Scalabilità dei data center con Cisco FabricPath

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1 White Paper Scalabilità dei data center con Cisco FabricPath Argomenti in discussione Le tradizionali architetture di rete sono progettate per fornire un'elevata disponibilità delle applicazioni statiche, mentre la virtualizzazione del server e le applicazioni distribuite scalabili in maniera massiccia richiedono una maggiore flessibilità per potersi spostare liberamente tra le zone fisiche dei data center e una maggiore scalabilità della larghezza di banda per supportare le comunicazioni any-to-any. Cisco FabricPath, un elemento cruciale di Cisco Unified Fabric, è una tecnologia innovativa del software Cisco NX-OS che soddisfa quei requisiti attuali ed emergenti che stanno trasformando il concetto di reti di data center. Questa tecnologia porta la stabilità e le prestazioni del routing di livello 3 a reti commutate di livello 2 per creare una struttura di livello 2 estremamente resiliente e scalabile. Cisco FabricPath è una base che consente la creazione di data center incredibilmente scalabili e flessibili. Sfide nella struttura di rete corrente I moderni data center includono ancora qualche forma di switch di livello 2. In parte a causa dei requisiti imposti da alcune soluzioni che prevedono la connettività di livello 2, in parte a causa del sovraccarico amministrativo e della mancanza di flessibilità introdotta dal sistema di indirizzi IP. L'impostazione di un server in un data center richiede una pianificazione e implica il coordinamento di diversi team indipendenti: il team rete, il team server, il team applicazioni, il team storage e così via. In una rete con routing, lo spostamento di sede di un host richiede il cambio del suo indirizzo e poiché alcune applicazioni identificano i server in base al loro indirizzo IP, il cambio della sede di un server è fondamentalmente equivalente al riavvio di tutto il processo di installazione del server. Il livello 2 introduce una certa flessibilità poiché consente di inserire o spostare un dispositivo in modo trasparente dalla prospettiva del livello IP. Le tecnologie di virtualizzazione aumentano la densità dei server virtuali gestiti nel data center e in tal modo consentono un migliore utilizzo delle risorse fisiche, accrescendo però l'esigenza di un networking flessibile di livello 2. Sebbene il passaggio al livello 2 possa fornire la flessibilità necessaria al funzionamento di un grande data center, presenta alcuni difetti rispetto a una soluzione con routing. Il piano dati di livello 2 è soggetto alla proliferazione dei frame. La topologia di inoltro, generalmente ma non necessariamente elaborata dal protocollo STP (Spanning Tree Protocol), deve essere priva di loop ad ogni costo. In caso contrario i frame si potrebbero replicare alla velocità del cavo e influire sull'intero dominio bridge. Questa restrizione impedisce al livello 2 di sfruttare appieno la larghezza di banda disponibile nella rete e spesso crea percorsi subottimali tra host nella rete. Inoltre, poiché un errore potrebbe influire sull'intero dominio bridge, il livello 2 viene limitato a piccole isole per un contenimento dei rischi. Pertanto, i progetti di data center attuali sono un compromesso tra la flessibilità fornita dal livello 2 e la scalabilità offerta dal livello 3: Scalabilità limitata: il livello 2 fornisce flessibilità ma non scalabilità. I domini bridge sono così limitati a piccole aree, rigorosamente delimitate dai confini del livello 3. Prestazioni subottimali: l'inoltro del traffico all'interno di un dominio bridge è vincolato dalle regole della struttura di spanning, che limitano la larghezza di banda e favoriscono percorsi inefficaci tra i dispositivi Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 1 di 7

