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為滿足云業(yè)務(wù)的需要，網(wǎng)絡(luò)逐漸分化為Underlay和Overlay。

Underlay網(wǎng)絡(luò)就是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的路由交換等物理設(shè)備，依然信奉穩(wěn)定壓倒一切的理念，提供可靠的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力；

Overlay則是在其上封裝的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，與服務(wù)更貼近，通過VXLAN 或者GRE等協(xié)議封裝，給用戶提供一個易用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

Underlay網(wǎng)絡(luò)和Ooverlay網(wǎng)絡(luò)即關(guān)聯(lián)又解耦，兩者相互關(guān)聯(lián)又能獨立演進(jìn)。

Underlay網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)的地基，承載網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)，業(yè)務(wù)便無SLA可言。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在經(jīng)歷三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、胖樹（Fat-Tree）型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)后，正過渡到Spine- Leaf架構(gòu)，迎來了CLOS 網(wǎng)絡(luò)模型的第三次應(yīng)用。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

三層設(shè)計

2004-2007年期間，三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)中心十分盛行。它有三個層次：核心層(網(wǎng)絡(luò)的高速交換主干)、匯聚層(提供基于策略的連接)、接入層(將工作站接入網(wǎng)絡(luò))，這個模型如下：

| 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

核心層（Core Layer）：核心交換機為進(jìn)出數(shù)據(jù)中心的包提供高速的轉(zhuǎn)發(fā)，為多個匯聚層提供連接性，核心交換機為通常為整個網(wǎng)絡(luò)提供一個彈性的L3路由網(wǎng)絡(luò)。

匯聚層（Aggregation Layer）：匯聚交換機連接接入交換機，同時提供其他的服務(wù)，例如防火墻，SSL offload，入侵檢測，網(wǎng)絡(luò)分析等。

接入層(Access Layer) ：接入交換機通常位于機架頂部，所以它們也被稱為ToR（Top of Rack）交換機，它們物理連接服務(wù)器。

通常情況下，匯聚交換機是 L2 和 L3 網(wǎng)絡(luò)的分界點：匯聚交換機以下的是 L2 網(wǎng)絡(luò)，以上是 L3 網(wǎng)絡(luò)。每組匯聚交換機管理一個 POD（Point Of Delivery），每個 POD 內(nèi)都是獨立的 VLAN 網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)路與生成樹協(xié)議

環(huán)路的形成大都是由于目的路徑不明確導(dǎo)致混亂而造成的。用戶構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時，為了保證可靠性，通常會采用冗余設(shè)備和冗余鏈路，這樣就不可避免的形成環(huán)路。而二層網(wǎng)絡(luò)處于同一個廣播域下，廣播報文在環(huán)路中會反復(fù)持續(xù)傳送，形成廣播風(fēng)暴，瞬間即可導(dǎo)致端口阻塞和設(shè)備癱瘓。因此，為了防止廣播風(fēng)暴，就必須防止形成環(huán)路。

既要防止形成環(huán)路，又要保證可靠性，就只能將冗余設(shè)備和冗余鏈路變成備份設(shè)備和備份鏈路。即冗余的設(shè)備端口和鏈路在正常情況下被阻塞掉，不參與數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)。只有當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備、端口、鏈路出現(xiàn)故障，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不通的時候，冗余的設(shè)備端口和鏈路才會被打開，使得網(wǎng)絡(luò)能夠恢復(fù)正常。實現(xiàn)這些自動控制功能的就是 STP(Spanning Tree Protocol ，生成樹協(xié)議 )。

生成樹協(xié)議在接入層和匯聚層之間運行，核心是在每個啟用 STP 的網(wǎng)橋上運行的生成樹算法，該算法專門設(shè)計用于在存在冗余路徑時避免橋接環(huán)路。STP 選擇用于轉(zhuǎn)發(fā)消息的最佳數(shù)據(jù)路徑，并禁用了那些不屬于生成樹的鏈路，在任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間只留下一條活動路徑，其他上行鏈路將被阻塞。

