4. Data Center Routing Overview (Übersicht über Rechenzentrum-Routing)

Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über drei allgemeine Arten von Rechenzentrumsprotokoll-Designs -- nur Layer 2, Hybrid Layer L2/L3 und nur Layer 3.

4.1 L2-Only Designs (Nur-L2-Designs)

Ursprünglich verwendeten die meisten Rechenzentrumsdesigns das Spanning Tree Protocol (STP), das ursprünglich in [IEEE8021D-1990] für die Erstellung schleifenfreier Topologien definiert wurde, wobei typischerweise Varianten der in Abschnitt 3.1 beschriebenen traditionellen DC-Topologie verwendet wurden. Zu dieser Zeit unterstützten viele DC-Switches entweder keine Layer-3-Routing-Protokolle oder unterstützten sie mit zusätzlichen Lizenzgebühren, was bei der Design-Wahl eine Rolle spielte. Obwohl viele Verbesserungen durch die Einführung des Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) in der neuesten Revision von [IEEE8021D-2004] und des Multiple Spanning Tree Protocol (MST), das in [IEEE8021Q] spezifiziert ist, vorgenommen wurden, die die Konvergenz, Stabilität und Lastverteilung in größeren Topologien erhöhen, beschränken viele der Grundlagen des Protokolls seine Anwendbarkeit in großen DCs. STP und seine neueren Varianten verwenden einen aktiv/standby-Ansatz zur Pfadauswahl und sind daher schwer in horizontal skalierten Topologien bereitzustellen, wie in Abschnitt 3.2 beschrieben. Darüber hinaus haben Betreiber viele Erfahrungen mit großen Ausfällen aufgrund von Problemen gemacht, die durch unsachgemäße Verkabelung, Fehlkonfiguration oder fehlerhafte Software auf einem einzelnen Gerät verursacht wurden. Diese Ausfälle betrafen regelmäßig die gesamte Spanning-Tree-Domäne und waren aufgrund der Natur des Protokolls sehr schwer zu beheben. Aus diesen Gründen und da fast der gesamte DC-Verkehr jetzt IP ist, was ein Layer-3-Routing-Protokoll am Netzwerkrand für externe Konnektivität erfordert, erfüllen Designs, die STP verwenden, normalerweise nicht alle Anforderungen von Großbetreibern. Verschiedene Verbesserungen an Link-Aggregationsprotokollen wie [IEEE8023AD], allgemein als Multi-Chassis Link-Aggregation (M-LAG) bekannt, machten es möglich, Layer-2-Designs mit aktiv-aktiven Netzwerkpfaden zu verwenden, während STP als Backup für die Schleifenvermeidung diente. Die Hauptnachteile dieses Ansatzes sind das Fehlen der Fähigkeit, in den meisten Implementierungen linear über zwei hinaus zu skalieren, das Fehlen standardsbasierter Implementierungen und das zusätzliche Ausfalldomänenrisiko der Synchronisierung des Zustands zwischen den Geräten.

Es sollte beachtet werden, dass der Aufbau großer, horizontal skalierbarer, reiner L2-Netzwerke ohne STP kürzlich durch die Einführung des Transparent Interconnection of Lots of Links (TRILL) Protokolls in [RFC6325] möglich ist. TRILL löst viele der Probleme, die STP für großes DC-Design hat, jedoch hat dies aufgrund der begrenzten Anzahl von Implementierungen und oft der Anforderung für spezifische Geräte, die es unterstützen, seine Anwendbarkeit eingeschränkt und die Kosten solcher Designs erhöht.

Schließlich eliminieren weder die TRILL-Basisspezifikation noch der M-LAG-Ansatz vollständig das Problem der gemeinsamen Broadcast-Domäne, die für den Betrieb jeder Layer-2-, Ethernet-basierten Lösung so schädlich ist. Spätere TRILL-Erweiterungen wurden vorgeschlagen, um diese Problemstellung zu lösen, hauptsächlich basierend auf den in [RFC7067] beschriebenen Ansätzen, aber dies schränkt die Anzahl der verfügbaren interoperablen Implementierungen, die zum Aufbau eines Fabric verwendet werden können, noch weiter ein. Daher haben TRILL-basierte Designs Probleme, REQ2, REQ3 und REQ4 zu erfüllen.

4.2 Hybrid L2/L3 Designs (Hybrid-L2/L3-Designs)

Betreiber haben versucht, die Auswirkungen von Datenebenenfehlern zu begrenzen und große Topologien aufzubauen, indem sie Routing-Protokolle entweder in den Tier-1- oder Tier-2-Teilen des Netzwerks implementieren und die Layer-2-Domäne in zahlreiche kleinere Domänen unterteilen. Dieses Design hat es Rechenzentren ermöglicht, zu skalieren, aber auf Kosten der Komplexität bei der Verwaltung mehrerer Netzwerkprotokolle. Aus den folgenden Gründen haben Betreiber Layer 2 entweder im Access (Tier 3) oder sowohl im Access als auch in der Aggregation (Tier 3 und Tier 2) Teilen des Netzwerks beibehalten:

Unterstützung von Legacy-Anwendungen, die direkte Layer-2-Nachbarschaft benötigen oder Nicht-IP-Protokolle verwenden.
Nahtlose Mobilität für virtuelle Maschinen, die die Beibehaltung von IP-Adressen erfordern, wenn eine virtuelle Maschine zu einem anderen Tier-3-Switch wechselt.
Vereinfachte IP-Adressierung = weniger IP-Subnetze werden für das Rechenzentrum benötigt.
Anwendungslastverteilung kann direkte Layer-2-Erreichbarkeit erfordern, um bestimmte Funktionen auszuführen, wie Layer 2 Direct Server Return (DSR). Siehe [L3DSR].
Fortgesetzte CAPEX-Unterschiede zwischen L2- und L3-fähigen Switches.

4.3 L3-Only Designs (Nur-L3-Designs)

Netzwerkdesigns, die IP-Routing bis zu Tier 3 des Netzwerks nutzen, haben ebenfalls an Popularität gewonnen. Der Hauptvorteil dieser Designs ist die verbesserte Netzwerkstabilität und Skalierbarkeit als Ergebnis der Begrenzung von L2-Broadcast-Domänen. Üblicherweise wird ein Interior Gateway Protocol (IGP) wie Open Shortest Path First (OSPF) [RFC2328] als primäres Routing-Protokoll in einem solchen Design verwendet. Da Rechenzentren an Größe zunehmen und die Serveranzahl Zehntausende überschreitet, sind solche vollständig gerouteten Designs attraktiver geworden.

Die Wahl eines reinen L3-Designs vereinfacht das Netzwerk erheblich, erleichtert die Erfüllung von REQ1 und REQ2 und hat eine weite Verbreitung in Netzwerken, in denen große Layer-2-Nachbarschaft und größere Layer-3-Subnetze im Vergleich zu Netzwerkskalierbarkeit und -stabilität nicht so kritisch sind. Anwendungsanbieter und Netzwerkbetreiber entwickeln weiterhin neue Lösungen, um einige der Anforderungen zu erfüllen, die zuvor große Layer-2-Domänen durch die Verwendung verschiedener Overlay- oder Tunneling-Techniken vorangetrieben haben.