Topologia di rete MSP per principianti
Per i fornitori di servizi gestiti (MSP), la creazione di una rete con prestazioni elevate e scalabile è un elemento fondamentale per il successo. In un precedente articolo della serie “ post sul blog”, abbiamo trattato i tipi di topologia di rete di base, mentre in questo post esamineremo tipi di topologia di rete più complessi per i fornitori di servizi, compresi quelli preferiti per le reti degli MSP. Leggi questo articolo del blog per scoprire quale sia la migliore topologia di rete per un data center di un MSP e perché.
Reti gerarchiche tradizionali a tre livelli
Prima che le reti definite dal software (Software Defined Networks) diventassero comuni, le reti nei data center si basavano sulla topologia di rete gerarchica ad albero. Questa topologia si suddivide in tre livelli principali: il livello core, il livello di aggregazione o distribuzione e il livello di accesso. In questa topologia, i server sono collegati agli switch nel livello di accesso. I router perimetrali sono collegati al core per fornire l’accesso da e verso la WAN (rete geografica) e Internet. Questi router hanno una ubicazione tra il core e Internet nello schema riportato di seguito.
In termini del modello OSI (Open Systems Interconnection), che suddivide la rete in un livello di collegamento dati (L2) e un livello di rete (L3), tra gli altri, la topologia di rete Access-Aggregation-Core si estende su più livelli, come si vede nel grafico.
Esaminiamo questi tre livelli uno per uno.
Livello core
Il core di rete (chiamato anche rete core) è la componente centrale dell’intera rete. I nodi primari sono collegati al core. La rete core si basa solitamente sulla topologia a maglia (mesh), in cui tutti i nodi sono collegati a tutti gli altri nodi all’interno del core (nel caso di una topologia a maglia completa). Gli switch e i router nel core della rete sono interconnessi tramite collegamenti ad alta velocità (chiamati anche connessioni backbone). Poiché nel core della rete vengono utilizzati router, il livello core gestisce il traffico di livello 3 (L3).
Livello di distribuzione/aggregazione
Si tratta di un livello intermedio utilizzato per aggregare i collegamenti in uplink dal livello sottostante della topologia di rete a tre livelli (il livello di accesso, che opera su L2) verso il livello centrale della rete (che solitamente opera su L3) utilizzando collegamenti a maggiore larghezza di banda. Il livello di distribuzione combina un numero elevato di porte a bassa velocità con un numero ridotto di porte trunk ad alta velocità. L’instradamento ha inizio nel livello di distribuzione/aggregazione di questa topologia di rete quando i dati vengono trasferiti dal livello di accesso. Il firewall, il bilanciamento del carico e altre configurazioni di sicurezza vengono impostate sul livello di aggregazione. Il livello di aggregazione/distribuzione viene utilizzato per ridurre e semplificare lo schema di cablaggio nel data center, al fine di consentire una gestione più agevole. Gli switch installati sul livello di aggregazione devono supportare la memorizzazione di un numero maggiore di indirizzi MAC nella tabella degli indirizzi MAC presente nella loro memoria. Mentre il livello di accesso opera con il traffico di livello 2 (L2), il livello di distribuzione opera con il traffico di livello 2 (L2) e di livello 3 (L3).
Livello di accesso
Questo livello è costituito da switch che operano a livello 2 (L2). I server e le workstation sono collegati agli switch del livello di accesso. Le VLAN (reti locali virtuali) vengono solitamente utilizzate per separare i domini di broadcast di livello 2, al fine di ridurre il traffico di broadcast e aumentare la sicurezza.
Per evitare colli di bottiglia, vengono utilizzati collegamenti con maggiore larghezza di banda man mano che ci si avvicina al nucleo della rete. Ad esempio, i server sono collegati agli switch di accesso tramite interfacce di rete da 10 Gbit/s, gli switch di accesso sono collegati agli switch di aggregazione tramite interfacce da 10 Gbit/s, mentre gli switch e i router del livello di aggregazione sono collegati agli switch e ai router del nucleo della rete tramite collegamenti da 100 Gbit/s. In questo caso, è possibile ricorrere all’aggregazione dei collegamenti per aumentare la larghezza di banda e la ridondanza. Tutto il traffico proveniente dai server viene trasferito agli uplink. All’ubicazione più alta della gerarchia di questa topologia di rete si trova un insieme di apparecchiature di rete intelligenti, soprannominate “god boxes”. I “god boxes” sono responsabili dell’instradamento e di tutti gli altri servizi. La topologia di rete gerarchica consente di creare una rete modulare.
