Cabeamento da malha do switch de rede spine e leaf | Corning

Desde sua chegada na década de 1980 como um protocolo de rede local (LAN), a Ethernet, com seu algoritmo simples e seus custos de fabricação mais baratos, tem sido a força motriz por trás do data center e da evolução da Internet. Um switch Ethernet examina cada pacote que recebe antes de comutá-lo. Ele apenas abre o envelope externo para ler o endereço da camada 2, sem se preocupar em ler o endereço IP. Isso permite que um switch Ethernet mova pacotes muito rapidamente.

Apesar de sua eficiência, a Ethernet também apresenta algumas deficiências quando o tamanho da rede aumenta. Em uma rede composta de vários switches Ethernet, para impedir que pacotes de broadcast como solicitações de protocolo de resolução de endereços (do inglês ARP) inundem e circulem pela rede, uma tecnologia chamada protocolo de árvore de extensão (do inglês STP) é utilizada. O STP bloqueia enlaces redundantes para evitar que ocorram loops na rede. As redes em execução na tecnologia STP usam os enlaces redundantes como transferência no caso de falha do enlace principal. Isso fornece resiliência à infraestrutura, em detrimento de metade da utilização da largura de banda disponível.

Construímos redes com lógica de árvore de extensão por um longo tempo até encontrarmos novos problemas. O primeiro deles foi que estávamos limitados principalmente a uma rede dual core, que não permite espaço para crescimento (a fim de atender a um número crescente de clientes, nossas redes precisavam crescer da mesma forma). O segundo era a latência. Se temos uma grande rede, normalmente a dividimos em redes menores, que chamamos de LANS virtuais (VLANS). Isso resulta em diferentes latências para diferentes tipos de tráfego de dados. O tráfego que flui pela rede da camada 2 dentro de uma única VLAN tem uma latência diferente em comparação com o tráfego que flui entre diferentes VLANs cruzando o núcleo da camada 3.

A maioria das aplicações modernas de e-commerce, mídia social e nuvem usa computação distribuída para atender a seus clientes. Computação distribuída significa servidores conversando com servidores e trabalhando em paralelo para criar páginas da Web dinâmicas e respostas às perguntas dos clientes. Exige latência uniforme. Ter que esperar pelos resultados pode deixar os clientes insatisfeitos. Precisamos de uma arquitetura de rede que possa crescer uniformemente e fornecer latência uniforme para aplicações modernas.

A solução para esses problemas veio de uma arquitetura de rede que hoje é conhecida como malha spine-leaf. A ideia existe desde 1952, quando Charles Clos apresentou pela primeira vez a rede de comutação de circuitos de vários estágios, também conhecida como redes Clos. O backbone dessa arquitetura de rede é chamado de spine, a partir da qual cada leaf é conectada para estender ainda mais os recursos da rede. A rede pode crescer de maneira uniforme, simplesmente adicionando mais switches spine ou leaf, sem alterar seu desempenho.

A seção spine da rede cresce horizontalmente, o que restringe a rede a duas camadas, em comparação com a arquitetura tradicional de 3 camadas. Por exemplo, com uma spine de 2 vias, podemos construir redes que podem suportar até 6.000 hosts. Com uma spine de 4 vias, podemos construir redes de até 12.000 hosts, e com uma spine de 16 vias, podemos chegar a mais de 100.000 hosts 10GbE. 

Além disso, todos os switches leaf são conectados a cada switch spine disponíveis na malha. Esta arquitetura totalmente em malha permite que qualquer host conectado a qualquer leaf conecte outros usando apenas dois saltos, que é a conexão switch-a-switch. Por exemplo, leaf 1 a spine 1 e spine 1 a leaf 10. Uma vez que uma camada inteira de spine é construída de maneira redundante (no caso de uma falha do switch spine ou leaf), rotas e recursos alternativos podem ser utilizados automaticamente.

As regras básicas para a construção de redes spine-leaf são as seguintes:

·       Os principais blocos de construção são switches leaf de rede e switches spine de rede.

·       Todos os hosts só podem ser conectados a switches leaf.

·       Os switches leaf controlam o fluxo de tráfego entre os servidores.

·       Os switches spine encaminham o tráfego ao longo de rotas ideais entre os switches leaf na camada 2 ou camada 3

·       A contagem da porta de uplink no switch leaf determina o número máximo de switches spine.

·       A contagem de portas do switch spine determina o número máximo de switches leaf.

Esses princípios influenciam a maneira como os fabricantes de switches projetam seus equipamentos.

Se olharmos para um switch spine típico, à primeira vista notamos vários slots de expansão, como quatro ou oito que aceitam placas de linha diferentes usadas para conectar uplinks de switch leaf. As placas de linha podem ser apresentadas em diferentes versões, como 36 portas QSFP 40 Gig (para 40Gig) ou 32 portas QSFP28 100G (para 100Gig). As portas quad small form pluggable (QSFP) e QSFP28 estão vazias, portanto, os transceptores necessários devem ser adquiridos separadamente, na forma de transceptores monomodo ou multimodo, ou cabos ópticos ativos (do inglês AOC) ou ainda cabos twinaxial. A regra geral é que o número de portas disponíveis no switch spine determina o número de switches leaf que podem ser conectados à spine, determinando, assim, o número máximo de servidores que podem ser conectados à rede.