2 Funzionamento complesso: la segmentazione del livello 3 rende statiche le strutture dei data center e impedisce loro di raggiungere l'agilità aziendale richiesta dalle tecnologie di virtualizzazione più recenti. Qualunque modifica del piano originale è complessa, richiede una notevole riconfigurazione e causa interruzioni del funzionamento. Introduzione di strutture di livello 2 con Cisco FabricPath La tendenza alla virtualizzazione è iniziata ai margini del data center. La virtualizzazione dei server consente il consolidamento di diversi server come macchine virtuali in un singolo host fisico per incrementarne l'utilizzo. Cisco FabricPath fornisce le basi per la costruzione di una struttura scalabile: una rete che sembra essa stessa un singolo switch virtuale dalla prospettiva dei suoi utenti. Questa proprietà la si ottiene grazie alla fornitura di una larghezza di banda ottimale tra due porte, indipendentemente dalle loro posizioni fisiche. Inoltre, poiché Cisco FabricPath non subisce le limitazioni di scalabilità dei tradizionali bridge trasparenti, è possibile estendere una particolare VLAN sull'intera struttura, rinforzando in tal modo questa nozione di singolo switch virtuale. Si noti che se Cisco FabricPath è una tecnologia di livello 2, la struttura mantiene sempre le capacità di livello 3 della famiglia di switch Cisco Nexus e fornisce una perfetta integrazione di routing. Cisco FabricPath dirige il traffico all'interno della struttura Cisco FabricPath porta la stabilità e le prestazioni di routing al livello 2. Cisco FabricPath assume il controllo non appena un frame Ethernet passa da una rete Ethernet (definita Ethernet Classico) a una struttura Cisco FabricPath. Le regole di bridging Ethernet non determinano la topologia e i principi di inoltro in una struttura Cisco FabricPath. Il frame è incapsulato in un'intestazione di Cisco FabricPath, che comprende un'origine instradabile e indirizzi di destinazione. Tali indirizzi sono semplicemente l'indirizzo dello switch su cui è stato ricevuto il frame e l'indirizzo dello switch di destinazione a cui il frame è diretto. Da quel momento il frame viene indirizzato fino a quando non raggiunge lo switch remoto, dove viene scapsulato e recapitato nel suo formato Ethernet originale. La figura 1 illustra questo semplice processo. Figura 1. Frame trasportato tramite Cisco FabricPath La differenza fondamentale tra Cisco FabricPath e Ethernet Classico è che con Cisco FabricPath il frame viene sempre inoltrato nel core usando un indirizzo di destinazione noto. Gli indirizzi dei bridge vengono assegnati automaticamente e viene elaborata una tabella di routing per tutte le destinazioni unicast e multicast. La soluzione risultante fornisce sempre il comportamento semplice e flessibile del livello 2 ma, nel contempo, sfrutta il meccanismo di routing che rende l'ip affidabile e scalabile Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 2 di 7

3 Cisco FabricPath introduce un cambiamento radicale nel piano dati e richiede hardware dedicato per implementarne le funzioni con una bassa latenza. I moduli I/O Cisco Nexus serie 7000 F e la piattaforma Cisco Nexus 5500 sono in grado di eseguire Cisco FabricPath nonché IEEE Data Center Bridging (DCB) e Fibre Channel over Ethernet (FCoE). Poiché gli switch Cisco Nexus si integrano in modo trasparente anche con il routing di livello 3, la struttura che ne risulta è in grado di eseguire tutte le differenti tecnologie I/O per data center in modo simultaneo ed efficace. Vantaggi di Cisco FabricPath Cisco FabricPath offre i seguenti vantaggi: Semplicità, per ridurre le spese operative Cisco FabricPath è estremamente semplice da configurare. In effetti, l'unica configurazione necessaria prevede la distinzione delle porte principali, che collegano gli switch, dalle porte periferiche, dove sono collegati i dispositivi finali. Non è necessario impostare parametri per ottenere una configurazione ottimale e gli indirizzi di switch vengono assegnati