Definition Was ist eine Netzwerk-Fabric?

Eine Netzwerk-Fabric ist ein modernes Netzkonzept, das hierarchisch aufgebaute Netzwerkstrukturen auflöst und in eine eng vermaschte, hochleistungsfähige und flexible Struktur mit flacher Topologie überführt. Solche Netzwerke eignen sich sowohl für Nord-Süd- als auch für Ost-West-Verkehr. Sie erreichen eine hohe Datenübertragungsleistung, sind in sich redundant und lassen sich einfach managen.

Der englische Begriff "Fabric" lässt sich mit "Gewebe" oder "Gefüge" ins Deutsche übersetzen. Eine Netzwerk-Fabric ist ein modernes Netzwerkkonzept, das die Einschränkungen herkömmlicher, hierarchisch strukturierter Netzwerke beseitigt. Netzwerkkomponenten wie Switches oder Router werden in einer flachen Topologie eng miteinander vermascht und bilden ein einheitliches, logisches Gefüge. Das sorgt für flexible, hochleistungsfähige und in sich redundante Netzwerkumgebungen, die die Anforderungen an moderne Rechenzentrumsinfrastrukturen besser erfüllen.

Eine Netzwerk-Fabric ist nicht wie herkömmliche, hierarchisch strukturierte Netzwerke nur für den Transport von Nord-Süd-Traffic optimiert, sondern eignet sich auch sehr gut für die Übertragung von Ost-West-Traffic (Querverkehr). Prädestiniert ist die Netzwerk-Fabric für Rechenzentren mit hohen internen Datenströmen, wie sie beispielsweise zur Verbindung von Servern mit ihren Speicherressourcen oder bei der flexiblen Bereitstellung und dynamischen Lastverteilung von Ressourcen in virtuellen Umgebungen auftreten. Typische Einsatzbereiche der Netzwerk-Fabric sind Cloud-Data-Center, High-Performance-Computing-Umgebungen und große Unternehmensnetzwerke.

Der Begriff Netzwerk-Fabric ist dabei als Oberbegriff für den Netztypus einer flachen, eng vermaschten Architektur zu sehen. Die Fabric umfasst alle jeweils beteiligten Netzwerkkomponenten wie Switches, Router, Kabel und Software. Eine Fabric-artige Netzstruktur ist aber prinzipiell unabhängig davon, auf welcher Technik oder auf welcher OSI-Referenzschicht sie basiert. Die Fabric kann grundsätzlich sowohl auf Layer 2 (Data Link) als auch auf Layer 3 (Network) des OSI-Modells operieren. Typisch ist die Kombination von Layer 2 und Layer 3 über Underlay- und Overlay-Konzepte. Der Begriff Network-Fabric wird je nach Kontext und Hersteller daher teilweise auch unterschiedlich verwendet.

Eine konkrete und typische Ausprägung der Netzwerk-Fabric ist die so genannte Ethernet-Fabric. Sie basiert auf den Layer-2-Mechanismen geswitchter Ethernet-Umgebungen und lässt das Netzwerk nach außen wie einen einzigen großen virtuellen Switch erscheinen. Die Switches einer Ethernet-Fabric organisieren selbständig die Lastverteilung der Datenübertragung auf den verschiedenen Pfaden und nutzen bei Linkausfällen automatisch redundante Wege.

Typische Probleme klassischer, hierarchisch strukturierter Netzwerkarchitekturen

In lokalen Netzwerken traten in der Vergangenheit in der Regel überwiegend Client-Server-Datenstöme auf. Dementsprechend war auch die Netzwerkarchitektur auf diesen so genannten Nord-Süd-Datenverkehr ausgerichtet. Die Netze verfolgten einen grundsätzlich zentralistischen Ansatz und besaßen eine hierarchische Baumstruktur. Geswitchte Ethernet-Umgebungen waren mit Access-, Aggregation- und Core-Switches typischerweise in drei Ebenen gegliedert. Der Verkehr floss von den Access-Switches über Aggregation-Switches zu Core-Switches und wieder zurück.

Die Verbindungen zwischen den Switches waren dabei zwar redundant ausgeführt, konnten aber aufgrund der Loop-Vermeidung durch Protokolle wie Spanning Tree oder Rapid Spanning Tree nicht parallel genutzt werden. Fiel ein Link aus, erfolgte eine Neuorganisation der Verbindungswege und eine redundante Verbindung wurde nutzbar. Die Neuorganisation des Netzes konnte längere Zeit in Anspruch nehmen. Im normalen Betrieb blieben parallele Verbindungen ungenutzt und waren nicht für die Lastverteilung verwendbar.

Querverkehr (Ost-West-Verkehr) musste in einem solchen Netzwerk immer der hierarchischen Struktur über die Access-, Aggregation- und Core-Switches folgen. Das war wenig effizient, stellte aber kein größeres Problem dar, solange der Nord-Süd-Verkehr deutlich überwog.

Dieser hierarchische Einsatz stößt in heutigen Datenkommunikationsumgebungen an seine Grenzen, da sich die typischen Datenverkehrsmuster in den Rechenzentren verändert haben. Virtualisierung, Microservice-basierte Anwendungen, Cloud-Computing und Storage-Netzwerke sorgen zunehmend dafür, dass sich der Datenverkehr von der Nord-Süd-Richtung in die Ost-West-Richtung verschiebt. Datenverkehre fließen mehr und mehr zwischen Servern innerhalb des Netzwerks.

