معماری برگ و ستون فقرات چیست و چه ویژگی‌های شاخصی دارد؟

معماری برگ و ستون فقرات چیست؟

معماری برگ و ستون فقرات (Spine-leaf) یک توپولوژی شبکه دو لایه است که بر مبنای آن سوییچ‌ها بر مبنای آرایش خاصی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این معماری نقش مهمی در کاهش تاخیر شبکه و تعداد هاپ‌ها در شبکه‌های مرکز داده دارد و عملکرد شبکه را بهبود می‌بخشد.

معماری برگ و ستون فقرات دو لایه

در معماری برگ و ستون فقرات دو لایه، سوئیچ‌ها تحت عنوان برگ‌ها و ستون‌ها پیاده‌سازی می‌شوند. برگ‌ها به دستگاه‌های نهایی مانند سرورها، ایستگاه‌های کاری و دستگاه‌های ذخیره‌سازی متصل می‌شوند. ستون‌ها به برگ‌ها متصل می‌شوند و با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند تا ستون فقرات یک شبکه را ایجاد کنند.

توپولوژی شبکه دو لایه تمام توری (two-layer full-mesh) به عنوان جایگزینی برای معماری‌ سه لایه در نظر گرفته شده است و عمدتا در مراکز داده مدرنی مورد استفاده قرار می‌گیرد که ترافیک شبکه شرق به غرب بیشتری را در مقایسه با ترافیک شمال به جنوب یا سوئیچ به سوئیچ دارند. لازم به توضیح است که جریان ترافیک شرق-غرب، بسته‌های داده را از سروری به سروری دیگر در یک مرکز داده انتقال می‌دهند. توپولوژی دو لایه مبتنی بر مولفه‌های زیر است:

انواع سوییچ‌ها

سوئیچ‌های ستون فقرات:

سوئیچ‌های برگ (Leaf switches) به سوئیچ‌های ستون فقرات (spine switches) و مش (Mesh) به ستون فقرات وصل می‌شوند و لایه دسترسی را شکل می‌دهند تا بتوانند نقاط اتصال شبکه را برای سرورها تعریف کنند.

سوئیچ‌های برگ:

سرورها و استوریج‌ها به سوئیچ‌های برگ متصل می‌شوند، در حالی‌که سوئیچ‌های دسترسی مسئولیت تجمیع ترافیک سرورها را بر عهده دارند. آن‌ها به شکل مستقیم به ستون فقرات متصل می‌شوند.

در معماری مذکور، سوئیچ‌های برگ به سوییچ‌های مختلفی در بافت شبکه متصل می‌شوند. یکی از مزایای درخشانی که معماری فوق در اختیار ما قرار می‌دهد این است که تاخیر و تنگناها را به حداقل می‌رساند، زیرا هر بارداده (payload) برای رسیدن به مقصد تنها از یک سوئیچ ستون فقرات و یک سوئیچ برگ عبور می‌کند. همچنین، ذکر این نکته ضروری است که سوئیچ‌های ستون فقرات دارای چگالی پورت بالایی هستند. یکی دیگر از ویژگی‌های شاخص معماری فوق، مقیاس‌پذیری است. به‌طوری که می‌توان از سوئیچ‌های مختلفی در معماری سوئیچینگ مرکز داده استفاده کرد و بنابراین، کارشناسان شبکه به سادگی قادر به افزایش سوییچ‌ها متناسب با نیازها خواهند بود. شکل زیر معماری برگ و ستون فقرات را در مقایسه با معماری سه لایه نشان می‌دهد.

تفاوت معماری برگ ستون فقرات با معماری سنتی سه لایه

معماری برگ و ستون فقرات و معماری سنتی سه لایه هر دو از توپولوژی‌های پر کاربرد شبکه‌های کامپیوتری هستند که برای اتصال دستگاه‌های مختلف در یک شبکه استفاده می‌شوند. با این حال، بین این دو معماری تفاوت‌های کلیدی وجود دارد. اصلی‌ترین و بزرگ‌ترین تفاوت تعداد لایه‌های شبکه و نحوه مبادله ترافیک است.

معماری‌های سنتی معمولا دارای یک شبکه سه لایه هستند که ترافیک شمال به جنوب را مدیریت می‌کنند. آنها از یک هسته، لایه تجمیع/توزیع و لایه دسترسی تشکیل شده‌اند. در معماری سنتی، ما لایه‌های دسترسی، توزیع و هسته را داریم. لایه دسترسی به دستگاه‌های نهایی مانند سرورها، ایستگاه‌های کاری و استوریج‌ها متصل می‌شود. لایه توزیع مسئولیت مدیریت ترافیک بین لایه دسترسی و هسته را بر عهده دارد و لایه هسته ترافیک بین شبکه‌های مختلف را مدیریت می‌کند. در سویی دیگر در معماری برگ و ستون فقرات، تنها دو لایه برگ و ستون فقرات را داریم. لایه برگ به دستگاه‌های نهایی متصل می‌شود و لایه ستون فقرات ترافیک بین برگ‌ها را مدیریت می‌کند.

