换机高带宽、高性能的昂贵需求。

        ⦁ 第五，更可靠：

        传统网络采用STP协议，当一台设备故障时就会重新收敛，影响网络性能甚至发生故障。而叶脊架构中采用TRILL协议（多链路透明互联协议），当一台设备故障时，不需重新收敛，流量继续在其他正常路径上通过，网络连通性不受影响，带宽也只减少一条路径的带宽，性能影响微乎其微。

        目前数据中心间的数据流量大大提高，叶脊架构在IDC间数据传输性能表现优异，根据叶脊交换机之间不超过3:1的合理带宽比例部署，该架构对光模块的需求相比于传统架构提升至少5倍，大大提高光模块和跳线的使用量。如表1：（数据来源于公开资料整理）

表1 叶脊架构和传统架构光模块需求量对比

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