Dynamische Inhalte, virtualisierte Workloads und containerisierte Anwendungen erfordern die Möglichkeit eines performanten Zusammenspiels zwischen verschiedenen Servertypen wie Web-, Applikations-, Datenbank-, Computing- und Storage-Servern. Lasten virtueller Maschinen müssen schnell und ohne Anpassung der physischen Netzwerkstruktur zwischen den Servern verschoben werden können. Der Verkehr fließt nicht mehr nur zwischen Clients und Servern, sondern vermehrt zwischen den unterschiedlichen Servertypen. Diese Datenströme haben teils sehr unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Bandbreite, Latenz und QoS, die vom Netzwerk flexibel und intelligent bedient werden müssen.

Eine Lösung dafür bietet ein Paradigmenwechsel in der Netzarchitektur. Er führt weg von der hierarchischen Struktur und hin zu einer flachen, flexiblen und agilen Netzwerk-Fabric.

Die wichtigsten Merkmale einer Netzwerk-Fabric

Eine Netzwerk-Fabric zeichnet sich durch folgende typische Merkmale aus:

• vermaschte, flache Architektur mit nahezu gleichberechtigten Netzwerkkomponenten (keine Edge-, Aggregation- und Core-Ebenen mehr)

• kein zentraler Flaschenhals (Engpass) und kein Single Point of Failure mehr

• Eignung sowohl für Nord-Süd-Traffic als auch für Ost-West-Traffic

• einfache und schnelle Skalierung durch Hinzufügen neuer Netzwerkgeräte auch im laufenden Betrieb ohne Veränderung der bestehenden physischen Infrastruktur

• gleichzeitig nutzbare parallele Pfade und dynamische Verteilung der Last (keine Verwendung mehr von Spanning-Tree-Mechanismen)

• Datenübertragung mit niedrigen Latenzzeiten und hohen Bandbreiten

• hohe Ausfallsicherheit durch gleichwertige, redundante Pfade und automatische, schnell reagierende Redundanzmechanismen

• einheitliche, zentrale Konfiguration der Fabric mit softwaredefinierten Funktionalitäten, integrierter Intelligenz und einem hohen Grad an Automatisierung

• Abbildung von virtuellen Netzwerken (Overlay-Netzen) auf der physischen Infrastruktur

• Möglichkeit der virtuellen Segmentierung und Einrichtung von Sicherheitszonen

• Konsistente Anwendung und Durchsetzung von Netzwerk-Policies

Für die Netzwerk-Fabric eingesetzte Konzepte und Technologien

Für die Netzwerk-Fabric kommen verschiedene Technologien und Konzepte zum Einsatz. Typisch für die Netzwerk-Fabric ist die so genannte Spine-Leaf-Architektur. Es handelt sich dabei um eine moderne, zweischichtige Netzwerktopologie, bestehend aus Spine- und Leaf-Switches. In dieser Architektur sind die Leaf-Switches mit allen Spine-Switches und alle Spine-Switches untereinander verbunden. Die Spine-Switches bilden quasi das Rückgrat der Fabric und haben außer zu den Leaf-Switches keine Verbindungen zu anderen Geräten. Die Endgeräte, Server oder Storage-Services sind an den Leaf-Switches angeschlossen. Spezielle Leaf-Switches, so genannte Border-Leaf- oder Edge-Leaf-Switches, sind mit externen Routern oder dem ISP-Peering verbunden.

Die Spine-Leaf-Architektur bietet eine hohe Redundanz, ermöglicht große Bandbreiten und sorgt für niedrige Latenzzeiten. Ost-West- oder Nord-Süd-Verkehr wird gleichbehandelt. Die Server-zu-Server-Kommunikation (Ost-West-Kommunikation) und die Server-zu-Client-Kommunikation (Nord-Süd-Kommunikation) nehmen den gleichen Weg und laufen in der Regel über nur einen einzigen Spine-Switch (Leaf -> Spine -> Leaf). Am gleichen Leaf-Switch angeschlossene Geräte kommunizieren ohne Spine-Switch direkt miteinander.

Der Spanning-Tree-Algorithmus ist in der Spine-Leaf-Architektur durch andere, intelligentere Algorithmen wie Shortest Path Bridging (SPB) oder TRILL (Transparent Interconnection of Lots of Links) ersetzt. Diese Protokolle sorgen dafür, dass die Endpunkte schleifenfrei auf dem jeweils kürzesten Weg erreichbar sind, und berücksichtigen die Nutzung paralleler Pfade.

Zur Realisierung von Overlay-Netzen, intelligenter Wegefindung und Netzwerkvirtualisierung kommen in der Netzwerk-Fabric weitere Protokolle wie EVPN (Ethernet Virtual Private Network), VXLAN (Virtual Extensible LAN), ECMP (Equal Cost Multi-Path) und Routingprotokolle wie OSPF (Open Shortest Path First), BGP (Border Gateway Protocol) oder IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) zum Einsatz.

Die Verwendung von offenen, standardisierten Protokollen erlaubt die Integration verschiedener Hersteller in einer Netzwerk-Fabric. Teilweise kommen aber auch proprietäre Mechanismen zum Einsatz, die herstellerspezifische Lösungen erzwingen. Mit Software-Defined Networking (SDN) lässt sich die Trennung zwischen Steuer- und Datenebene realisieren. Mehr und mehr kommt in den Fabrics auch Künstliche Intelligenz zur automatischen Fehlererkennung und -behebung, Traffic-Optimierung und zur vorausschauenden Kapazitätsplanung (Predictive Analytics) zum Einsatz.

(ID:45280559)