با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم باید بگوییم که اولین تفاوت این دو معماری در تعداد لایه‌ها است. معماری برگ و ستون فقرات فقط دو لایه دارد، در حالی که معماری سنتی یک لایه اضافی‌تر دارد. در معماری برگ و ستون فقرات، برگ‌ها به شکل مستقیم به ستون فقرات متصل می‌شوند. در حالی که در معماری سنتی، برگ‌ها به لایه توزیع متصل می‌شوند و لایه توزیع به لایه هسته متصل می‌شود. همچنین، در بحث مقیاس‌پذیری نیز معماری برگ و ستون فقرات مقیاس‌پذیرتر از معماری سه لایه است، زیرا ساختار از پیچیدگی کمتری برخوردار است. علاوه بر این، معماری برگ و ستون فقرات عملکرد بهتری نسبت به معماری سنتی سه لایه دارد، زیرا هرچه تعداد اتصالات در شبکه کاهش پیدا کند به همان نسبت عملکرد و سرعت افزایش پیدا می‌کنند.

چگونه معماری برگ و ستون فقرات را پیاده‌سازی کنیم؟

در طراحی معماری برگ و ستون فقرات (Spine-and-Leaf)، توجه به سه فاکتور کلیدی الزامی است:

1. نرخ اشتراک بیش از حد (Oversubscription Rate): هنگامی رخ می‌دهد که تمام دستگاه‌ها به‌طور هم‌زمان اقدام به ارسال ترافیک کنند و لینک‌های فعال ظرفیت تجمیع یا پردازش آن را نداشته باشند.

2. تراکم پورت (Port Density) سوئیچ‌های Spine: تعیین‌کننده ظرفیت توسعه و تعداد اتصال‌ها در شبکه.

3. پهنای باند سوئیچ‌های Leaf: تاثیر مستقیم بر ظرفیت سوئیچینگ لایه Spine.

مراحل پیاده‌سازی معماری Spine-and-Leaf

مزایای کلیدی معماری Spine-and-Leaf

• تاخیر بسیار کم و پیش‌بینی‌پذیر (Low & Deterministic Latency): به دلیل فاصله ثابت ۲ گام (Hop) بین هر دو سرور در شبکه.

• مقیاس‌پذیری بالا (Scalability): امکان اضافه کردن سوئیچ‌های Leaf یا Spine جدید بدون نیاز به تغییر در کل ساختار شبکه.

• حذف پروتکل STP: استفاده از پروتکل‌های مسیریابی لایه ۳ یا ECMP به جای STP که باعث استفاده حداکثری از تمام پهنای باند پهن‌شده می‌شود.

• توزیع متوازن ترافیک East-West: بهینه‌شده برای ترافیک درون دیتاسنتر که بین سرورها و ماشین‌های

مزایای معماری برگ و ستون فقرات

همان‌گونه که پیش‌تر اشاره کردیم، معماری برگ و ستون (Spine-leaf) در ارتباط با طراحی شبکه‌های بزرگ و پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرد. اولین مزیتی که معماری فوق در اختیار ما قرار می‌دهد مقیاس‌پذیری است. معماری برگ و ستون به‌طور خاص برای محیط‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که نیاز به مقیاس‌پذیری بالا دارند. بر مبنای معماری فوق، می‌توان به راحتی تعداد بیشتری دستگاه را به شبکه اضافه کرد و شبکه را به مرور زمان گسترش داد. مورد بعد در ارتباط با عملکرد بالا است.

در معماری برگ و ستون، ارتباطات بین برگ‌ها و ستون‌ها به شکل موازی و مستقیم انجام می‌شود که نقش مهمی در افزایش عملکرد و سرعت شبکه دارد. همچنین، بر مبنای توزیع بهینه بار ترافیکی بین ستون‌ها، ترافیک شبکه به شکل متوازن توزیع می‌شود. این معماری مانع از آن می‌شود تا طراحی شبکه بر مبنای الگوی نقطه شکست منفرد (Single Point of Failure) پیاده‌سازی شود.

با اتصال هر برگ به یک ستون و اتصال پیوسته و مستقیم بین ستون‌ها، در صورت خرابی یک ستون، برگ‌ها می‌توانند به ستون‌های دیگر متصل شوند و شبکه به کار خود ادامه دهد. بنابراین، افزایش قابلیت اطمینان شبکه و کاهش احتمال قطعی شبکه را به‌همراه دارد.

یکی دیگر از مزایای شاخص معماری فوق سهولت در مدیریت است. بر مبنای معماری برگ و ستون، مدیران شبکه می‌توانند به طور مستقل برگ‌ها را مدیریت کنند و تغییراتی همچون افزودن دستگاه‌ها را به‌شکل ساده‌تری انجام دهند. همچنین، به دلیل ساختار ساده و ماهیت موازی ارتباطات، مسیریابی و کنترل ترافیک در شبکه ساده‌تر می‌شود. امنیت را باید یکی دیگر از مزایای شاخص معماری فوق توصیف کنیم. با توزیع بار ترافیکی و تفکیک بین برگ‌ها و ستون‌ها، امنیت به شکل قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند. به بیان دقیق‌تر، در صورت وقوع یک حمله به یک برگ، سایر برگ‌ها تحت تاثیر قرار نخواهند گرفت و امنیت شبکه حفظ می‌شود.

منابع

• 
  techtarget.com
  
• 
  arubanetworks.com