ديتاسنتر اساس تكنولوژی نرم‌افزارهای مدرن را تشكيل می دهد و در گسترش قابلیت‌های سازمان نقش اساسی ايفا می كند. دیتاسنترهای پیشین، معماری سه‌لايه‌ای یا Three-tier را به کار می برند که در آن سرورها بر اساس مکان‌شان مانند شكل زیر به Pod هایی تقسیم بندی می‌شوند. در شکل زیر طرح سه‌لايه‌ای ديتاسنترهای قديمی را مشاهده میکنید.
این معماری شامل روترهایCore، روترهای Aggregation یا همان روتر Distribution و سوییچ های Access می باشد. بین روترهای Aggregation و سوییچ های Access، از پروتکل STP برای جلوگیری از ایجاد Loop در لایه 2 شبکه استفاده می‌شود. پروتکل STP از چندین ویژگی پشتیبانی میکند: سادگی و تکنولوژی Plug-and-play که به پيكربندی اندکی نیاز دارد. vLANها درون هر Pod بسط داده می‌شوند به‌طوری که مکان سرورها آزادانه درون podها تغییر حركت می كنند و نیازی به تغییر آدرس IP نخواهد بود. با این حال Spanning Tree Protocol يا STP نمی‌تواند از مسیرهای ارسالِ موازی استفاده کند و همیشه مسیرهای افزونه در یک VLAN را مسدود میکند.
در سال 2010 شرکت سیسکو تکنولوژی Virtual-port-channel يا vPC را برای غلبه بر محدودیت STP عرضه نمود. vPC مسئله پورت‌های مسدودشده توسط STP را رفع میکند، مسیرهای Uplink را به‌صورت Active-active از سوییچ‌های Access به روترهای Aggregation فراهم میکند و از پهنای باند موجود بهره کاملی می‌برد همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. با استفاده از تکنولوژی vPC، پروتکل STP همچنان به عنوان مکانیسمی برای Fail-safe استفاده می‌شود.
تکنولوژی vPC به‌خوبی در محیطِ یک دیتاسنتر نسبتا کوچک که اکثر ترافیک‌های آن شامل ارتباطات Northbound و Southbound در میان کلاینت ها و سرورها می‌شود ايفای نقش مي‌كند.
شکل بالا طراحی ديتاسنتر با استفاده از vPC را مشاهده می کنید. از سال 2003، با ارائه تکنولوژی مجازی منابع محاسباتی، شبکه‌بندی و Storage که پیشتر در طرحِ دیتاسنتر، درون Podها در لایه 2 قرار می‌گرفتند، حال می‌توانند یکپارچه شوند. این تکنولوژیِ تحول‌آفرين باعث شد به دامين لایه 2ای بزرگتری از لایه access تا لایه core نياز باشد. شكل بالا طراحی ديتاسنتر با لايه 3 توسعه‌يافته را نمایش می دهد.
مدير ديتاسنتر می‌تواند یک Pool مرکزی از منابع با قابلیت تغییرپذیری بیشتر را ایجاد نماید که بر اساس نیازها می‌توانند دوباره تخصیص‌دهی شوند. مجموعه‌ای ازVMها بر سرورها قرار دارند که آزادانه از سروری به سرور دیگر قابل جابه‌جایی هستند بدون اینکه به تغییری در پارامترهای عملیاتی خود نیاز داشته باشند.
با استفاده از سرورهای مجازی شده، برنامه‌های كاربردی به گونه‌ای در میان سرورها توزیع می‌شوند که منجر به افزایشِ ترافیک East-west می‌شود. چنین ترافیکی به مدیریتی مؤثر به همراهِ تاخیری کم و قابل پیش‌بینی نیاز خواهد داشت در صورتی که vPC تنها از Active بودنِ حداکثر دو uplink موازی پشتیبانی میکند و بنابراین در معماری دیتاسنترِ سه‌لايه‌ای، پهنای باند به یک Bottleneck تبدیل می‌شود. مشکل دیگری که در معماری سه‌لايه‌ای وجود دارد، تاخیر سرور-به-سرور است که بسته به مسیر ترافیکی استفاده شده، تغییر میکند.