Nella topologia di rete illustrata nel diagramma precedente, il guasto di un collegamento comporta il malfunzionamento di quel segmento della rete. Per questo motivo, in questo tipo di topologia di rete (vedi lo schema seguente) vengono utilizzati canali riservati e ridondanza su ogni livello di rete. Il guasto di un dispositivo o di un collegamento causa un calo delle prestazioni, ma la rete continua a funzionare. Questa topologia di rete ridondante richiede solitamente STP (Spanning Tree Protocol).
Manutenzione. Se si disconnettono alcune apparecchiature di rete in questa topologia a 3 livelli per aggiornare il software o eseguire altre attività di manutenzione, le prestazioni della rete subiscono un calo. Alcuni servizi potrebbero risultare temporaneamente non disponibili.
Scalabilità. Il numero di servizi in esecuzione sui server cresce ogni anno e la quantità di traffico aumenta di conseguenza. Questa situazione richiede l’upgrade e l’aumento della larghezza di banda nella rete MSP. L’aumento della larghezza di banda di rete in un data center classico era obbligatorio e richiedeva solitamente quanto segue:
- Aumento delle connessioni di aggregazione dei collegamenti (LAG)
- Acquisto di schede di rete
- Se non sono disponibili slot per l’installazione di schede di rete, acquisto di nuovi server o apparecchiature correlate
Se è necessario aggiungere un nuovo rack per server (armadio rack) come nuovo modulo nel proprio data center, è possibile aumentare la larghezza di banda di rete verso questo rack e verso i server in esso installati. Questo tipo di topologie di rete non è in grado di garantire un elevato livello di prenotazione delle connessioni e di ridondanza a causa delle funzioni dei protocolli di livello 2, quali STP e MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol).
La classica topologia di rete a tre livelli in un data center può essere combinata con i modelli “End of Row” e “Top of Rack”. Lo schema di connessione “Top of Rack” è oggi più diffuso. Questo nome deriva dal fatto che i server e gli switch sono collegati allo switch principale su ciascun rack. Gli switch Top of Rack (switch ToR) sono collegati agli switch/router dei livelli superiori nella rete MSP. Gli switch ToR sono diversi dagli switch perimetrali degli utenti e dispongono di numerose porte uplink ad altissima velocità (come le porte da 10 Gbit/s) e di un elevato numero di porte per il collegamento dei server. Gli switch ToR vengono installati a coppie per garantire la ridondanza e consentire la manutenzione degli switch. I vantaggi di questo schema di connessione ToR sono la minore lunghezza dei cavi sia all’interno di un rack che tra i rack. Gli switch di accesso della topologia di rete gerarchica a più livelli vengono solitamente utilizzati come switch ToR.
Direzione del traffico
Gli svantaggi illustrati in precedenza non sono troppo critici e una rete di data center può funzionare correttamente con un’amministrazione adeguata. Il passaggio da L2 a L3 in una parte della rete contribuisce a risolvere una serie di problemi. Esiste un’altra funzione legata all’evoluzione dei data center e al modo in cui le applicazioni funzionano oggi in modo diverso rispetto al passato. Negli anni 2000, le applicazioni venivano create utilizzando un’architettura centralizzata, e le applicazioni basate sull’architettura client-server erano prevalentemente monolitiche . Ciò significa che i componenti di un’applicazione potevano avere una diversa ubicazione su un unico server. Di conseguenza, nel nostro diagramma, la richiesta dell’utente veniva inviata dalla parte superiore della rete, mentre la risposta generata dall’applicazione veniva inviata dal livello inferiore del server nuovamente verso la parte superiore della rete. La richiesta dell’utente veniva gestita su un unico host. Il traffico orizzontale (est-ovest) tra gli host era minimo, mentre predominava il traffico nord-sud. La topologia di rete tradizionale gerarchica a più livelli utilizzata per le reti MSP nei data center soddisfa questi requisiti. Tuttavia, nel corso del tempo, nello sviluppo delle applicazioni sono state privilegiate nuove architetture.
