با رشد سریع دیتاسنترها، سرویس‌های Cloud و معماری‌های مبتنی بر مجازی‌سازی، نیاز به شبکه‌ای با تأخیر کم، مقیاس‌پذیری بالا و مسیرهای ارتباطی قابل پیش‌بینی بیش از پیش احساس شد. معماری Leaf‑Spine یا Spine‑and‑Leaf پاسخی مدرن به این نیازهاست که با ساده‌سازی توپولوژی شبکه و حذف محدودیت‌های طراحی‌های سنتی، به یکی از محبوب‌ترین معماری‌های شبکه در دیتاسنترهای امروزی تبدیل شده است.

معماری Leaf‑Spine چیست؟

معماری Leaf‑Spine یا Spine‑and‑Leaf یک مدل شبکه دیتاسنتری دو‌لایه است که در آن تمامی سوئیچ‌های Leaf مستقیماً به تمام سوئیچ‌های Spine متصل می‌شوند. در این معماری، هیچ اتصال مستقیمی بین سوئیچ‌های Leaf وجود ندارد و تمام ترافیک بین آن‌ها از طریق لایه Spine عبور می‌کند. این ساختار باعث می‌شود تعداد Hopها بین هر دو نقطه شبکه یکسان و قابل پیش‌بینی باشد.

در معماری Spine‑and‑Leaf، سوئیچ‌های Leaf نقطه اتصال سرورها، استوریج‌ها و تجهیزات لبه‌ای هستند، در حالی که سوئیچ‌های Spine نقش Backbone شبکه را ایفا می‌کنند. این طراحی امکان استفاده از مسیرهای برابر (Equal‑Cost Paths) را فراهم کرده و بستر مناسبی برای معماری‌های مدرن مبتنی بر IP Fabric، VXLAN و شبکه‌های مبتنی بر لایه 3 ایجاد می‌کند.

چرا معماری Leaf‑Spine معرفی شد؟

معماری Leaf‑Spine برای رفع محدودیت‌های معماری‌های سنتی مانند Three‑Tier معرفی شد؛ معماری‌هایی که با افزایش اندازه شبکه دچار تأخیر بیشتر، پیچیدگی بالا و مسیرهای غیرقابل پیش‌بینی می‌شدند. نیاز به مقیاس‌پذیری افقی، کاهش Latency و پشتیبانی بهتر از ترافیک شرق به غرب (East‑West Traffic) در دیتاسنترهای مدرن، مهم‌ترین دلایل شکل‌گیری و گسترش معماری Leaf‑Spine بودند.

اجزای اصلی معماری Leaf‑Spine

Leaf Switch

سوئیچ‌های Leaf در معماری Leaf‑Spine در لایه دسترسی شبکه قرار دارند و نقطه اتصال مستقیم سرورها، ماشین‌های مجازی، سیستم‌های ذخیره‌سازی و تجهیزات لبه‌ای هستند. هر Leaf Switch به تمام سوئیچ‌های Spine متصل می‌شود و وظیفه ارسال و دریافت ترافیک را بر عهده دارد. از آنجا که تمام ترافیک بین Leafها از طریق Spine عبور می‌کند، Leaf Switch نقش کلیدی در کاهش تأخیر، پیاده‌سازی Load Balancing و پشتیبانی از فناوری‌های مدرن مانند VXLAN و EVPN ایفا می‌کند.

Spine Switch

سوئیچ‌های Spine هسته اصلی (Backbone) معماری Leaf‑Spine را تشکیل می‌دهند و وظیفه آن‌ها ایجاد مسیر ارتباطی یکسان و پرسرعت بین تمامی Leaf Switchهاست. هر Spine Switch به تمام Leafها متصل می‌شود، اما معمولاً اتصال مستقیمی به سرورها یا تجهیزات انتهایی ندارد. این طراحی باعث می‌شود تعداد Hop بین هر دو Leaf ثابت باشد و ترافیک شبکه به‌صورت یکنواخت بین مسیرهای متعدد توزیع شود، که نتیجه آن Latency پایین و عملکرد قابل پیش‌بینی شبکه است.

اتصال Full‑Mesh بین Leaf و Spine

در معماری Leaf‑Spine تمامی Leaf Switchها به‌صورت Full‑Mesh به همه Spine Switchها متصل می‌شوند، اما هیچ اتصال مستقیمی بین Leafها یا بین Spineها وجود ندارد. این الگوی اتصال، پایه‌ گذار استفاده از مسیرهای با هزینه برابر (ECMP) است و باعث می‌شود شبکه بدون نیاز به پروتکل‌های پیچیده لایه 2 به‌صورت مقیاس‌پذیر توسعه پیدا کند. با اضافه‌کردن Spine جدید، ظرفیت کلی شبکه افزایش می‌یابد بدون آنکه توپولوژی به‌طور اساسی تغییر کند.

نقش سرورها و تجهیزات انتهایی

سرورها، ماشین‌های مجازی، کانتینرها و تجهیزات ذخیره‌سازی به لایه Leaf متصل می‌شوند و معمولاً ارتباط مستقیمی با لایه Spine ندارند. این جداسازی باعث می‌شود تغییرات در لایه دسترسی، تأثیر حداقلی بر هسته شبکه داشته باشد و مدیریت شبکه ساده‌تر شود. در دیتاسنترهای مدرن، این تجهیزات اغلب ترافیک East‑West تولید می‌کنند که معماری Leaf‑Spine برای مدیریت بهینه آن طراحی شده است.