STP 有許多好處：簡單，即插即用（plug-and-play），只需很少配置。每個 pod 內(nèi)的機器都屬于同一個 VLAN，因此服務(wù)器無需修改 IP 地址和網(wǎng)關(guān)就可以在 pod 內(nèi)部任意遷移位置。

但是，STP 無法使用并行轉(zhuǎn)發(fā)路徑（parallel forwarding path），它永遠(yuǎn)會禁用 VLAN 內(nèi)的冗余路徑。STP的缺點：

1、拓?fù)涫諗柯?。?dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變的時候，生成樹協(xié)議需要50-52秒的時間才能完成拓?fù)涫諗俊?/span>

2、不能提供負(fù)載均衡的功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路的時候，生成樹協(xié)議只能簡單的將環(huán)路進(jìn)行Block，這樣該鏈路就不能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，浪費網(wǎng)絡(luò)資源。

虛擬化和東西向流量挑戰(zhàn)

2010年之后，為了提高計算和存儲資源的利用率，數(shù)據(jù)中心開始采用虛擬化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中開始出現(xiàn)了大量的虛擬機。虛擬技術(shù)把一臺服務(wù)器虛化成了多臺邏輯服務(wù)器，每個VM都可以獨立運行，有自己的OS、APP、自己獨立的MAC地址和IP地址，它們通過服務(wù)器內(nèi)部的虛擬交換機（vSwitch）與外部實體進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。

虛擬技術(shù)有個伴生的需求：虛擬機動態(tài)遷移，在保證虛擬機上服務(wù)正常運行的同時，將一個虛擬機系統(tǒng)從一個物理服務(wù)器移動到另一個物理服務(wù)器。這個過程對于最終用戶來說是無感的，管理員能夠在不影響用戶正常使用的情況下，靈活調(diào)配服務(wù)器資源，或者對物理服務(wù)器進(jìn)行維修和升級。

為了保證遷移時業(yè)務(wù)不中斷，就要求在遷移時，不僅虛擬機的IP地址不變，而且虛擬機的運行狀態(tài)也必須保持原狀（例如TCP會話狀態(tài)），所以虛擬機的動態(tài)遷移只能在同一個二層域中進(jìn)行，而不能跨二層域遷移，催生了從接入層到核心層的大二層域（larger L2 domain）的需求。

傳統(tǒng)的大二層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)L2和L3的分界點在核心交換機，核心交換機以下的數(shù)據(jù)中心是一個完整的廣播域，即L2網(wǎng)絡(luò)。這樣可以實現(xiàn)設(shè)備部署、位置遷移的任意性，不需要進(jìn)行IP、網(wǎng)關(guān)等配置的修改。不同的L2網(wǎng)絡(luò)（VLAN）通過核心交換機進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。不過該架構(gòu)下的核心交換機需要維護(hù)龐大的MAC和ARP表，對核心交換機的能力提出很高的要求。另外，接入交換機（TOR）也對整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模造成一定的限制。這些最終限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展及彈性能力，跨三層調(diào)度的時延問題，不能滿足未來業(yè)務(wù)的需求。

另一方面，虛擬化技術(shù)帶來的東西向流量也給傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心的流量總的來說可以分為以下幾種：

南北向流量：數(shù)據(jù)中心之外的客戶端到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的流量，或者數(shù)據(jù)中心服務(wù)器訪問互聯(lián)網(wǎng)的流量。

東西向流量：數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器之間的流量，以及不同數(shù)據(jù)中心間的流量，例如數(shù)據(jù)中心之間的災(zāi)備，私有云和公有云之間的通訊。

虛擬化技術(shù)的引入使得應(yīng)用的部署方式越來越分布式，帶來的“副作用”是東西向流量越來越大。

傳統(tǒng)的三層架構(gòu)通常是為南北向流量設(shè)計的。雖然它可以用于東西向流量，但可能最終無法按要求執(zhí)行。

| 傳統(tǒng)三層架構(gòu) vs. Spine-Leaf架構(gòu)

