软件定义网络 - 叶脊结构

软件定义网络 (SDN) 叶脊结构用于设计数据中心的可扩展高性能网络。叶脊结构优化了数据流，以实现跨网络设备的有效通信，就像 SDN 控制器的集中控制一样。

双层交换结构

叶脊结构中的双层交换结构有两种类型的交换机:叶交换机和脊交换机。网络中的每个设备都与其他每个设备进行可预测且低延迟的通信。这些交换机如下所述 −

叶交换机

这些是接入层交换机。它们连接机架内的服务器、防火墙、负载平衡器和其他设备。每个机架有两个叶交换机以实现冗余。因此，如果一个叶交换机发生故障，第二个交换机将保持连接。

主干交换机

主干交换机构成网络的核心。每个叶交换机连接到结构中的每个主干交换机，以创建完全网状拓扑。因此，流量最多以两跳的速度从一个叶交换机流向另一个叶交换机 - 叶到主干和主干到叶。

东西向流量(数据中心内设备之间的流量)在此架构中进行了优化，以实现低延迟通信。您可以将所有叶交换机连接到所有主干交换机。因此网络的流量分布均匀。

SD-Fabric 的功能

SD-Fabric 是基于 SDN 的叶-主干架构实现。它建立在 ONOS(开放网络操作系统)上。您可以管理第 2 层 (L2) 和第 3 层 (L3) 连接。它向您展示了如何使用 SDN 构建生产级网络。

第 2 层和第 3 层连接

SD-Fabric 支持 L2 功能，如 VLAN 和 Q-in-Q(双 VLAN 标记)。这些功能用于需要按服务类别隔离流量的接入网络。SD-Fabric 还支持跨 L3 结构的 L2 隧道，以便单标记和双标记 VLAN 在网络中移动。

就 L3 而言，SD-Fabric 支持 IPv4 和 IPv6 路由。它具有使用集中式多播树构造和 IGMP(Internet 组管理协议)处理单播和多播流量的功能，适用于需要加入和离开多播组的主机。

此外，SD-Fabric 还实现了重要的协议，如用于 IPv4 的 ARP(地址解析协议)和用于 IPv6 的 NDP(邻居发现协议)。 DHCP(动态主机配置协议)也支持 IPv4 和 IPv6，用于动态 IP 地址分配。因此，SD-Fabric 可以处理内部服务器到服务器流量和外部路由需求。

高可用性和可扩展性

SD-Fabric 结合了成熟的技术，如双归属、链路绑定和等价多路径 (ECMP) 路由，具有高可用性。在此配置中，每台服务器连接到一对机架顶 (ToR) 交换机。每个叶交换机使用 ECMP 链路组连接到多个主干交换机。因此，即使一台交换机和链路发生故障，也会有冗余，然后流量会自动重新路由。因此，它可以保持网络性能。

就可扩展性而言，SD-Fabric 最多可支持 120,000 条路由和 250,000 个流。因此，您可以为其配置两个主干交换机和八个叶交换机。它最多支持四个机架的服务器。随着流量的增加，您可以向结构中添加更多脊交换机和叶交换机，而无需对网络配置进行重大更改。

叶脊结构中的分段路由

SD-Fabric 中使用的一项重要技术是分段路由 (SR)。分段路由告知流量如何在网络中转发，因为您可以将端到端路径分解为一系列分段。这些分段由标签表示。每个标签交换步骤都由交换机的转发平面使用。

多协议标签交换 (MPLS) 用于 SD-Fabric 中的分段路由。例如，当流量需要在不同机架中的两个主机之间传输时。然后，SD-Fabric 为每个路径段分配 MPLS 标签 - 叶到脊和脊到叶。MPLS 标签告知数据包使用网络。因此它到达目的地。

使用基于 MPLS 的分段路由可实现高效的流量。而 ECMP 可确保流量在多条路径之间保持平衡，以防止任何单个链路过载。

路由和多播管理

SD-Fabric 还使用 SDN 原理处理路由和多播流量。SD-Fabric 根据网络的全局知识计算最佳路由和多播树，而不是运行分布式路由协议，如 OSPF(开放最短路径优先)和 PIM(协议独立多播)。然后将此信息推送到没有分布式协议的结构交换机。

例如，如果您要创建一个多播组。然后 SD-Fabric 控制器构建树并将其安装在相关交换机上。您可以使用 RESTful API 和命令行界面 (CLI) 与这些服务交互，以编程方式管理路由和多播组。

叶脊结构的优势

叶脊架构在数据中心和大型网络中具有多种优势。其中一些优势如下 −

低延迟 − 两层设计确保网络中的任何设备只需两跳即可与另一台设备通信。因此，它最大限度地减少了延迟。
高可用性 − 具有冗余连接和使用双归属和 ECMP 等技术。因此，网络可以处理链路和交换机故障而不会影响性能。
可扩展性 − 叶脊结构可以通过根据需要添加更多叶和脊交换机来扩展。您可以添加这些而无需进行大量重新配置。
高效负载平衡 − ECMP 路由在多条路径之间平衡流量。因此，没有一条链路会成为瓶颈。
简化管理 − SDN 控制器(如 SD-Fabric 中的 ONOS)具有集中控制动态路由、策略管理和网络实时可见性的功能。

叶脊架构的缺点

叶脊架构也有一些缺点。其中一些缺点如下 −

成本 − 如果您想实现完全网状的叶脊架构。那么您需要像大型部署一样在交换机和互连方面进行投资。
布线复杂性 − 随着交换机数量的增加，将每个叶连接到每个主干所需的布线会变得难以管理。
关注东西向流量 − 叶脊架构擅长处理东西向流量。但这些可能需要更多设计考虑来处理内部和外部网络之间的南北流量。

结论

使用 SDN 原则实现 Leaf-Spine 结构时，它具有多种优势。Leaf-Spine 结构集中连接并优化流量，就像 SDN 控制器集中网络控制一样。它为可扩展以满足数据中心需求的动态网络奠定了基础。您可以利用分段路由、ECMP 和集中路由等。SD-Fabric 展示了 SDN 如何将一般网络设计转变为灵活且性能良好的基础设施。Leaf-Spine 结构具有负载平衡和可用性等优势。