Architettura a strati N-tier. I componenti dell’applicazione sono distribuiti su più livelli, ad esempio il livello logico, il livello di presentazione e il livello dati. Le applicazioni web composte da più componenti richiedono che tali componenti vengano eseguiti su server diversi, ad esempio un server web, un server applicativo e server di database. I componenti dell’applicazione in esecuzione su più server interagiscono tra loro tramite una rete.
L’architettura a microservizi presuppone che i componenti di un’applicazione (i servizi) vengano eseguiti in contenitori separati e logicamente isolati, collegati tra loro tramite una rete. Contenitori possono essere eseguiti su host diversi in grappoli. Questa architettura è altamente scalabile ed è oggi ampiamente utilizzata nei cloud.
Inoltre, i data center gestiscono ormai Big Data, grandi database, analisi dei dati, pubblicità contestuale, applicazioni basate sull’intelligenza artificiale e altri software che richiedono l’interconnessione con più server, array di storage, VM o contenitori. I componenti delle applicazioni sono distribuiti su più server o VM all’interno del data center.
Di conseguenza, il traffico est-ovest è superiore al traffico nord-sud nella rete MSP. Il traffico interno in una rete di data center (traffico intra-DC) è superiore al traffico da/verso un utente esterno che invia una richiesta al data center. Non bisogna dimenticare il traffico interno tra i sistemi di storage, replica del database, il backup dei dati e altre attività di servizio che utilizzano la rete all’interno di un data center.
Nei diagrammi seguenti è possibile osservare la rappresentazione grafica dell’aumento del traffico interno nelle reti MSP all’interno dei data center negli ultimi anni. La tendenza mostra che il traffico intra-DC sta crescendo più del traffico in entrata/uscita.
Le reti tradizionali, costruite utilizzando la tradizionale topologia di rete gerarchica a tre livelli, sono affidabili ma non adattate ai flussi di traffico laterali nel modo più razionale. Ciò è dovuto all’enfasi posta sul networking di livello 2 (L2) e sul traffico nord-sud.
Topologia di rete Clos
Inizialmente, la rete Clos fu ideata da Edson Erwin nel 1938. Nel 1953, Charles Clos decise di utilizzare reti di commutazione non bloccanti nei sistemi di telefonia per un uso più razionale delle comunicazioni rispetto allo schema di comunicazione a barra incrociata. Con matrici caratterizzate da un numero ridotto di interconnessioni, ingressi e uscite, lo schema di connessione sembra complesso a prima vista. Tuttavia, la rete di Clos risulta meno complessa grazie al minor numero di punti di connessione, secondo la formula: 6n^(3/2)-3n . Questo fatto diventa evidente a partire da 36 punti terminali di connessione. 
Se m è il numero di switch di ingresso e n è il numero di switch di uscita, allora le caratteristiche di blocco della rete di Clos si calcolano utilizzando la formula. Secondo il teorema di Clos, una rete di Clos è strettamente non bloccante se il numero di switch di secondo livello m ≥ 2n−1 .
La rete bloccante è una rete in cui è impossibile trovare un percorso di comunicazione da una porta di ingresso libera a una porta di uscita libera.
La rete non bloccante è quella in cui esiste sempre un percorso per collegare qualsiasi porta di ingresso e di uscita. Le reti non bloccanti si ottengono aggiungendo uno stadio di commutazione supplementare.
La rete non bloccante riorganizzabile è quella in cui tutti i possibili percorsi per collegare tutte le porte di ingresso e di uscita possono essere riorganizzati.
Alla fine degli anni ’90, con l’evoluzione delle tecnologie di telecomunicazione e delle reti informatiche, il concetto di reti Clos è tornato ad acquisire rilevanza. È necessario che tutti i nodi comunichino tra loro nel tessuto di rete e, se possibile, che non si utilizzi la topologia a maglia completa quando tutti i dispositivi sono interconnessi. È stato aggiunto un nuovo livello di comunicazione per l’interconnessione dei dispositivi di rete. Di conseguenza, il concetto di rete Clos è stato riproposto in una nuova incarnazione. Nell’immagine seguente è possibile osservare uno schema tipico della rete Clos a tre livelli.
Modifichiamo la rappresentazione della rete Clos adottando la visione Leaf-Spine , ampiamente utilizzata per maggiore praticità, ripiegando i lati sinistro e destro dello schema. Questa topologia di rete è nota come Leaf-Spine, Folded Close rete Clos a 3 livelli (vedi l’immagine seguente).