三層架構(gòu)中的東西向流量必須經(jīng)過匯聚層和核心層的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，不必要地經(jīng)過許多節(jié)點.（Server -> Access -> Aggregation -> Core Switch -> Aggregation -> Access Switch -> Server）

因此，如果通過傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)運行大量的東西向流量，連接到同一交換機端口的設(shè)備可能會爭奪帶寬，導(dǎo)致最終用戶獲得的響應(yīng)時間很差。

傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)缺點

由此可見，傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有著不少的缺點：

帶寬浪費：為了防止環(huán)路，通常在匯聚層和接入層之間運行STP協(xié)議，這樣接入交換機只有一條上行鏈路真正承載流量，其他上行鏈路會被阻塞，造成帶寬的浪費。

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)布放困難：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心分布在不同的地理位置，虛擬機必須在任何地方創(chuàng)建和遷移，其IP地址、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)屬性保持不變，這需要fat Layer 2的支持。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，無法進(jìn)行遷移。

東西向流量不足：三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要是為南北向流量設(shè)計的，雖然也支持東西向流量，但不足之處很明顯。當(dāng)東西向流量較大時，匯聚層和核心層交換機的壓力會大大增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和性能會局限在匯聚層和核心層。

使企業(yè)陷入成本和可擴(kuò)展性的困境：支撐大規(guī)模高性能網(wǎng)絡(luò)，需要大量的匯聚層和核心層設(shè)備，這不僅給企業(yè)帶來了高昂的成本，同時也要求網(wǎng)絡(luò)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時必須提前規(guī)劃規(guī)模。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，會造成資源浪費，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大時，擴(kuò)容困難。

Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

什么是Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)？

針對以上問題，一種新的數(shù)據(jù)中心設(shè)計，Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出現(xiàn)了，也就是我們所說的葉脊網(wǎng)絡(luò)。

顧名思義，該架構(gòu)共有一個脊（Spine）層和一個葉（Leaf）層，包括脊交換機（spine switches）和葉交換機。

| Spine-Leaf架構(gòu)

每個葉交換機都連接到所有脊交換機，脊交換機不直接相互連接，形成一個 full-mesh 拓?fù)洹?/span>

在 Spine-and-Leaf 架構(gòu)中，任意一個服務(wù)器到另一個服務(wù)器的連接，都會經(jīng)過相同數(shù)量的設(shè)備（Server -> Leaf -> Spine Switch -> Leaf Switch -> Server），這保證了延遲是可預(yù)測的，因為一個包只需要經(jīng)過一個 spine 和另一個 leaf 就可以到達(dá)目的端。

Spine-Leaf 的工作原理

Leaf Switch：相當(dāng)于傳統(tǒng)三層架構(gòu)中的接入交換機，作為 TOR（Top Of Rack）直接連接物理服務(wù)器。與接入交換機的區(qū)別在于 L2/L3 網(wǎng)絡(luò)的分界點現(xiàn)在在 Leaf 交換機上了。Leaf 交換機之上是三層網(wǎng)絡(luò)，Leaf 交換機之下都是個獨立的 L2 廣播域，這就解決了大二層網(wǎng)絡(luò)的 BUM 問題。如果說兩個 Leaf 交換機下的服務(wù)器需要通訊，需要通過 L3 路由，經(jīng)由 Spine 交換機進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

Spine Switch：相當(dāng)于核心交換機。Spine 和 Leaf 交換機之間通過 ECMP（Equal Cost Multi Path）動態(tài)選擇多條路徑。區(qū)別在于，Spine 交換機現(xiàn)在只是為 Leaf 交換機提供一個彈性的 L3 路由網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心的南北流量可以不用直接從 Spine 交換機發(fā)出，一般來說，南北流量可以從與 Leaf 交換機并行的交換機（edge switch）再接到 WAN router 出去。

| Spine/Leaf網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比

Spine-Leaf的優(yōu)勢

扁平化：扁平化設(shè)計縮短服務(wù)器之間的通信路徑，從而降低延遲，可以顯著提高應(yīng)用程序和服務(wù)性能。

擴(kuò)展性好：當(dāng)帶寬不足時，增加脊交換機數(shù)量，可水平擴(kuò)展帶寬。當(dāng)服務(wù)器數(shù)量增加時，如果端口密度不足，我們可以添加葉交換機。

