到底什么是叶脊网络（Spine-Leaf）？

Posted 2021-06-06 鲜枣课堂

今天这个故事，要从67年前开始说起。

1953年，贝尔实验室有一位名叫Charles Clos的研究员，发表了一篇名为《A Study of Non-blocking Switching Networks》的文章，介绍了一种“用多级设备来实现无阻塞电话交换”的方法。

自从1876年电话被发明之后，电话交换网络历经了人工交换机、步进制交换机、纵横制交换机等多个阶段。20世纪50年代，纵横制交换机处于鼎盛时期。

纵横交换机的核心，是纵横连接器。如下图所示：

纵横制接线器

纵横连接器交叉点示意图

这种交换架构，是一种开关矩阵，每个交点（Crosspoint）都是一个开关。交换机通过控制开关，来完成从输入到输出的转发。

开关矩阵（交点数量=N2）

可以看出，开关矩阵很像一块布的纤维。所以，交换机的内部架构，被称为Switch Fabric。Fabric，就是“纤维、布料”的意思。

Fabric这个词，我相信所有核心网工程师和数通工程师都非常熟悉。“Fabric平面”、“Fabric总线”等概念，经常出现在工作中。

随着电话用户数量急剧增加，网络规模快速扩大，基于crossbar模型的交换机在能力和成本上都无法满足要求。于是，才有了文章开头Charles Clos的那篇研究文章。

Charles Clos（右一）

Charles Clos提出的网络模型，核心思想是：用多个小规模、低成本的单元，构建复杂、大规模的网络。例如下图：

图中的矩形，都是低成本的转发单元。当输入和输出增加时，中间的交叉点并不需要增加很多。

这种模型，就是后来产生深远影响的CLOS网络模型。

到了80年代，随着计算机网络的兴起，开始出现了各种网络拓扑结构，例如星型、链型、环型、树型。

树型网络逐渐成为主流，大家也非常熟悉。

树型网络

传统的树型网络，带宽是逐级收敛的。什么是收敛呢？物理端口带宽一致，二进一出，不就1:2的收敛了嘛。

2000年之后，互联网从经济危机中复苏，以谷歌和亚马逊为代表的互联网巨头开始崛起。他们开始推行云计算技术，建设大量的数据中心（IDC），甚至超级数据中心。

面对日益庞大的计算规模，传统树型网络肯定是不行的了。于是，一种改进型树型网络开始出现，它就是胖树（Fat-Tree）架构。

胖树（Fat-Tree）就是一种CLOS网络架构。

相比于传统树型，胖树（Fat-Tree）更像是真实的树，越到树根，枝干越粗。从叶子到树根，网络带宽不收敛。

胖树架构的基本理念是：使用大量的低性能交换机，构建出大规模的无阻塞网络。对于任意的通信模式，总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽。

胖树架构被引入到数据中心之后，数据中心变成了传统的三层结构：

接入层：用于连接所有的计算节点。通常以机柜交换机（TOR，Top of Rack，柜顶交换机）的形式存在。

汇聚层：用于接入层的互联，并作为该汇聚区域二三层的边界。各种防火墙、负载均衡等业务也部署于此。

核心层：用于汇聚层的的互联，并实现整个数据中心与外部网络的三层通信。

在很长的一段时间里，三层网络结构在数据中心十分盛行。在这种架构中，铜缆布线是主要的布线方式，使用率达到了80%。而光缆，只占了20%。

用着用着，人们发现，传统三层架构有很多的缺点。

首先，是资源的浪费。

传统三层结构中，一台下层交换机会通过两条链路与两台上层交换机互连。

由于采用的是STP协议（ Spanning Tree Protocol，生成树协议），实际承载流量的只有一条。其它上行链路，是被阻塞的（只用于备份）。这就造成了带宽的浪费。

其次，是故障域比较大。

STP协议由于其本身的算法，在网络拓扑发生变更时需要重新收敛，容易发生故障，从而影响整个VLAN的网络。

第三点，也是最重要的一点——随着时间推移，数据中心的流量走向发生了巨大变化。

2010年之后，为了提高计算和存储资源的利用率，所有的数据中心都开始采用虚拟化技术。网络中开始出现了大量的虚拟机（VM，Virtual Machine）。

与此同时，微服务架构开始流行，很多软件开始推行功能解耦，单个服务变成了多个服务，部署在不同的虚拟机上。虚拟机之间的流量，大幅增加。

这种平级设备之间的数据流动，我们称之为“东西向流量”。

相对应的，那种上上下下的垂直数据流动，称为“南北向流量”。这个很容易理解，“上北下南，左西右东”嘛。

东西向流量，其实也就是一种“内部流量”。这种数据流量的大幅增加，给传统三层架构带来了很大的麻烦——因为服务器和服务器之间的通信，需要经过接入交换机、汇聚交换机和核心交换机。

