На изображении ниже показана эволюция сетей центров обработки данных за последние несколько лет. Сети на основе протокола связующего дерева (Spanning Tree Protocol, STP) удовлетворяли требованиям к сетевым системам в течение нескольких лет. Технология Virtual PortChannel (vPC) была предложена для устранения некоторых недостатков сетей на основе STP, а также для обеспечения возможности использования двух точек доступа. Впоследствии на первый план вышли оверлейные технологии, такие как FabricPath и TRILL, которые позволили создать маршрутизируемые сети второго уровня с инкапсуляцией MAC-в-MAC. Впоследствии появилась технология MAC-в-IP с изобретением VXLAN.
В то время как сети второго уровня эволюционировали, выходя за рамки топологий без петель, основанных на протоколе связующего дерева, функции шлюзов первого перехода для третьего уровня также становились все более сложными.
Традиционные централизованные шлюзы, размещавшиеся на уровнях распределения или агрегации, претерпели трансформацию в распределенные шлюзы. Это позволило добиться масштабируемости и устранить узкие места. В этом разделе мы расскажем, почему и как произошла эта эволюция.
Создание сети второго уровня без петель, позволяющей устройствам в одном широковещательном домене взаимодействовать друг с другом, стало первым шагом на пути к тому, чтобы сделать локальные вычислительные сети (ЛВС) чрезвычайно популярными.
В широковещательном домене пересылка данных осуществляется на основе поиска по MAC-адресу. Протокол STP, стандартизированный как IEEE 802.1D,9, предписывает методологию создания древовидной топологии, которая по определению не содержит петель. Благодаря тому, что этот протокол работает по принципу «подключи и работай», сети на основе STP с поддержкой IEEE 802.1Q10 быстро завоевали популярность и используются до сих пор.
Недостатки многих технологий становятся очевидными, когда технология или протокол разрабатываются для одной конкретной среды, а затем применяются в другой среде с совершенно иным набором требований. Так произошло и с сетями на основе STP. Внедрение STP в крупных сетях центров обработки данных сопряжено с рядом проблем.
Вот некоторые из основных проблем:
- Проблемы с конвергенцией: при обрыве канала или отказе коммутатора в сетях на основе STP необходимо пересчитывать дерево. Это может существенно повлиять на время схождения трафика, поскольку уведомления об изменении топологии приводят к очистке MAC-таблиц на коммутаторах. В результате требуется повторное определение состояния сети. Эта проблема усугубляется, когда корневой узел выходит из строя и необходимо выбрать новый.
Хотя таймеры можно настроить так, чтобы уменьшить влияние сбоев, проблема никуда не исчезает.
По мере увеличения скорости передачи данных с 10 Гбит/с до 40 Гбит/с и 100 Гбит/с даже время схождения, измеряемое в долях секунды, может приводить к значительным потерям трафика. Таким образом, длительное время схождения является одним из основных недостатков сетей на основе протокола STP.
- Неиспользуемые каналы. Как уже упоминалось, протокол STP строит дерево, чтобы в итоговой топологии сети не было циклов и петель. Одним из возможных побочных эффектов этого является то, что многие каналы между различными коммутаторами, которые являются частью топологии, блокируются и становятся избыточными. Следовательно, сетевые ресурсы используются не оптимальным образом. В настоящее время одной из желаемых целей является возможность задействовать все каналы и соответствующую им пропускную способность для оптимального использования имеющихся ресурсов.
- Неоптимальная переадресация. Поскольку дерево имеет корень в конкретном коммутаторе с протоколом STP, весь трафик от этого коммутатора до любого другого коммутатора в топологии будет переадресовываться по одному пути. Поскольку трафик всегда переадресовывается по этому дереву, более короткий путь между парой коммутаторов, не являющихся корневыми, если таковой существует, не будет использоваться. Следовательно, трафик между этими коммутаторами будет переадресовываться неоптимальным образом, что, безусловно, не является идеальным решением.
- Отсутствие ECMP (Equal-Cost MultiPath). Поскольку в традиционной сети второго уровня на основе STP между коммутатором источника и коммутатором назначения активен только один путь, опции ECMP отсутствуют. Слой
С другой стороны, сети уровня 3 позволяют использовать более одного равноценного маршрута между двумя маршрутизаторами. Это крайне желательно и является одной из основных причин, по которым сети уровня 3 стали такими популярными.