Spine and Leaf Architecture (feat. Data Center Network Architecture)

● Spine and Leaf Architecture 개요

 

네트워크 아키텍처를 구성 할 때 일반적으로 계층적 모델 구조를 사용 했습니다. 흔히 이야기하는 3-Tier Network Architecture 구조로 많이 설계 했습니다. 네트워크 엔지니어들에게 익숙한 모델이고 특정 구역의 장애가 전체에 전파되지 않는 모듈형식이기 때문에 관리가 용이하고 Scale-Out / Scale-Up 확장이 가능하기 때문에 확장성도 나쁘지 않습니다. 

 

다만, 구조를 변경하기 어렵고 (유연성이 떨어짐) 기존의 네트워크 기술로 인해 극복하지 못하는 단점들이 존재하기 때문에 데이터센터에서는 새로운 아키텍처가 필요로 했습니다. 그래서 Spine - Leaf Architecture 라는 새로운 디자인이 소개 되었습니다. 

 

Spine - Leaf 구조를 소개하기 앞서 3 - Tier Architecture의 장점과 단점을 확인해 보겠습니다. 

 

 

● Three-layer hierarchical architecture 장점 / 단점

 

장점	가용성	Access Layer에서 문제가 발생 할 경우 다른 Access Layer로 문제가 확산되지 않습니다. 장애가 발생한 영역의 서비스는 중단되지만 전체 서비스가 중단되지 않습니다.
	보안	Layer 2 계층의 보안과 Layer 3 계층의 보안을 적용하여 보안성을 강화 시킬 수 있습니다. 또한 라우팅 필터를 통해 통신 자체를 차단 할 수 있습니다.
	확장성	네트워크 확장이 필요할 경우 Distribution Layer 또는 Access Layer 장비를 늘림으로써 손 쉽게 확장이 가능 합니다.
	친숙함	네트워크 엔지니어들이 10년 이상 사용한 모델로써 친숙하고 구성도 작업을 통해 시각화 작업 시 명확한 서비스 구분이 가능 합니다.
단점	대역폭 부족	STP가 동작할 경우 전체 대역폭을 사용할 수 없고, STP 환경에서 장애 발생 시 전환 시간이 많이 소요 됩니다. 이를 극복하기 위해 vPC 기술이 개발되었지만 Uplink가 2개로 제한되는 단점이 존재 합니다.
	지연	Distribution과 Core Layer를 거쳐서 가야하기 때문에 East to West 트래픽의 경우 거치는 경로가 많기 때문에 지연이 증가 합니다.

 

3-Tier Architecture 구조가 가지고 있는 단점으로 인해 데이터센터에서는 부적합 했고 데이터센터에 맞는 새로운 아키텍처 Spine - Leaf Archtecture가 소개 되었습니다. 

 

 

● Spine and Leaf Architecture 소개

 

Spine - Leaf architecture는 기존의 3-Tier Architecture의 한계를 극복하기 위해 개발되었습니다. Spine - Leaf는 높은 대역폭, 낮은 지연과 East to West 트래픽 흐름에 특화 되어 있습니다. 

 

 

  ○ Spine and Leaf Architecture 특징

 

• Two Layer Topology
  - Spine - Leaf 구조는 2개층으로 이루어진 구조이며, 모든 End Device는 Leaf 장비에 연결되고 Spine은 Backbone의 역할을 수행. Leaf 스위치 끼리는 연결하지 않고 모든 Spine 스위치와는 연결하는 구조
• L2 / L3 Mode Support
  - Spine - Leaf 구조는 L2 모드와 L3 모두 구현가능. L2 디자인에서는 Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) or shortest path bridging (SPB)를 사용하여 Spanning-Tree를 대체 가능. L3 디자인에서는 VXLAN을 사용하여 사용 가능

 

  ○ Spine and Leaf Architecture 장점과 단점

 

장점	향상된 이중화	모든 Leaf 스위치는 Spine 스위치에 연결되어 있어 Spine 스위치의 장애가 전체 서비스에 크게 영향을 미치지 않음.
	증가된 대역폭	Spine - Leaf 구조에서는 Spanning-Tree를 사용하지 않기 때문에 모든 Uplink를 사용할 수 있어 SPT를 사용하는 구조 및 vPC만 사용하는 구조보다 링크 사용률이 높음
	향샹된 확장성	확장이 필요할 경우 Leaf 스위치를 추가하거나, Leaf & Spine 스위치를 추가하면 되기 때문에 확장이 용이함.
	저지연	Leaf 스위치에서 다른 Leaf 스위치까지 최대 2 Hop 만큼 떨어져 있기 때문에 최소한의 지연으로 데이터 이동 가능. East to West Traffic Flow에 최적화된 구조
	부하분산	Leaf 스위치에서 Spine 스위치로 가는 트래픽은 ECMP (Equal Cost Multi Path)이기 때문에 무작위로 선출되어 트래픽 부하분산이 수행 됨.
단점	많은 케이블 소모	모든 Leaf 스위치와 Spine 스위치가 연결 되어야 하기 때문에 많은 케이블링 작업이 필요함
	연결 제한	Spine - Leaf 구조에서 연결할 수 있는 HOST 수량은 스위치 포트의 수량에 영향을 받음. Spine 스위치가 32 Port일 경우 32개의 Leaf 스위치만 사용 가능