طرح دیتاسنتر جدیدی با نام معماری Leaf-spine که مبتنی بر شبکه Clos است برای غلبه بر این محدودیت‌ها عمومیت یافته است. این معماری ثابت كرده است که پهنای باند بیشتر، تاخیر کمتر و اتصالِ Nonblocking سرور-به-سرور را فراهم میکند.
معماری Spine-and-leaf
شکل زیر توپولوژی Spine-and-leaf دو لایه‌ای را نشان می‌دهد. در این معماری Clos دو لایه‌ای، هر سوییچ موجود در لایه پایین‌تر یا لايه Leaf به هر یک از سوییچ‌های لایه بالاتر یا لایه spine از طریق توپولوژیِ full-mesh متصل شده است. لایه Leaf شامل سوییچ‌های Access می‌شود که به دستگاه‌هایی همچون سرورها متصل‌اند. لایه Spine به عنوان ستون فقرات شبکه عمل میکند و در برابر اتصال داخلیِ میان تمامیِ سوییچ های لایه Leaf مسئول می باشد. مسیرِ عبور به‌طور تصادفی انتخاب می‌شود چنانکه بار ترافیک به صورت یکنواخت میان سوییچ‌های لایه بالاتر توزیع شود. اگر یکی از سوییچ‌های لایه بالا دچار خرابی شود، تنها درصد اندکی از کارایی، در سراسر مرکز داده تنزل می‌یابد.
اگر بار قرار گرفته بر روی لینک بیش از ظرفیت آن باشد یعنی ترافیک تولید شده بیش از حدی باشد که توسط یک لینک فعال در یک زمان تجمیع شود، فرآیند افزایشِ ظرفیت ساده است. یک سوییچ Spine دیگر افزوده شده و در نتیجه تعداد Uplinkها افزایش می‌یابد که منجر به افزایش پهنای باندِ میانِ لایه‌ها و کاهش رخدادِ باری بیش از ظرفیت لینک oversubscription می‌شود. اگر ظرفیتِ پورت‌های دستگاه موردتوجه باشد، می‌توان یک سوییچِ Leaf جدید را از طریق اتصال آن به هر سوییچ Spine اضافه نمود و تنظیمات شبکه را به سوییچ افزود. سادگی در توسعه و گسترش این معماری، فرآیند ارتقای شبکه را بهینه می سازد. اگر باری بيشتر از ظرفيت بين لايه پايين‌تر و Uplinkهای آن ايجاد نشود، در آن صورت می توان به معماری Nonblocking دست يافت.
با بهره گیری از معماری Spine-and-leaf مهم نیست که کدام سوییچ در لایه Leaf به کدام سوییچ از لایه Spine متصل است، ترافیک آن همیشه باید از تعداد دستگاه‌های یکسانی گذر کند تا به دستِ سرور مقصد برسد حتی اگر سرور مقصد در همان Leaf قرار گرفته باشد. این رویکرد منجر خواهد شد که تأخیر همیشه در سطحی قابل‌پیش‌بینی باقی بماند چرا که بسته‌های داده تنها به سمت یک سوییچ Spine و سوییچ Leaf دیگر حرکت می‌کنند تا به مقصد خود برسند.
Overlay Network یا شبكه همپوشان
اگرچه مفهوم شبكه همپوشان جدید نیست، در چند سال گذشته محبوبيت اين شبكه‌ها به‌علت پتانسیل‌شان در برآوردن برخی از این الزامات افزایش یافته است. همچنين با عرضه Frameهای جديد كپسوله‌سازی كه به‌طور خاص برای ديتاسنتر ايجاد شده‌اند، محبوبيت شبكه‌های همپوشان بيشتر شده است. این فرمت‌ها عبارتند از: Virtual Extensible LAN يا VXLAN ،Network Virtualization Using Generic Routing Encapsulation يا NVGRE ،Trasparent Interconnection of Lots of Links يا TRILL و Location/Identifier Separation Protocol يا LISP. شبكه همپوشان شبکه‌‌ای مجازی از Nodeهای به‌هم‌پیوسته هستند که در يك شبکه فیزیکی اصلي مشترك هستند و امکان پياده‌سازی برنامه‌هایی كاربردی را که به توپولوژی‌های شبکه خاصی نیاز دارند، بدون نیاز به تغییر شبکه اصلی، مانند شکل زیر فراهم می كنند.