A seguir, vemos módulos supervisores que monitoram e gerenciam as operações de todo o switch. As fontes de alimentação fornecem energia redundante e, na parte traseira do switch spine, geralmente temos módulos mesh que reduzem o fluxo de tráfego entre as diferentes placas de linha. Distribuir uniformemente as conexões de uplink do switch leaf entre as placas de linha no switch spine pode melhorar drasticamente o desempenho do switch, reduzindo a quantidade de tráfego que flui através do módulo de malha.

Se houver dois switches leaf conectados a placas de linha diferentes, o tráfego terá que fluir pelo painel traseiro vertical. Isso aumenta os tempos de entrega de pacotes de ponta a ponta, acarretando atrasos e exigindo a aquisição de placas de malha adicionais, resultando em custo adicional.

Nas próximas seções, discutiremos como resolver esses problemas com o cabeamento.

Quando se trata de discutir o switch leaf, a principal consideração é o número de portas de uplink que define a quantos switches spine ele pode se conectar e o número de portas de downlink que define quantos hosts podem se conectar ao switch leaf. As portas de uplink podem suportar velocidades de 40/100Gig e as portas de downlink podem variar de 10/25/40/50Gig, dependendo do modelo que se planeja usar.

Consideremos a situação: existem quatro placas de linha em cada switch spine e apenas quatro uplinks em cada switch leaf. É possível distribuir esses quatro uplinks entre oito placas de linha para manter a redundância e a comutação na velocidade por cabo? Se estivermos usando o transceptor SR4 de 40Gig, sabemos que eles são, na verdade, compostos de 4 transceptores SR de 10Gig e uma porta SR4 de 40Gig pode ser tratada como quatro portas de 10Gig individuais. Isso é chamado de aplicação de divisão de porta. A divisão de portas nos permite escalar e ter redundância à medida que aumentamos as redes de maneiras que não podem ser feitas tradicionalmente. Por exemplo, é possível dividir 2 transceptores SR4 de 40Gig em 8 portas de 10Gig e distribuí-los facilmente em oito placas de linha.

Para representar isso, vamos criar uma conexão cruzada de 10Gig usando os módulos de divisão de porta da solução EDGE8® da Corning. Podemos dividir todas as portas QSFP de 40Gig na camada spine usando os módulos de divisão de porta da solução EDGE8. Podemos fazer o mesmo exercício com os switches leaf. Agora, faça uma conexão de patch LC entre o respectivo switch leaf e o switch spine. Fazendo isso, podemos dividir todas as portas de 40 Gig e distribuí-las em quatro placas de linha diferentes.

A redundância é mantida, o que significa que se você perder uma placa de linha, perderá apenas 25% da largura de banda. Mantivemos a comutação de velocidade de linha, certificando-nos de que todos os switches leaf foram representados em todas as placas de linha, portanto, nenhum tráfego precisa passar pelo módulo de malha vertical. Cada porta destacada em amarelo representa uma única porta QSFP de 40Gig.

Esta é a maneira mais elegante de fazer as coisas? Não.

Isso é chamado de construção de novas redes usando ferramentas antigas. 

Existe uma maneira melhor de fazer isso?

Vamos considerar um módulo mesh.

Este módulo mesh é conectado ao switch spine em um lado e ao switch leaf no outro. As portas do lado spine são conectadas a placas de linha individuais no switch spine.

E cada vez que conectamos um switch leaf no lado leaf, ele automaticamente divide essa porta e os embaralha pelas portas spine no módulo mesh, que já estão conectadas a placas de linha separadas.

Não precisamos fazer nenhum patch de LC para LC.

Ainda alcançamos o embaralhamento que estávamos tentando fazer no cenário anterior, temos redundância total e podemos obter desempenho total de nossos switches.

Ir da spine de 2 vias para a spine de 4 vias é muito fácil. Podemos simplesmente usar um módulo mesh por switch spine e distribuir cada uplink de 40Gig da camada leaf em quatro placas de linha em cada switch spine.

Usando nossos módulos mesh, conectaremos o lado spine do módulo mesh a outros switches spine. Estamos perdendo a redundância do nível da placa de linha e a eficiência de comutação, mas ganhamos mais redundância ao distribuir o risco em uma spine de 16 vias. Neste ponto, devemos investir também em módulos mesh, pois teremos uma caixa que terá diferentes switches leaf em diferentes placas de linha no mesmo chassi. Com essa expansão final, podemos ter uma rede quatro vezes maior do que uma spine de quatro vias.

Usando módulos mesh, podemos reduzir os custos de conectividade em 45%.

Substituindo os patch cords LC por patch cables MTP®, podemos reduzir o congestionamento em 75%.

Como não precisamos de todas essas carcaças para fazer a divisão e o patch de LC, podemos economizar 75% de espaço na MDA.

A história nos mostrou que, a cada novo desenvolvimento, tínhamos que inventar novas maneiras de fazer as coisas.

Hoje, a indústria está se movendo em direção à malha spine-leaf, e os fabricantes de switch têm sistemas de switch avançados projetados para esta nova geração de malha de switch de data center.

Um requisito básico para essas malhas é construir um módulo de cabeamento estruturado em malha que possa permitir a obtenção do melhor de seu investimento.

A conectividade em malha para spine e leaf pode ser obtida usando cabeamento estruturado no estilo MDA padrão, que podemos comparar com a construção de coisas novas usando ferramentas antigas. Usar módulos mesh como uma nova ferramenta para as construir redes de próxima geração pode reduzir drasticamente a complexidade e os custos de conectividade para a malha do seu data center.