Il livello spine. Gli switch spine vengono utilizzati per interconnettere tutti gli switch leaf nella topologia di rete a maglia completa. Il livello spine sostituisce, in una certa misura, il livello di aggregazione utilizzato nella tradizionale topologia di rete gerarchica a tre livelli. Tuttavia, il livello spine non è un equivalente diretto del livello di aggregazione. Il compito principale del livello spine è il trasferimento veloce dei dati da un leaf a un altro. I dispositivi endpoint non sono collegati agli switch spine.
Il livello leaf. In questo modello, i server o altri dispositivi endpoint presenti nel data center sono collegati ai leaf. Tutti i leaf sono collegati a tutti gli spine. Di conseguenza, vi è un elevato numero di connessioni di rete con larghezza di banda uguale tra tutti i server. Tra gli spine e i leaf sono presenti connessioni di livello 3 (L3 nel modello OSI). Quando il traffico viene trasmesso dall’origine alla destinazione nella rete, il numero di hop è lo stesso (ad esempio, sono necessari tre hop per trasferire dati tra qualsiasi server all’interno della rete a due livelli leaf-spine secondo lo schema seguente). La latenza è prevedibile e bassa. Anche la capacità di rete risulta aumentata, poiché ora non è più necessario utilizzare STP . Quando si utilizza STP per connessioni ridondanti tra switch, può essere attivo un solo collegamento alla volta.
Nella topologia di rete leaf-spine , il protocollo di routing Equal-Cost Multipath (ECMP) può essere utilizzato per bilanciare il carico del traffico e prevenire i loop di rete (per le connessioni di rete di livello 3). È possibile utilizzare anche i protocolli BGP, OSPF, EIGRPe ISIS.
Questo concetto di rete è noto anche come topologia di rete multistrato fat-tree . L’idea è quella di evitare colli di bottiglia negli strati superiori dell’albero (vicini alla radice dell’albero) e aggiungere collegamenti supplementari per aumentare la larghezza di banda in questi segmenti. Di conseguenza, si ottiene una capacità di collegamento crescente verso la radice. La fat tree è un caso particolare della rete Clos. La rete Clos a tre livelli viene trasformata in una rete a due livelli leaf-spine dopo il “folding”. Gli switch leaf o gli switch/router leaf edge possono essere utilizzati per accedere a reti esterne e ad altri data center.
Vantaggi della topologia di rete leaf-spine
La topologia di rete leaf-spine offre una serie di vantaggi rispetto alla topologia di rete “access-aggregation-core”. Questa serie di vantaggi costituisce il motivo per cui utilizzare il tipo di topologia di rete leaf-spine in un data center.
Connessioni ottimizzate. I collegamenti con elevata larghezza di banda tra i dispositivi di rete sono ottimali per il traffico est-ovest. Non vi sono collegamenti inutilizzati (poiché si utilizza il livello L3 anziché il livello L2). ECMP è consigliato per un’elevata efficienza, mentre STP non è necessario.
Affidabilità. Il guasto di un dispositivo o la disconnessione di un collegamento non causano conseguenze negative significative né svantaggi. Se lo switch ToR che funge da switch leaf subisce un guasto, ne risente il rack corrispondente. Se uno switch spine subisce un guasto, la larghezza di banda della rete si riduce, ma non in modo significativo rispetto alla tradizionale topologia di rete gerarchica a 3 livelli. Il degrado della larghezza di banda per la topologia spine-leaf è 1/n , dove n è il numero di spine. Il degrado della larghezza di banda per la topologia gerarchica è 50% in questo caso.
Elevata scalabilità. È possibile aggiungere nuovi leaf finché sono disponibili porte libere sugli spine. L’aggiunta di nuovi spine consente di aumentare gli uplink dei leaf. Aggiungere switch/router perimetrali per aumentare la larghezza di banda verso le reti esterne. L’approccio tradizionale per aumentare la larghezza di banda e collegare più server nella topologia di rete gerarchica a livelli ad albero consiste nell’aggiungere più schede di rete con un maggior numero di porte, apparecchiature di rete con interfacce più veloci e, in generale, hardware più potente. Questo approccio tradizionale è denominato “scale up” oppure “scalabilità verticale” .