automaticamente. Un singolo protocollo di controllo viene usato per l'inoltro unicast, per l'inoltro multicast e per il pruning di VLAN. La soluzione Cisco FabricPath richiede una configurazione meno combinata rispetto a un'equivalente rete basata su STP, riducendo così ulteriormente il costo globale di gestione. I progetti di rete statica fanno alcune ipotesi in merito a modelli di traffico e sedi di server e servizi. Se tali ipotesi sono errate, situazione che spesso si verifica in un secondo momento, potrebbe essere necessaria una complessa riprogettazione. Una rete basata su Cisco FabricPath può essere modificata in base alle esigenze e senza interruzioni per le stazioni finali. Le funzionalità degli strumenti per la risoluzione dei problemi di Cisco FabricPath superano quelle degli strumenti attualmente disponibili nel mondo IP. Le funzioni di ping e traceroute attualmente offerte dal livello 2 sono in grado di misurare la latenza e verificare un percorso specifico, tra i tanti di pari costo, verso una destinazione all'interno della struttura. Un dispositivo che non supporta Cisco FabricPath può essere collegato in modo ridondante a due bridge Cisco FabricPath separati con tecnologia avanzata di virtual PortChannel (vpc+), fornendo in tal modo un facile percorso di migrazione (figura 2). Esattamente come vpc 1, anche vpc+ si affida alla tecnologia PortChannel per fornire percorsi multipli (multipathing) e ridondanza senza ricorrere al protocollo STP. 1 Per ulteriori informazioni su Cisco NX-OS vpc, vedere Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 3 di 7

4 Figura 2. Collegamento di dispositivi che non supportano Cisco FabricPath con vpc+ Scalabilità basata su tecnologia comprovata Cisco FabricPath utilizza un protocollo di controllo basato sul potente protocollo di routing Intermediate System-to-Intermediate System (IS-IS), uno standard del settore che fornisce una veloce convergenza e che ha dimostrato di essere scalabile fino ai più grandi ambienti di provider di servizi. Tuttavia, non è necessaria alcuna conoscenza specifica di IS-IS per utilizzare una rete Cisco FabricPath. La prevenzione e la riduzione dei loop è disponibile nel piano dati, per aiutare ad assicurare un inoltro sicuro che non ha eguali in nessun altra tecnologia di bridge trasparente. I frame Cisco FabricPath includono un campo time-to-live (TTL) simile a quello usato in IP e viene applicato anche un controllo Reverse Path Forwarding (RPF). Efficienza ed elevate prestazioni Poiché è possibile usare un ECMP (Equal-Cost Multipath, percorsi multipli di pari costo) nel piano dati, la rete può usare tutti i collegamenti disponibili tra due dispositivi. L'hardware di prima generazione che supporta Cisco FabricPath è in grado di eseguire ECMP a 16 vie che, in combinazione con port channel da 10 Gbps a 16 porte, rappresenta una potenziale larghezza di banda di 2,56 terabit al secondo (Tbps) tra switch. I frame vengono inoltrati lungo il percorso più breve fino alla loro destinazione, riducendo in tal modo la latenza degli scambi tra stazioni finali in confronto a una soluzione basata su struttura di spanning. Gli indirizzi MAC vengono appresi selettivamente al perimetro, consentendo di scalare la rete oltre i limiti della tabella di indirizzi MAC dei singoli switch. Casi di utilizzo di Cisco FabricPath La proposta di valore di Cisco FabricPath, per creare domini di livello 2 semplici, scalabili ed efficienti, può essere applicata a molti scenari di rete. Da quando Cisco FabricPath è stato lanciato nell'ottobre 2010, i clienti Cisco hanno implementato un'ampia varietà di progetti di rete, dal tipo full-mesh alle topologie ad anello. In questa sezione verranno presentati alcuni di questi casi di utilizzo. Cisco FabricPath in un tipico progetto di data center Cisco FabricPath viene spesso associato alla scalabilità e alle prestazioni. Tuttavia, i data center odierni vengono generalmente costruiti attorno a piccoli blocchi di livello 2 chiamati pod. Un esempio di questo tipo di rete è il data center A, rappresentato nella figura 3. All'interno di un pod lo switching viene gestito dalla tecnologia Cisco NX-OS 2011 Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 4 di 7

