2024年5月31日发(作者：)

基于leaf?spine结构的新型城域网

发布时间：2021-06-29T03:37:04.164Z 来源：《现代电信科技》2021年第4期 作者： 冷冰1 朱新宇2

[导读] 当今云计算风起云涌，虚拟化如火如荼，数据中心规模越来越大，网络无限扩展，诸如大数据、移动支付、云存储、视频自媒体、

车联网等多种应用，都对数据中心的高速访问、高性能计算、海量数据存储、业务灵活迁移等提出了更高的要求。

（1.四川通信科研规划设计有限责任公司 四川成都 610041；2.成都地铁运营有限公司）

摘要：介绍传统三层网络架构应用在数据中心的弊端，分析可替代传统三层网络架构的叶脊网络架构原理、性能优势、相关设备特

点，以及该架构的优势。

关键词：新型城域网；叶脊网络；网络架构；三层网络

一、新型城域网提出背景

当今云计算风起云涌，虚拟化如火如荼，数据中心规模越来越大，网络无限扩展，诸如大数据、移动支付、云存储、视频自媒体、车

联网等多种应用，都对数据中心的高速访问、高性能计算、海量数据存储、业务灵活迁移等提出了更高的要求。传统城域网采用三层网络

架构的方式针对上述应用存在一些无法突破的限制与弊端，由此新型基于leaf?spine（叶脊）结构城域网应运而生。

二、传统城域网现状及存在问题

1、传统城域网现状

传统城域网大致采用三层构架的方式，即核心层、汇聚层、接入层。其中核心层设备（CR）通常是具备高性能、大容量、高可靠等特

点的大型路由器，支持单框、背靠背和多框集群模式，典型的设备如华为的NE5000系列，思科的CRS系列，Juniper的T系列等核心路由

器，这类路由器尽管性能强，但价格非常昂贵，对机房基础设施（如承重、供电、空间）要求高；汇聚层设备主要为MSE设备、BRAS设备

或SR设备，这类设备通常是具备较高性能和可靠性的大型路由器，一般不采用集群模式；典型的设备如华为的ME60系列、NE40E系列，中

兴的M6000系列，新华三CR16000系列等；接入层设备主要采用汇聚交换机，这类设备通常采用多槽位的中小型交换机，典型的设备如华为

的9300系列、中兴的8900系统等。传统城域网典型的组网拓扑结构如下图：

图1 传统三层构架城域网示意图

2、传统三层架构城域网存在的问题

流量流向的变化：随着数据中心、云计算、虚拟化等技术运用，数据流量由原来的上上下下的垂直数据流动（简称南北向流量）为主

逐步向东西向流量增加；这种数据流量的大幅增加，给传统三层架构带来了很大的压力——因为服务器和服务器之间的通信，需要经过接

入交换机、汇聚交换机和核心交换机；核心交换机和汇聚交换机的工作压力不断增加，要支持大规模的网络，就必须有性能最好、端口密

度最大的汇聚层核心层设备；这种模式下设备成本高，价格非常昂贵。且必须在建设网络时就预先规划好网络规模，在网络规模小时，会

造成资源的浪费，在网络规模继续扩大时，扩容也比较困难，因而让企业陷入了成本和可扩展性的两难选择之中。

难以适应超大规模网络：在云计算领域，网络规模扩大，数据中心也分布在不同的地理位置，虚拟机要求能在任意地点创建，迁移，

而保持其网络属性（IP，网关等）保持不变，传统城域网的架构很难满足这样的需求。

带宽的浪费：为了防止环路，汇聚层和接入层之间通常会运行STP协议，使得接入交换机的上联链路中实际承载流量的只有一条，而其

他上行链路将被阻塞，造成了带宽的浪费。

故障域较大：STP协议由于其本身的算法，在网络拓扑发生变更时需要重新收敛，容易发生故障，从而影响整个VLAN的网络。

三、新型城域网承载优化方案

可见未来的云网一体化中，城域内流量大幅增长，下沉节点的数量也将成百上千倍地上升，用户流量实现就近入云，大量流量将不再

出城域。城域内的多域网络必然带来过多的流量绕转和大量的背靠背端口浪费等问题，同时硬件形态多样化和网络协议多样化也将给未来

业务与网络部署以及运营管理带来巨大挑战，于是Spine-Leaf架构被引入城域网。

Spine类似三层架构中的核心交换机，但形态有所变化：高端口密度高吞吐量的三层交换机替代了大型机箱式交换机，网络的压力从集

中式负载于核心交换机，变成给许多的spine交换机来均衡分担。

图2 Spine-Leaf架构示意图

在这个模型中，Leaf交换机保持转发2层和3层的流量，流量可以分布在所有可用的链接上，不用担心过载问题；随着更多的连接被接

入到Leaf交换机，那么链路带宽的收敛比将增加，导致网络发生转发阻塞；为了降低链路收敛比，可以通过增加Spine和Leaf设备间的链路

带宽来解决；在可靠性方面，Spine与Leaf是全交叉连接，任一层中的单交换机故障都不会影响整个网络结构。

以POD为单位组织Spine-Leaf网络建设，采用两级架构，根据每个POD新增1对Spine设备，可以根据城域网的规模设置多个POD；同时

在新型城域网中融合原STN（智能传送网），进一步优化综合承载能力。

引入Spine-Leaf架构城域网拓扑结构如下：

图3 采用Spine-Leaf架构城域网示意图

通过引入Spine-Leaf架构，传统三层架构城域网存在的问题迎刃而解，首先南北向流量，可以从叶节点出去，也可从脊节点出去；东西

向流量，分布在多条路径上，叶交换机之间的连通路径的条数可确定，均只需经过一个脊交换机，东西向网络延时可预测，由此原来昂贵

的高性能高带宽设备被脊/叶交换机替代；其次，当带宽不足时，增加脊交换机数量，也可以增加POD数量。当服务节点数量增加时，增加

叶交换机数量，总之，规划和扩容变得非常方便；最后，每个叶交换机的上行链路，以负载均衡方式工作，充分的利用了带宽，叶脊架构

中，一台设备故障时，不需重新收敛，流量继续在其他正常路径上通过，网络连通性不受影响，带宽也只减少一条路径的带宽，性能影响

微乎其微。

四、传统城域网演进思路

传统城域网通过试点的方式逐步引入Spine-Leaf架构，新建城域POD平面，新平面与原城域网共存，也与原STN网共存；新城域网与原

城域网共用CR和ASBR，由CR转发互联网流量，ASBR转发政企VPN流量；新城域网新增与Spine与ChinaNet的直连链路，STN网新增与城

域网CR和ChinaNet的直连链路。新型城域网与原城域网共用ASBR，保持原有CN2-DCI对应关系。具体过度阶段网络拓扑结构如图4所示，

通过改造逐步演进为新型城域网。

图4 新型城域网与原城域网共存示意图

五、结束语

传统的三层架构城域网不会在短期内消失，但是由于技术和市场的发展，其短板也越来越明显。基于Spine-Leaf架构的改进非常有必

要，新的网络架构最好是：由相对较小规模的交换机构成，可以方便的水平扩展，较好的支持HA（active-active模式），支持全速的东西向

流量，不采购高性能的核心交换机也能去除超占比，支持SDN等等。

参考文献：

[1]四川电信2021年-2023年本地网网络滚动规划工作部署及编制指引[R].四川通信科研规划设计有限责任公司，2020.

[2]四川电信新型城域网试点方案[R]. 华为技术有限公司，2020.

作者简介：冷冰（1970-04），男，汉族，四川成都，设计师，数据通信工程师，大学，研究方向：通信设计。