降低成本——南北向流量，可以從葉節(jié)點出去，也可從脊節(jié)點出去。東西向流量，分布在多條路徑上。這樣一來，葉脊網(wǎng)絡(luò)可以使用固定配置的交換機，不需要昂貴的模塊化交換機，進(jìn)而降低成本。

低延遲和擁塞避免——無論源和目的地如何，葉脊網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)上的跳數(shù)都相同，任意兩個服務(wù)器之間都是Leaf—>Spine—>Leaf三跳可達(dá)的。這建立了一條更直接的流量路徑，從而提高了性能并減少了瓶頸。

安全性和可用性高：傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用STP協(xié)議，當(dāng)一臺設(shè)備故障時就會重新收斂，影響網(wǎng)絡(luò)性能甚至發(fā)生故障。葉脊架構(gòu)中，一臺設(shè)備故障時，不需重新收斂，流量繼續(xù)在其他正常路徑上通過，網(wǎng)絡(luò)連通性不受影響，帶寬也只減少一條路徑的帶寬，性能影響微乎其微。

通過ECMP進(jìn)行負(fù)載均衡，非常適合使用 SDN 等集中式網(wǎng)絡(luò)管理平臺的環(huán)境。SDN 允許在發(fā)生阻塞或鏈路故障時簡化流量的配置，管理和重新分配路由，使得智能負(fù)載均衡的全網(wǎng)狀拓?fù)涑蔀橐粋€相對簡單的配置和管理方式。

不過Spine-Leaf架構(gòu)也有一定的局限性：

其中一個缺點就是，交換機的增多使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大。葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心需要按客戶端的數(shù)量，相應(yīng)比例地增加交換機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。隨著主機的增加，需要大量的葉交換機上行連接到脊交換機。

脊交換機和葉交換機直接的互聯(lián)需要匹配，一般情況下，葉脊交換機之間的合理帶寬比例不能超過3:1。

例如，有48個10Gbps速率的客戶端在葉交換機上，總端口容量為 480Gb/s。如果將每個葉交換機的 4 個 40G 上行鏈路端口連接到 40G 脊交換機，它將具有 160Gb/s 的上行鏈路容量。該比例為 480:160，即 3:1。數(shù)據(jù)中心上行鏈路通常為 40G 或 100G，并且可以隨著時間的推移從 40G (Nx 40G) 的起點遷移到 100G (Nx 100G)。重要的是要注意上行鏈路應(yīng)始終比下行鏈路運行得更快，以免端口鏈路阻塞。

葉脊網(wǎng)絡(luò)也有明確的布線的要求。因為每個葉節(jié)點都必須連接到每個脊交換機，我們需要鋪設(shè)更多的銅纜或光纖電纜?；ミB的距離會推高成本。根據(jù)相互連接的交換機之間的距離，葉脊架構(gòu)所需要的高端光模塊數(shù)量高于傳統(tǒng)三層架構(gòu)數(shù)十倍，這會增加整體部署成本。不過也因此帶動了光模塊市場的增長，尤其是100G、400G這樣的高速率光模塊。

Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用

Facebook在2014年公開的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)是最具代表性的葉脊網(wǎng)絡(luò)用例，此外谷歌第五代數(shù)據(jù)中心架構(gòu)Jupiter也大規(guī)模采用了葉脊網(wǎng)絡(luò)。

Facebook

Facebook從14年開始對自己原有的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改造，原因就在于面對網(wǎng)絡(luò)流量2-4倍的未來擴(kuò)張，現(xiàn)有的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以勝任。因此，F(xiàn)acebook提出了自己的下一代數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)——data center fabric網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（也稱為F4網(wǎng)絡(luò)），在原始葉脊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊化組網(wǎng)，能夠承載數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的大量東西流量的轉(zhuǎn)發(fā)，并且保證了足夠的擴(kuò)展性。

| F4架構(gòu)