Quando si utilizza la leaf-spine topologia di rete nei data center e per le reti MSP, è possibile aggiungere un ulteriore livello di spine. Questo approccio è denominato scalabilità orizzontale o scalabilità orizzontale . L’aggiunta di un dispositivo di rete tipico, come uno switch o un router, aumenta la scalabilità in modo lineare.
Manutenzione. È possibile scollegare facilmente gli spine dalla rete per la manutenzione o la sostituzione. Le attività di manutenzione sugli spine non comportano rischi rispetto ai dispositivi principali, poiché sugli spine non sono presenti funzionalità intelligenti e la riduzione della larghezza di banda è minima dopo lo scollegamento.
Rete Clos multilivello
Nella sezione precedente ho illustrato la rete Clos a tre livelli con gli stadi: switch di ingresso, switch intermedio e switch di uscita. Poiché i dispositivi negli stadi di ingresso e di uscita servono a ricevere/inviare dati, lo schema di rete può essere ripiegato utilizzando una linea intermedia costituita da una topologia di rete a due livelli leaf-spine . È possibile aggiungere ulteriori livelli e costruire una rete Clos a più livelli per collegare un numero maggiore di dispositivi di rete a questa rete. In questo caso, si hanno cinque livelli: switch di ingresso, switch intermedio 1, switch intermedio 2, switch intermedio 3, switch di uscita.
Nel diagramma seguente è possibile vedere lo schema iniziale della rete Clos non bloccante a cinque livelli dopo la riorganizzazione dei blocchi blu e verdi. Esiste anche la vista ripiegata leaf-spine o la vista fat-tree (4,3) (poiché nello schema leaf-spine sono presenti 4 switch spine e 3 stadi), ma vediamo passo dopo passo come collegare i dispositivi nella rete Clos a 5 stadi. Una topologia di rete Clos con più di 5 stadi non è comune e non viene utilizzata nella pratica perché il numero di connessioni è troppo elevato.
Dopo aver ruotato di 90 gradi in senso orario lo schema iniziale della rete Clos a cinque stadi, si otterrà la vista tradizionale con gli switch di ingresso, gli switch di uscita e i tre stadi degli switch centrali. Tracciamo la linea di piegatura attraverso gli switch centrali al centro dello schema per ottenere la vista piegata della rete Clos a cinque stadi. 
Una volta ripiegato lo schema, si ottiene la vista ripiegata o la vista “ leaf-spine ” di questo tipo di topologie di rete (vedi lo schema seguente). Sono presenti 4 gruppi distinti che fungono da punti di consegna (POD). Il POD è l’unità universale per la realizzazione dei data center. I POD sono collegati agli spine di primo livello. Se è necessario espandere il proprio data center o aggiungere ulteriori server/apparecchiature di rete, è possibile aggiungere nuovi POD e collegarli al fabric di rete. Gli spine di un POD sono collegati agli spine di altri POD tramite spine di secondo livello. Allo stesso tempo, non tutti gli spine di livello 1 (L1) sono collegati a tutti gli spine di livello 2 (L2), e sono suddivisi in piani.
Nello schema seguente sono presenti due piani: Plane 0 e Plane 1 . Questo concetto viene utilizzato a causa del numero limitato di porte sugli spine; in questo caso, infatti, non è possibile creare una topologia di rete completamente connessa. Nello schema seguente, ogni spine ha un limite di 4 porte. Secondo l’idea di base, la rete Clos non bloccante si basa sugli stessi elementi (switch a 4 porte, come mostrato di seguito).
A prima vista, si può fare confusione con termini quali Clos, folded Clos, leaf-spinee fat tree. Vorrei chiarire questi termini.
Clos o rete Clos è il termine che indica le basi teoriche del tipo di topologia di rete Clos.
Folded Clos è una rappresentazione più pratica della rete Clos, in cui ingressi e uscite hanno lo stesso ruolo e hanno la stessa ubicazione.
Leaf-spine è una topologia di rete basata sullo schema della rete Clos che viene utilizzata nella pratica nei data center per costruire reti, comprese le reti MSP.
Fat tree viene solitamente definita come una variante della rete Clos. Questo termine è quello che crea maggiore confusione perché alcuni articoli citano la fat tree come la classica rete di tipo “access-aggregation-core”. Faccio riferimento al documento RFC 7938 che afferma che la fat tree si basa sulla topologia di rete folded Clos .