数据流向举例

这意味着，核心交换机和汇聚交换机的工作压力不断增加。要支持大规模的网络，就必须有性能最好、端口密度最大的汇聚层核心层设备。这样的设备成本高，价格非常昂贵。

于是乎，网络工程师们提出了“Spine-Leaf网络架构”，也就是我们今天的主角——叶脊网络（有时候也被称为脊叶网络）。Spine的中文意思是脊柱，Leaf是叶子。

叶脊网络架构，和胖树结构一样，同属于CLOS网络模型。

相比于传统网络的三层架构，叶脊网络进行了扁平化，变成了两层架构。如下图所示：

叶交换机，相当于传统三层架构中的接入交换机，作为 TOR（Top Of Rack）直接连接物理服务器。叶交换机之上是三层网络，之下都是个独立的 L2 广播域。如果说两个叶交换机下的服务器需要通信，需要经由脊交换机进行转发。

脊交换机，相当于核心交换机。叶和脊交换机之间通过ECMP（Equal Cost Multi Path）动态选择多条路径。

脊交换机下行端口数量，决定了叶交换机的数量。而叶交换机上行端口数量，决定了脊交换机的数量。它们共同决定了叶脊网络的规模。

叶脊网络的优势非常明显：

1、带宽利用率高

每个叶交换机的上行链路，以负载均衡方式工作，充分的利用了带宽。

2、网络延迟可预测

在以上模型中，叶交换机之间的连通路径的条数可确定，均只需经过一个脊交换机，东西向网络延时可预测。

3、扩展性好

当带宽不足时，增加脊交换机数量，可水平扩展带宽。当服务器数量增加时，增加脊交换机数量，也可以扩大数据中心规模。总之，规划和扩容非常方便。

4、降低对交换机的要求

南北向流量，可以从叶节点出去，也可从脊节点出去。东西向流量，分布在多条路径上。这样一来，不需要昂贵的高性能高带宽交换机。

5、安全性和可用性高

传统网络采用STP协议，当一台设备故障时就会重新收敛，影响网络性能甚至发生故障。叶脊架构中，一台设备故障时，不需重新收敛，流量继续在其他正常路径上通过，网络连通性不受影响，带宽也只减少一条路径的带宽，性能影响微乎其微。

思科的Nexus 9396PX，适合作为叶交换机

我们来结合一个案例模型，分析一下叶脊网络的支持能力。

假设一个这样的资源条件：

脊交换机数量：16台 

每个脊交换机的上联端口：8个 × 100G

每个脊交换机的下联端口：48个 × 25G

叶交换机数量：48台

每个叶交换机的上联端口：16个 × 25G

每个叶交换机的下联端口：64个 × 10G

在理想情况下，这样的叶脊网络总共可支持的服务器数量为：48×64=3072台。（注意，叶脊交换机北向总带宽一般不会和南向总带宽一致，通常大于1:3即可。上例为400:640，有点奢侈了。）

从这个例子也可以看出，叶脊网络带来了一个趋势，那就是对光模块的数量需求大幅增加。

下图就是传统三层架构和叶脊架构所使用光模块数量的对比案例，差别可能达到15-30倍之多。

（来自国泰君安证券研究）

正因为如此，资本市场对叶脊网络非常关注，希望借此带动光模块市场的增长，尤其是100G、400G这样的高速率光模块。

叶脊拓扑网络从2013年左右开始出现，发展速度惊人，很快就取代了大量的传统三层网络架构，成为现代数据中心的新宠。

最具有代表性的，是Facebook在2014年公开的数据中心架构。Facebook使用了一个五级CLOS架构，甚至是一个立体的架构。大家有兴趣可以研究一下。

Facebook数据中心架构

除了Facebook之外，谷歌公司的第五代数据中心架构Jupiter也大规模采用了叶脊网络，其可以支持的网络带宽已经达到Pbps级。谷歌数据中心中10万台服务器的每一个，都可以用任意模式以每秒10千兆比特的速度互相通信。

谷歌数据中心

好啦，关于叶脊网络的介绍，今天就到这里。

感谢大家的耐心观看，我们下期再见！

参考文献：

1、叶脊网络拓扑下全三层网络设计与实践，eponia，CSDN

2、光通信的再思考：5G流量爆发下的数据密度革命，国盛证券

3、数据中心网络架构浅谈，肖宏辉，知乎

4、叶脊架构如何满足新型数据中心流量需求，Paul Korzeniowski

5、是时候考虑叶脊网络架构，Andrew Froehlich

6、IDC叶脊架构如何推动高端光模块爆发，国君通信

7、数据中心spine leaf网络架构，云宏大讲坛