目前Facebook已經(jīng)演進(jìn)到F16架構(gòu)，將Spine平面增加為16個。單芯片處理能力提升為12.8TBps, 使得Spine交換機由原來的BackPack更新為MiniPark架構(gòu)，不僅體積更小，所要通過的路徑僅需跨越5個芯片。

| F16架構(gòu)

谷歌

2015年，谷歌在SIGCOMM會議上發(fā)表論文《Jupiter Rising: A Decade of Clos Topologies and Centralized Control in Google’s Datacenter Network》，詳細(xì)地闡述了谷歌過去多年在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新和演進(jìn)。

其中第五代的架構(gòu)叫做Jupiter Network Fabrics，可以視為一個三層Clos。leaf交換機還是作為ToR，向北連接到叫做 Middle Block的spine交換機。Middle Block和ToR組成一個集群（相當(dāng)于Facebook的Server Pod，內(nèi)部是一個二層Clos）叫做Aggregation Block Superblock。MiddleBlock向北還有一層super spine也就是Spine Block。

| Jupiter拓?fù)?/span>

super spine的數(shù)量可以一直增長，加入更多super spine交換機。但是每個新加入的super spine都要和原有的Pod全互聯(lián)。從Pod的角度看，每加入一個super spine，Pod就要額外增加連接。為了解決這個問題，Google在spine 層和Pod層之間加入了Apollo Fabric。Apollo結(jié)構(gòu)解除了spineblock和superblock的直連，但又能夠動態(tài)地調(diào)整spineblock和superblock的連接關(guān)系，高效實現(xiàn)了全互聯(lián)，并且能夠動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)流量的分布。

總的來說，傳統(tǒng)的三層數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的設(shè)計是為了應(yīng)付服務(wù)客戶端-服務(wù)器應(yīng)用程序的縱向大流量傳輸。而虛擬化（即虛擬機動態(tài)遷移）從根本上改變了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，從而要求網(wǎng)絡(luò)支持大范圍的二層域，這使得數(shù)據(jù)中心二層網(wǎng)絡(luò)的范圍越來越大，甚至出現(xiàn)了大二層網(wǎng)絡(luò)這一新領(lǐng)域。這也從根本上改變了傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)治數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的局面。

葉脊網(wǎng)絡(luò)解決了橫向網(wǎng)絡(luò)連接的傳輸瓶頸，而且提供了高度的擴(kuò)展性，它幾乎能適應(yīng)所有大中小型數(shù)據(jù)中心?？梢灶A(yù)見，未來企業(yè)的IT建設(shè)都將走向收斂型和高層次的虛擬化葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。雖然葉脊網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了拓?fù)涞幕A(chǔ)，但是還需要有配套合適的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議才能完全發(fā)揮出拓?fù)涞膶嵙Α榱藢崿F(xiàn)“大二層”，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在近十年間經(jīng)歷了不斷的迭代與優(yōu)化，主要包括二層多路徑、數(shù)據(jù)中心二層互聯(lián)、端到端Overlay等幾大類技術(shù)。

參考：

https://arthurchiao.art/blog/spine-leaf-design-zh/

https://community.fs.com/blog/leaf-spine-with-fs-com-switches.html

https://blogs.salleurl.edu/en/leaf-spine-vs-traditional-architecture

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1751065147840835545&wfr=spider&for=pc

https://www.bbsmax.com/A/o75Nk7QNdW/

https://networklessons.com/cisco/ccna-200-301/spine-and-leaf-architecture

https://forum.huawei.com/enterprise/zh/thread/580900975856730112?page=1

https://mp.weixin.qq.com/s/mSdbJ_ZDjjO7QiDqGWe55A

https://www.modb.pro/db/422292

到底什么是葉脊網(wǎng)絡(luò)，鮮棗課堂

*注：本文圖片均源自網(wǎng)絡(luò)，如networklessons、La Salle、F5博客等，如有侵權(quán)，可聯(lián)系我們刪除

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