Calcoli
È possibile calcolare il numero di switch core, switch edge, il numero totale di switch necessari e il numero totale di host che possono essere collegati alla rete della configurazione selezionata utilizzando le formule in cui:
k è il numero di porte nello switch
L è il numero di livelli nella topologia di rete leaf-spine (fat tree)
Il parametro principale da calcolare prima di costruire la rete è il numero di host supportati. La configurazione fat-tree può essere scritta come FT(k, L). Ad esempio, FT(32,3) è una rete a tre livelli fat-tree con switch a 32 porte. È possibile utilizzare questo strumento calcolatrice gratuita per le reti Clos, che genera anche lo schema di visualizzazione per la configurazione selezionata.
È possibile calcolare che, se lo schema di rete fat-tree ha 2 livelli e 8 porte per switch, è possibile collegare 32 host alla rete. Se si aumenta il numero di porte per switch, il numero di host supportati sale a 512. Come si può vedere, il numero di host collegati dipende dal numero di porte su ciascuno switch. Se si mantiene la fat tree a 2 livelli (la rete Clos a 3 stadi) e si aumenta il numero di porte per switch, il numero di spine aumenta in modo significativo. È possibile risolvere questo problema aggiungendo un ulteriore livello alla fat tree. Per una rete a tre livelli fat tree, se il numero di porte per switch è 8, è possibile collegare 128 host.
Se si aumenta il numero di porte per switch a 32, è possibile collegare 8192 host utilizzando questa topologia di rete. Questo numero, per la rete Clos a 5 livelli, è 16 volte superiore a quello della rete Clos a 3 livelli. Tenete presenti i limiti del rack dei server quando pianificate lo schema di installazione dei server e delle apparecchiature di rete nel data center.
Per costruire reti Clos non bloccanti si utilizzano un numero dispari di livelli (3, 5, 7, ecc.). La rete Clos a 2 livelli non fornisce connettività non bloccante né connessioni multiple tra gli switch.
Nel diagramma seguente è possibile notare che, nel caso della rete Clos a due stadi, esiste un solo percorso di trasmissione per collegare il Server 1 e il Server 2. Solo ¼ delle porte sono collegate, mentre le altre non lo sono e costituiscono un ostacolo.
Il rapporto di sovrasottoscrizione è il rapporto tra la larghezza di banda in ingresso e quella in uscita nella direzione dai livelli inferiori a quelli superiori. Il rapporto di oversubscription varia solitamente da 2 a 4.
Esempio: uno switch dispone di 48 porte da 10 Gbit e 4 porte di uplink da 40 Gbit. La larghezza di banda totale delle connessioni in downlink verso i server è pari a 48 × 10 = 480 Gbit/s. La velocità totale delle connessioni in uplink è pari a 4 × 40 = 160 Gbit/s. Il rapporto di sovrasottoscrizione è 480/160 = 4.
Se la velocità della larghezza di banda totale è uguale per tutte le porte di downlink e uplink dello switch, lo switch non è sovrasottoscritto e in questo caso non vi sono colli di bottiglia. Un rapporto di oversubscription di 1:1 rappresenta il caso ideale. È opportuno stimare il traffico nelle diverse direzioni prima di acquistare switch con la velocità e il numero di porte adeguati.
Gli switch con un rapporto di oversubscription superiore a 1 vengono spesso utilizzati a livello di leaf nelle reti con topologia ” leaf-spine“. Nello stadio spine si dovrebbero utilizzare switch non sovrascritti. Gli switch a livello leaf nella topologia di rete leaf-spine vengono solitamente utilizzati come switch ToR. Tuttavia, è possibile installare switch leaf come switch End of Row.
Differenze fondamentali
Quando si crea una rete, alcune decisioni influenzano la struttura della stessa. Di seguito sono riportate alcune decisioni alternative che incidono sulla funzionalità della rete.
Top of Rack vs End of Row
Lo schema di connessione di rete Top of Rack (ToR) in un data center prevede l’installazione di uno o più switch in ogni rack. Si utilizzano cavi di collegamento corti per collegare lo switch Top of Rack con altre apparecchiature di rete e server all’interno del rack. Gli switch ToR dispongono solitamente di uplink ad alta velocità verso gli switch/router di livello superiore e possono essere collegati con cavi in fibra ottica. Il vantaggio è che, quando si utilizza questo schema di connessione per una rete MSP, non è necessario installare una grande quantità di cavi da ciascun rack del data center. L’utilizzo dei cavi nel data center risulta più razionale quando si adotta lo schema ToR. In questo caso, si spendono meno risorse per il cablaggio e si ottiene una migliore gestione dei cavi. È possibile gestire ogni rack come un singolo modulo senza influire sugli altri rack all’interno del data center, poiché sono interessati solo i server presenti in un unico rack. Nonostante il nome dello schema, è possibile montare uno switch al centro o nella parte inferiore di ciascun rack.