5 vpc. vpc fornisce un ambiente attivo-attivo che non dipende dal protocollo STP (Spanning Tree Protocol) e che converge rapidamente in caso di errore. Poiché vpc sembra sufficiente a questa scala, è importante notare alcuni altri aspetti di Cisco FabricPath che lo rendono interessante in questo scenario: Cisco FabricPath è semplice da configurare e da gestire. Non è necessario identificare una coppia di peer né configurare PortChannel. Tutti i dispositivi nella struttura hanno lo stesso ruolo e la stessa configurazione minima. Cisco FabricPath è flessibile e non richiede nessuna topologia particolare. Anche se la rete è attualmente cablata per la classica topologia vpc a triangolo, Cisco FabricPath è in grado di ospitare qualunque struttura che possa essere necessaria in futuro. Cisco FabricPath non usa né estende il protocollo STP. Anche una parziale introduzione di Cisco FabricPath ha un effetto positivo sulla rete, poiché segmenta l'intervallo del protocollo STP. Poiché si tratta di un'ottimizzazione di Ethernet Classico, vpc richiede ancora il protocollo STP per reagire ad alcuni scenari. Cisco FabricPath può essere esteso facilmente senza interferire con il funzionamento. L'aggiunta di uno switch o di un link in una struttura Cisco FabricPath non causa alcuna perdita di frame. Se necessario, è pertanto possibile iniziare con una piccola rete ed estenderla gradualmente. Scalatura del tipico progetto di data center con Cisco FabricPath Nella precedente sezione venivano mostrati i vantaggi dell'introduzione di Cisco FabricPath come diretto sostituto di vpc. In questa sezione verrà dimostrato come Cisco FabricPath possa portare un'ulteriore significativa scalabilità, disponibilità e un miglioramento della flessibilità mediante la riorganizzazione del cablaggio di un data center esistente. Nella figura 3 vengono mostrati due data center che usano lo stesso numero esatto di collegamenti e switch. Nel data center A, ogni switch di accesso è connesso tramite un PortChannel a 4 porte a due switch di aggregazione in un dominio vpc. Nel data center B, che supporta Cisco FabricPath, ogni switch di accesso è invece connesso tramite un singolo uplink a quattro switch di aggregazione. Figura 3. Data center versatile Tabella 1. Vantaggi di Cisco FabricPath nel data center Configurazione Data center A basato sul protocollo STP o su vpc Ogni switch svolge un ruolo differente e richiede un diverso PortChannel, una diversa struttura di spanning o una diversa configurazione IP. Generalmente la configurazione Data center B, che supporta Cisco FabricPath Maggiore semplicità: Non sono necessarie configurazioni specifiche per VLAN o per switch. I collegamenti non sono nemmeno inclusi nei 2011 Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 5 di 7

6 Raggiungibilità di livello 2 Larghezza di banda Data center A basato sul protocollo STP o su vpc non dipende solo dagli switch ma anche da VLAN. Gli switch di accesso sono separati in due pod in grado di comunicare solo tra loro a livello 3. I server vengono assegnati in modo statico a uno specifico pod e il loro spostamento è un'operazione complessa dal punto di vista amministrativo che può diventare impossibile se le dimensioni predefinite dei pod non sono più adeguate. Ogni switch di accesso dispone di 40 Gbps di larghezza di banda disponibili per i propri peer nello stesso pod, ma condivide una larghezza di banda limitata attraverso il livello superiore quando viene tentato l'accesso a peer che si trovano nell'altro pod. Disponibilità La perdita di uno switch di aggregazione