Leaf‑Spine چگونه کار می‌کند؟

1.اتصال Leaf به Spine

در معماری Leaf‑Spine هر Leaf Switch به تمام Spine Switchها متصل می‌شود و هیچ ارتباط مستقیمی بین Leafها وجود ندارد. زمانی که ترافیکی از یک سرور به سرور دیگر ارسال می‌شود، بسته ابتدا وارد Leaf مبدأ شده، سپس از طریق یکی از Spineها عبور کرده و در نهایت به Leaf مقصد می‌رسد. این ساختار دو‌لایه باعث می‌شود مسیر ترافیک کوتاه، یکنواخت و قابل پیش‌بینی باشد.

2.ECMP

Leaf‑Spine به‌طور ذاتی از مکانیزم Equal‑Cost Multi‑Path یا ECMP استفاده می‌کند، به این معنا که چندین مسیر با هزینه برابر بین Leaf و Spine وجود دارد. ترافیک شبکه به‌صورت هوشمند میان این مسیرها توزیع می‌شود و از تمامی لینک‌ها به شکل همزمان بهره گرفته می‌شود. این ویژگی هم باعث افزایش ظرفیت کلی شبکه می‌شود و هم از ایجاد گلوگاه ترافیکی جلوگیری می‌کند.

3.استفاده از پروتکل‌های لایه 3 به‌جای لایه 2

در معماری Leaf‑Spine، لینک‌ها معمولاً مبتنی بر لایه 3 هستند و از پروتکل‌هایی مانند OSPF، IS‑IS یا BGP برای مسیریابی استفاده می‌شود. حذف وابستگی به پروتکل‌های لایه 2 مانند STP باعث کاهش Loop، افزایش پایداری و ساده‌تر شدن عیب‌یابی شبکه می‌شود. این رویکرد زیرساخت را به یک IP Fabric تبدیل می‌کند.

4.مدیریت ترافیک East‑West

یکی از اهداف اصلی Leaf‑Spine بهینه‌سازی ترافیک East‑West است؛ ترافیکی که بین سرورها و سرویس‌های داخل دیتاسنتر جریان دارد. با توجه به اینکه تمامی مسیرها حداکثر دو Hop هستند، ارتباط بین سرورها سریع‌تر انجام می‌شود و Latency به شکل محسوسی کاهش پیدا می‌کند. این ویژگی برای محیط‌های مجازی و Cloud بسیار حیاتی است.

5.مقیاس‌پذیری آسان و بدون اختلال

در معماری Leaf‑Spine، افزایش ظرفیت شبکه معمولاً با اضافه‌کردن Spine یا Leaf جدید انجام می‌شود، بدون آنکه نیاز به تغییر اساسی در توپولوژی موجود باشد. اضافه‌شدن هر Spine جدید، بلافاصله پهنای باند کلی شبکه را افزایش می‌دهد و این مقیاس‌پذیری افقی یکی از مهم‌ترین مزایای عملیاتی این معماری محسوب می‌شود.

ارتباط Leaf‑Spine با VXLAN و EVPN

معماری Leaf‑Spine بستر ایده‌آلی برای پیاده‌سازی VXLAN محسوب می‌شود، زیرا زیرساخت آن مبتنی بر IP Fabric و ارتباطات لایه 3 است. در این مدل شبکه Underlay همان Leaf‑Spine است که وظیفه انتقال بسته‌ها را بر عهده دارد و VXLAN به‌عنوان لایه Overlay عمل می‌کند. این جداسازی باعث می‌شود شبکه فیزیکی ساده، پایدار و مقیاس‌پذیر باقی بماند، در حالی که شبکه منطقی می‌تواند بدون وابستگی به توپولوژی فیزیکی گسترش یابد.

VXLAN چیست؟ معرفی کامل Virtual Extensible LAN در شبکه

EVPN نیز به‌عنوان Control Plane استاندارد برای VXLAN در معماری Leaf‑Spine استفاده می‌شود و با تکیه بر BGP، اطلاعات MAC و IP را به‌شکل بهینه بین Leaf Switchها توزیع می‌کند. استفاده از VXLAN EVPN در Leaf‑Spine باعث کاهش Flooding، بهبود یادگیری مسیرها و افزایش پایداری شبکه می‌شود و امکان پیاده‌سازی دیتاسنترهای Multi‑Tenant و Cloud‑Ready را فراهم می‌کند.

جمع‌بندی…

معماری Leaf‑Spine با ارائه مسیرهای ارتباطی ساده، تأخیر کم و مقیاس‌پذیری افقی، به یکی از پایه‌های اصلی شبکه‌های دیتاسنتری مدرن تبدیل شده است. ترکیب این معماری با فناوری‌هایی مانند VXLAN و EVPN، امکان ساخت شبکه‌هایی انعطاف‌پذیر، پایدار و آماده آینده را فراهم می‌کند که پاسخگوی نیازهای Cloud و مجازی‌سازی هستند.

سوالات متداول