Lo schema di connessione di rete « » «End of Row» (EoR) prevede che un rack di server situato all’estremità della fila contenga le apparecchiature di rete. L’apparecchiatura include uno switch di rete comune per collegare tutti i server e gli altri dispositivi di tutti i rack presenti nella fila. I cavi provenienti dall’apparecchiatura di rete installata nel rack EoR vengono collegati ai dispositivi in tutti i rack della fila tramite pannelli di permutazione montati in ciascun rack. Di conseguenza, per collegare tutti i dispositivi di rete in una fila vengono utilizzati cavi lunghi. Se si utilizzano connessioni di rete ridondanti, anche il numero di cavi aumenta. Fittoni di cavi possono ostacolare il flusso d’aria verso l’apparecchiatura.
I rack dei server hanno solitamente un’ubicazione in file affiancate all’interno di un data center. Una fila può contenere, ad esempio, 10 o 12 rack. L’intera fila è considerata un’unica unità di gestione quando si utilizza lo schema di connessione EoR per la rete MSP in un data center. In questo caso viene utilizzato il modello di gestione per fila. Nel modello di connessione di rete EoR sono necessari meno switch individuali. La flessibilità è minore quando è necessario eseguire interventi di manutenzione o aggiornare gli switch, poiché la disconnessione di uno switch EoR comporta un impatto su un numero maggiore di dispositivi. Nonostante il nome, un rack dotato di uno switch comune (o di switch comuni) può essere posizionato al centro della fila.
Connessione di livello 2 vs livello 3
La scelta delle connessioni all’interno di una rete è un calcolo che tiene conto di affidabilità, velocità e costi, oltre che della topologia che si intende realizzare.
Ad esempio, esistono segmenti di rete per la topologia a tre livelli Access-Aggregation-Core e Leaf-Spine topologia. In questi casi, il traffico viene trasferito sui livelli L2 e L3 del modello OSI. Nella rete gerarchica a tre livelli, il livello di accesso opera sul livello L2, il livello di distribuzione/aggregazione aggrega i collegamenti L2 e fornisce il routing L3, mentre il livello della rete centrale esegue il routing sul terzo livello del modello OSI. La rete con topologia multilivello Leaf-Spine può essere configurata utilizzando il livello L2 con VLAN e il livello L3 con instradamento IP e sottoreti.
Le apparecchiature di rete di livello L2 sono più economiche rispetto a quelle di livello L3, ma l’utilizzo del networking di livello L2 per collegare i dispositivi di rete nella rete MSP di un data center presenta alcuni svantaggi. Le VLAN vengono solitamente utilizzate per isolare logicamente le reti che condividono lo stesso ambiente fisico. Il numero massimo di VLAN è 4095 (al netto di alcune VLAN riservate, come 0, 4095, 1002-1005).
Un altro svantaggio, come già menzionato in precedenza, è l’impossibilità di utilizzare collegamenti ridondanti quando STP viene impiegato a livello L2. Ciò è dovuto al fatto che solo un collegamento può essere attivo alla volta e non viene utilizzata tutta la larghezza di banda disponibile di tutti i collegamenti. Inoltre, quando il dominio di livello 2 con STP diventa esteso, aumenta la probabilità di problemi causati da un cablaggio non corretto e da errori umani, e la risoluzione dei problemi diventa difficile.
Una configurazione di rete di livello 3 consente ai tecnici di migliorare la stabilità e la scalabilità della rete MSP e delle reti dei data center in generale.
I seguenti protocolli di rete aiutano a gestire la rete di livello 3 e a instradare il traffico.
Il BGP (Border Gateway Protocol) è un protocollo di instradamento dinamico ampiamente utilizzato e considerato lo standard in molte organizzazioni con data center su larga scala. Il BGP è un protocollo altamente scalabile, estendibile ed efficiente.