مزایای شبكه مجازی سازی همپوشان
● عملکردهای بهينه‌شده دستگاه: شبکه‌های همپوشان امکان جداسازی و تخصصی‌سازی عملکردهای دستگاه را بر اساس محل استفاده از دستگاه در شبکه فراهم مي‌كنند. دستگاه Edge يا Leaf می‌تواند عملکردها و همه پروتکل‌های مربوط خود را بر اساس اطلاعات و مقیاس End-state بهینه کند و دستگاه مركزی يا Spine می‌تواند بهينه‌سازی عملکردها و پروتکل‌های خود را بر اساس به‌روزرسانی‌های Link-state كه با همگرايی سريع بهينه می شوند انجام دهد.
● مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری فابريك: تكنولوژی های همپوشانی به شبکه امكان می‌دهند تا با تمرکز بر مقیاس‌بندی در سطح دستگاه‌های Edge شبكه همپوشان، توسعه يابد. اگر در Fabric Edge از همپوشان استفاده شود، دستگاه‌های Spine و اصلی ديگر نياز نخواهند داشت اطلاعات Host نهايی را به جداول ارسالی شان اضافه كنند.
● Adressing همپوشانی: بیشتر تكنولوژی های همپوشان که در ديتاسنتر استفاده می‌شود، به IDهای شبکه مجازی امكان می‌دهد تا شبكه‌های خصوصی را منحصراً حوزه‌بندی و شناسايی كنند. این حوزه‌بندی امکان همپوشانی بالقوه در آدرس‌های MAC و IP را بین Tenantها فراهم میکند. كپسوله‌سازی همپوشان همچنین اين امكان را فراهم می كند كه فضای آدرس زیرساخت اصلی جدا از فضای آدرس Tenant مديريت شود.
این سند به بررسی چندین طرح معماری Spine and Leaf می پردازد كه Cisco اخيراً عرضه كرده است و همچنین طرح‌های فعلی و طرح‌هايی را که قرار است Cisco در آینده نزدیک برای رفع نیازهای فابريك در ديتاسنتر مجازی‌سازی مدرن ارائه دهد، بازبينی می كند:
● Cisco FabricPath Spine-and-Leaf Network
● Cisco VXLAN Flood-and-Learn Spine-and-Leaf Network
● Cisco VXLAN Multiprotocol Border Gateway Protocol (MP-BGP) Ethernet Virtual Private Network (EVPN) Spine-and-Leaf Network
● Cisco Massively Scalable Data Center (MSDC) Layer 3 Spine-and-Leaf Network.
Cisco FabricPath spine-and-leaf Network
سیسکو تكنولوژی FabricPath را در سال 2010 معرفی کرد. FabricPath قابلیت‌ها و گزینه‌های طراحی جدیدی را فعال میکند که به اپراتورهای شبکه امكان می‌دهد تا فابريك‌های اترنت ایجاد کنند که دسترس‌پذيری پهنای باند را افزایش می‌دهد، طراحی انعطاف‌پذير فراهم می كند و پياده‌سازی و عملیات شبکه و برنامه‌های كاربردی را ساده كرده و از هزينه‌‌های آن می كاهد. شبكه FabricPath در حالت عادی از معماری Spine-and-Leaf استفاده میکند.
فناوری FabricPath از بسیاری از ويژگی های برتر تكنولوژی های قديمی لایه 2 و لایه 3 بهره مي‌برد. در اين تكنولوژی، پيكربندی آسان و پياده‌سازی Plug and Play محيط لايه 2 حفظ می شود. اين تكنولوژی همچنین یک پروتکل Control-plane به‌نام FabricPath Intermediate System to Intermediate System یا IS-IS عرضه می كند. این پروتکل مسیریابی Shortest-Path First يا SPF برای تعیین قابلیت دسترسی و انتخاب بهترین مسیر یا مسیرها به هر سوییچ مشخص نهايی FabricPath در شبکه FabricPath استفاده می شود. نتیجه آن افزایش ثبات و مقیاس‌پذیری، همگرایی سریع و قابلیت استفاده از چندین مسیر موازی است كه در محيط Routشده لايه 3 رايج است.
