スパイン＆リーフ型ネットワークの構成について解説
Aug 4th 2023より更新読了時間約1分
近年から、データセンターの冗長化・仮想化が進み、３階層のネットワーク構成（コア層・ディストリビューション層・アクセス層）は急増しているニーズを満たさなくなります。増設に伴う作業の手間を省き、システム全体の安定性を高めるために、リーフ＆スパイン型のネットワーク構成を活かします。本記事は、どのようにスパインリーフアーキテクチャを構築するのでしょうか？スパインリーフ・アーキテクチャとは何か、そしてどのように設計するのかを説明します。
スパインリーフ・アーキテクチャーとは？
スパイン・リーフ・アーキテクチャーは、スパイン・スイッチとリーフ・スイッチの2層のみで構成されます。スパイン・レイヤーはルーティングを行い、ネットワークのコアとして機能するスイッチで構成されます。リーフ層には、サーバー、ストレージ・デバイス、その他のエンドユーザーに接続するアクセス・スイッチが含まれます。この構造により、データセンター・ネットワークはホップ数を減らし、ネットワークの待ち時間を短縮することができます。
スパインリーフ・アーキテクチャでは、各リーフスイッチは各スパインスイッチに接続されています。この設計では、どのサーバーも他のどのサーバーとも通信でき、2つのリーフ・スイッチ間の相互接続スイッチ・パスは1つだけです。
スパインリーフ・アーキテクチャを使用する理由
スパインリーフアーキテクチャは、データセンターにスケーラビリティ、ネットワークパフォーマンスなど多くの利点をもたらし、人気のデータセンターアーキテクチャとなっています。ここでは、最新のネットワークにおけるスパインリーフアーキテクチャの利点を5つのポイントにまとめています。
冗長性の向上: スパイン・リーフ・アーキテクチャーはサーバーとコア・ネットワークを接続し、ハイパースケールのデータセンターではより高い柔軟性を発揮します。この場合、リーフスイッチはサーバーとコアネットワーク間のブリッジとして導入することができます。各リーフスイッチはすべてのスパイン・スイッチに接続し、大規模なノンブロッキング・ファブリックを構築して冗長性を高め、トラフィックのボトルネックを減らします。
帯域幅の増加: スパインリーフアーキテクチャは、TRILL（Transparent Interconnection of Multiple Links）やSPB（Shortest Path Bridging）などのプロトコルや技術を適用することで、トラフィックの輻輳を効果的に回避することができます。スパインリーフ・アーキテクチャはレイヤ2またはレイヤ3であるため、スパイン・スイッチにアップリンクを追加してレイヤ間の帯域幅を拡大し、オーバーサブスクリプションを減らしてネットワークの安定性を確保することができます。
スケーラビリティの向上: スパインリーフ・アーキテクチャーには、トラフィックを伝送できる複数のリンクがあります。スイッチを追加することで、スケーラビリティが向上し、企業のビジネス拡大に貢献します。
費用の削減: スパインリーフ・アーキテクチャーは、各スイッチが処理できる接続数を増やすため、データセンターが導入するデバイスの数が少なくて済みます。多くのデータセンター・ネットワークは、コストを最小限に抑えるためにスパインリーフ・アーキテクチャを採用しています。
最小限の遅延と輻輳: 送信元ノードと宛先ノード間のホップの最大数を2に制限することで、より直接的なトラフィックパスを確立し、全体的なパフォーマンスを向上させ、ボトルネックを軽減します。唯一の例外は、宛先が同じリーフスイッチ上にある場合です。
３階層モデルのネットワーク構成
従来のネットワークは３階層モデルに適用し、役割・機能でアクセス層、ディストリビューション層、コア層に分けられます。各層の役割、機能は下記のように：
アクセス層：各端末やデバイスに接続するレイヤで、上層のディストリビューション層に繋がります。
ディストリビューション層：アクセス層のレイヤ２スイッチを集約して、管理・転送・ルーティングの動作を処理するレイヤで、上層のコア層に繋がっている。コア層にトラフィックを転送することもあります。