ECMP (Equal Cost Multipath Routing) è una tecnologia di instradamento di rete utilizzata per distribuire il traffico utilizzando più percorsi ottimali definiti da metriche sul terzo livello del modello OSI. ECMP con i protocolli di instradamento viene utilizzato per il bilanciamento del carico nelle reti di grandi dimensioni. La maggior parte dei protocolli di routing, tra cui BGP, EIGRP, IS-IS e OSPF, supporta la tecnologia ECMP .
Cercate sempre di utilizzare i protocolli di rete più avanzati. Ricordate però che minore è il numero di protocolli utilizzati nella rete, più semplice risulta l’amministrazione della stessa.
Topologia di rete per NV e SDN
Oltre alla virtualizzazione hardware e all’utilizzo di VM, è diventata popolare anche la virtualizzazione di rete con un approccio incentrato sulle applicazioni. Le soluzioni di virtualizzazione di rete (NV) come VMware NSX, OpenStack Networking e Cisco ASI utilizzano intensamente il traffico est-ovest nella rete fisica, e per questo motivo una topologia di rete leaf-spine è adatta alle soluzioni di virtualizzazione di rete. Leggi il post sul blog relativo a VMware NSX per scoprire di più sulla virtualizzazione di rete.
Il Software-Defined Networking (SDN) viene utilizzato per virtualizzare le reti al fine di ottenere un utilizzo efficiente delle risorse, flessibilità e amministrazione centralizzata. Si tratta di una soluzione ottimale in un data center virtualizzato in cui vengono utilizzate VM connesse alla rete. Le VM possono migrare tra i server, generando così traffico est-ovest all’interno del data center. L’SDN è ampiamente utilizzato nelle reti degli MSP (Managed Service Provider) che forniscono IaaS (Infrastructure as a Service).
La configurazione delle reti definite dal software (SDN) risulta efficace quando si utilizza la topologia di rete sottostante leaf-spine con instradamento dinamico, un numero fisso di hop, bassa latenza prevedibile e ottimizzazione del traffico est-ovest per la comunicazione da server a server in un data center.
VXLAN
VXLAN (Virtual eXtensible Local Area Network) è un protocollo di rete migliorato utilizzato al posto delle VLAN nelle reti overlay. I tunnel di livello 2 (L2) vengono creati utilizzando le reti di livello 3 (L3) sottostanti (rete di base L3) per fornire connettività di rete di livello 2 senza le limitazioni tradizionali delle VLAN. Con VXLAN è possibile configurare la rete di livello 2 sulla rete di livello 3. La topologia virtuale può differire dalla topologia fisica della rete sottostante.
I frame VXLAN vengono incapsulati in pacchetti IP utilizzando lo schema di incapsulamento MAC-in-UDP . VNI è l’equivalente dell’ID VLAN. Il numero massimo di VNI è 2^24, ovvero circa 16 milioni. VXLAN viene utilizzato per creare reti L2 in ambienti estesi geograficamente, ad esempio quando è necessario creare una rete che colleghi due data center distribuiti geograficamente.
L’utilizzo di VXLAN e della virtualizzazione di rete contribuisce a ottimizzare le dimensioni della tabella degli indirizzi MAC per gli switch ToR. Questo perché gli indirizzi MAC utilizzati dalle macchine virtuali (VM) e il relativo traffico di livello 2 vengono trasferiti tramite una rete overlay di livello 2 utilizzando VXLAN. In questo modo non si sovraccaricano le tabelle MAC degli switch fisici. Le tabelle degli indirizzi MAC degli switch fisici non superano la capacità massima disponibile delle tabelle degli switch.
Conclusione
Tradizionalmente, le reti nei data center venivano realizzate utilizzando la classica topologia a tre livelli: accesso, aggregazione e core. Data l’evoluzione delle moderne applicazioni client-server e distribuite, dei microservizi e di altri software che generano traffico est-ovest all’interno delle reti MSP, la leaf-spine topologia di rete, basata sul concetto di rete Clos, è preferita nei moderni data center ed è una delle topologie di rete più comuni. La leaf-spine topologia di rete è la migliore per i data center di grandi dimensioni poiché è altamente affidabile e scalabile. Prima di installare una rete in un data center, effettuare i calcoli e stimare il traffico generato e i carichi di lavoro. Tenere conto del traffico dei servizi, come quello relativo al backup e alla replica, all’interno della rete.
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