riduce del 50% la larghezza di banda disponibile per gli switch di accesso interessati. Data center B, che supporta Cisco FabricPath PortChannel. Maggiore ampiezza: Gli switch di accesso possono raggiungersi a vicenda a livello 2, consentendo in tal modo un'amministrazione semplice e lo spostamento delle macchine virtuali in pochi secondi. Poiché non è necessario che un server si trovi fisicamente in un pod specifico, il provisioning risulta facile e dinamico. Larghezza superiore: Ogni switch di accesso dispone di 40 Gbps di larghezza di banda disponibili per qualunque peer nella rete usando il percorso più breve possibile. Larghezza superiore: L'errore di uno switch di aggregazione riduce la larghezza di banda disponibile per lo switch di accesso solo del 25%. Cisco FabricPath e High-Performance Computing I data center per HPC (High-Performance Computing, elaborazione ad alte prestazioni) sono progettati in modo che i server possano comunicare tra loro con poca oversubscription. In una rete basata su struttura di spanning il limite del livello 3 generalmente si trova vicino allo switch radice e in tal modo consente il provisioning di una significativa velocità di trasmissione per il traffico nord-sud. Tuttavia, il traffico laterale est-ovest è tipicamente caratterizzato da un'elevata oversubscription poiché il bridge trasparente alla fine inoltra il traffico lungo una struttura di spanning. Ciò significa che tra due bridge può esistere un unico collegamento di inoltro. Questa restrizione pone un duro limite alla larghezza di banda a due sezioni della rete. Cisco FabricPath elimina questo limite grazie a ECMP. Con l'hardware corrente, Cisco FabricPath supporta ECMP a 16 vie. Pertanto, possono essere attivi fino a 16 percorsi tra due dispositivi nella rete. Poiché ciascuno di questi 16 percorsi può essere esso stesso un PortChannel a 16 porte, la soluzione può effettivamente fornire 2,56 Tbps di larghezza di banda a due sezioni. Nella figura 4 viene mostrato un possibile progetto di rete per fornire una struttura non bloccante sfruttando le funzionalità di Cisco FabricPath. Questa topologia viene definita struttura Clos ed è semplicemente un caso estremo del data center B, mostrato nella figura 3. Qui un gruppo di 16 dispositivi di aggregazione (switch spine) fornisce 16 differenti percorsi tra gli switch di accesso (switch leaf). Figura 4. High-Performance Fabric con Cisco Nexus serie 7000 e Cisco Nexus serie Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 6 di 7

7 Usando lo switch a 18 slot Cisco Nexus 7000 e i moduli I/O serie F2 sullo spine, "l'hardware" corrente è in grado di fornire una struttura non bloccante di livello 2 con più di x 10 porte Gps. Un record nel settore. Con lo switch a 18 slot Cisco Nexus 7000 sul leaf, l'intera struttura potrebbe essere implementata con appena 64 dispositivi. Una combinazione arbitraria di switch Cisco Nexus serie 7000 e Cisco Nexus serie 5500 è tuttavia possibile e può fornire un'ampia varietà di opzioni di implementazione. La scalabilità delle porte può essere ulteriormente aumentata combinando Cisco FabricPath con Cisco Nexus Fabric Extenders serie 2000 sul perimetro oppure introducendo un po' di oversubscription al livello di accesso. Conclusioni È necessaria qualche forma di livello 2 per il funzionamento di moderni data center altamente virtualizzati. Tuttavia, la scala dei domini bridge è limitata da alcuni vincoli del piano dati per il bridge trasparente. La tecnologia Cisco FabricPath combina la flessibilità del livello 2 con le caratteristiche di scalabilità e prestazioni del routing e fornisce una soluzione semplice, scalabile ed efficace per ambienti tradizionali, virtualizzati o cloud. Ulteriori informazioni Stampato negli Stati Uniti C / Cisco e/o le relative affiliate. Tutti i diritti riservati. Il presente documento contiene informazioni pubbliche di Cisco. Pagina 7 di 7