コア層：ディストリビューション層を束ね、ネットワークのバックボーンとして、大容量のトラフィック通信が行われます。
スパインリーフと従来の3層アーキテクチャの比較
スパインリーフ・アーキテクチャーと3層アーキテクチャーとの主な違いは、ネットワーク層の数と、変換するトラフィックが南北か東西かという点にあります。
下図に示すように、従来の3層ネットワーク・アーキテクチャは、コア、アグリゲーション、アクセスの3層で構成されています。アクセス・スイッチはサーバーやストレージ・デバイスに接続され、アグリゲーション層はアクセス層のトラフィックを集約し、アクセス層で冗長接続を提供し、コア層はネットワーク伝送を提供します。しかし、この3層トポロジーは通常、南北トラフィック用に設計され、STPプロトコルを使用し、最大100台のスイッチをサポートします。ネットワーク・データの継続的な拡張の場合、これは必然的にポートの閉塞を招き、拡張性が制限されます。
スパインリーフ・アーキテクチャは、バックボーンの南北ネットワーク・アーキテクチャに東西トラフィックの並列性を追加するもので、従来の3層ネットワーク・アーキテクチャのボトルネック問題を根本的に解決します。アクセス層の下に交換層を増やし、2つのノード間のデータ伝送をこの層で直接完結させることで、バックボーンネットワークの伝送を迂回させます。従来の3層アーキテクチャに比べ、スパイン・リーフ・アーキテクチャはリーフ間をシングルホップで接続するため、遅延やボトルネックを最小限に抑えることができます。スパインリーフアーキテクチャでは、スイッチ構成は固定されているため、動的なサーバー環境でもネットワークの変更は必要ありません。
スパインリーフ・アーキテクチャーの設計方法
スパインリーフアーキテクチャを設計する前に、特にオーバーサブスクリプションレートとスパインスイッチのサイズなど、いくつかの重要かつ関連する検討事項を把握する必要があります。もちろん、参考のために詳細な例も示します。
スパインリーフ・アーキテクチャーの設計上の考慮点
申し込み超過率: すべてのデバイスが同時にトラフィックを送信している場合の競合率です。南北方向（データセンターに出入りするトラフィック）と東西方向（データセンター内のデバイス間のトラフィック）で測定できます。最新のネットワークアーキテクチャに最も適したオーバーサブスクリプション比率は3:1以下であり、これはアップストリーム帯域幅（バックボーンスイッチへの帯域幅）とダウンストリーム容量（サーバー/ストレージへの帯域幅）の比率として測定され、定義されます。
例えば、リーフ・スイッチには10Gポートが48個あり、合計480Gb/秒のポート容量があります。各リーフスイッチから40Gスパインスイッチに40Gアップリンクポートを4つ接続すると、160Gb/秒のアップリンク容量となります。比率は480:160、つまり3:1です。しかし、データセンターのアップリンクは通常40Gまたは100Gであり、40G（Nx 40G）から100G（Nx 100G）へと時間をかけて移行することができます。ポート・リンクが閉塞しないよう、アップリンクは常にダウンリンクより高速に動作する必要があることに注意することが重要です。
リーフとスパインのサイズ: トポロジー内のリーフスイッチの最大数は、スパインスイッチのポート密度によって決まります。そして、スパイン・スイッチの数は、リーフ・スイッチ間で要求されるスループット、冗長化/ECMP（等価マルチパス）パスの数、ポート密度の組み合わせによって決まります。そのため、ネットワークの問題を防ぐためには、スパインリーフスイッチの数とポート密度を考慮する必要があります。
レイヤー2またはレイヤー3設計: 2層のスパインリーフ・ファブリックは、レイヤー2（VLANの設定）またはレイヤー3（サブネット）のいずれかで構築できます。レイヤ 2 の設計では、VLAN をどこにでもスパンさせ、MAC アドレスをどこにでも移行できるように、最大限の柔軟性を提供する必要があります。レイヤ3設計では、最速のコンバージェンス時間と、最大32台以上のアクティブ・スパイン・スイッチをサポートするファンアウトECMPによる最大限のスケールを提供する必要があります。
スパインリーフ・アーキテクチャーにスパインリーフ・スイッチを導入するには？
これらの点を念頭に置き、データセンターの構築が急務であることを考慮すると、主な目標は少なくとも480x10Gのサーバーをアーキテクチャに組み込むことです。ここでは、スパインリーフ・アーキテクチャの設計を迅速に完了するための例を示します。
スパイン・スイッチとして40Gポートを提供するNC8200-4TDを使用し、40G/10Gポートを提供するN5850-48S6Qをリーフ・スイッチとして使用します。こうすることで、アップリンクの帯域幅は40G、ダウンリンクの帯域幅は10Gとなります。しかし、リーフとスパイン間の妥当な帯域幅の比率は3:1を超えることができないため、各リーフスイッチはここで最大24x10Gのサーバーを接続できます。ここで得られる総帯域幅は480x10Gであります。リンク伝送全体において、スイッチはPFC、MLAG、VXLAN、またはEVPN-VXLANやその他の関連する仮想技術を同時にサポートしており、構造的な信頼性を達成するのに十分です。
データセンター・スパインリーフ・スイッチの推奨
まず、ポート密度、仮想化技術、冗長ハードウェアなど、スパイン・スイッチとリーフ・スイッチの性能特性を理解する必要があります。その後、導入ニーズに応じて適切なスイッチを選択し、ネットワーク・アーキテクチャを完成させます。FS Nシリーズのデータセンター・スイッチは、完全な仮想化ソフトウェア・システムを備えており、より高いネットワーク性能と迅速な導入を実現します。
製品 | ||||||||||
アプリケーション | スパイン・レイヤー | スパイン・レイヤー | スパイン・レイヤー | スパイン・レイヤー | スパイン・レイヤー | スパイン・レイヤー | リーフ・レイヤー | リーフ・レイヤー | リーフ・レイヤー | リーフ・レイヤー |
ポート | 128x 10G/25G、64x 40G、または32x 100G | 32x 100G、または16x 100G、4x 400G | 64x 400G | 64x 100G | 32x 100G | 32x 100G QSFP28、2x 10Gb SFP+ | 48x 10G SFP+、6x 40G QSFP+ | 48x 10G SFP+、8x 100G QSFP28 | 48x 25G SFP28、2x 10Gb SFP+、8x 100G QSFP28 | 48x 25G SFP28、8x 100G QSFP28 |
仮想化技術 | MLAG、スタック、EVPN-VXLAN | MLAG | / | MLAG、スタック | MLAG、スタック、EVPN-VXLAN | MLAG、VXLAN | VXLAN | MLAG、スタック、EVPN-VXLAN | / | MLAG、スタック、EVPN-VXLAN |
転送レート | 4.76 Bpps | 1.905 Bpps | 10.3 Bpps | 4.288 Bpps | 2.98 Bpps | 4.7 Bpps | 1 Bpps | 1.90 Bpps | 2.9 Bpps | 1.929 Bpps |
スイッチング容量 | 6.4 Tbps | 25.6 Tbps | 51.2 Tbps | 12.8 Tbps | 6.4 Tbps Tbps | 6.4 Tbps(全二重) | 1.44 Tbps(全二重) | 2.56 Tbps | 4 Tbps | 4 Tbps |
レイテンシー | < 1μs | < 1μs | < 1μs | < 1μs | < 1μs | / | / | < 1μs | / | < 1μs |
最大消費電力 | < 650W | < 1950W | < 2524W | < 600W | < 450W | 550W | 282W | < 300W | 550W | < 300W |