Сеть Клоза - это тип неблокирующей многоступенчатой коммутационной сети, используемой сегодня в крупных коммутационных сетях центров обработки данных. Эта концепция была предложена в 1950-х годах для повышения эффективности телефонных коммутационных сетей и снижения стоимости их обслуживания. Архитектура сети Клоза оказалась весьма эффективной при маршрутизации вызовов в доступных в то время механических телефонных системах, хотя со временем она уступила место технологиям, поддерживающим более современные системы.
Однако в 1990-х годах принципы сети Клоза вновь проявились в сетях центров обработки данных, предложив эффективную топологию для оптимизации работы коммутаторов в сетях передачи данных Ethernet. И по сей день данная архитектура служит основой для многих взаимосвязанных сетей, в том числе в крупных ЦОД, на базе которых создаются "облака".
История сети Клоза
Сети Клоза названы в честь исследователя Чарльза Клоза, который впервые предложил свой проект сети в 1952 году. Он доказал, что его модель способна решить проблемы надежности и стоимости электромеханических коммутаторов, использовавшихся в то время в телефонных сетях. Концепция сети была предложена Эдсоном Эрвином в 1938 году, однако именно Чарльз Клоз продемонстрировал ее практическое применение в телефонных сетях.
Чарльз разработал проект сети, обеспечивающей неблокируемое соединение "многие-ко-многим" и минимизирующей количество кросс-пойнтов, необходимых для поддержки коммутации вызовов. Точки пересечения — это электромеханические релейные механизмы в коммутаторе типа кроссбар (тип матричного коммутатора, который когда-то широко использовался для маршрутизации телефонных вызовов). До появления сети Клоза количество перекрестных точек должно было равняться количеству входов, умноженному на количество выходов. Такой подход, известный как n-квадрат, мог быстро привести к огромному количеству точек пересечения, что приводило к значительным затратам.
Клоз использовал математическую теорию, чтобы доказать возможность достижения неблокируемой связности в коммутационном массиве. Для достижения такой связности коммутаторы были организованы в трехступенчатую архитектуру, включающую среднюю ступень, расположенную между входной и выходной ступенями. При такой схеме каждый входной коммутатор подключается к каждому магистральному коммутатору, который, в свою очередь, подключается к каждому выходному коммутатору, как показано на рисунке. В результате чего была получена неблокируемая топология, требующая меньшего количества перекрестных точек, чем более традиционные для того времени коммутационные сети.
Сеть клоза позволяла телефонным вызовам проходить по разным маршрутам и не блокироваться другими вызовами, что часто происходило в старых сетях, основанных на выделенных соединениях. Кроме того, данная топология могла быть масштабирована для обеспечения бОльшего объема вызовов при сохранении прежнего уровня обслуживания.
Архитектура Клоза в современном ЦОД
Со временем электромеханическая коммутация уступила место более новым технологиям, и необходимость в конструкции Клоза отпала. Тем не менее, благодаря повышению эффективности, данный подход вновь стал актуальным в 1990-х годах с появлением высокопроизводительных коммутаторов в сетях ЦОД. Сеть Клоза могла обеспечить неблокируемое соединение во взаимосвязанной сети Ethernet коммутаторов без необходимости использования портов в количестве n-квадрат.
Во многих современных центрах обработки данных архитектура Клоза реализуется в виде схемы "leaf-spine", где уровень "spine" представляет коммутаторы на магистральном уровне, а уровень "leaf" - пограничные коммутаторы на входе и выходе, как показано на рисунке. Эту схему часто называют "сложенной сетью Клоза", поскольку она основана на идее свертывания среднего слоя вдоль его оси, в результате чего концептуально получается двухуровневая схема. Эту схему также иногда называют топологией утолщенного дерева (fat-tree). Цель данной топологии в уменьшении общего количества требуемых коммутаторов и портов.
Эффективность сети Клоза пропорциональна количеству портов в сети. Наибольшие преимущества от использования архитектуры получают крупные сети, содержащие тысячи и десятки тысяч портов. Топология отличается высокой надежностью и исключительно хорошо подходит для связи внутри одного ЦОД. Кроме того, эта схема поддерживает легкое масштабирование, позволяя добавлять коммутаторы с минимальным влиянием на общую топологию.
Топология Клоза иногда используется для создания пятиступенчатых сетей. В этом случае каждый “spine” магистральный коммутатор разбивается на более мелкие сети Клоза с собственными входным, магистральными и выходным уровнями. Хотя пятиступенчатая структура добавляет дополнительные расходы на планирование и обслуживание, она позволяет центрам обработки данных объединять несколько кластеров в единую сеть.
Spine – leaf архитектура может быть расширена и за пределы пяти ступеней. Можно создавать сети с семью и даже более ступенями, если число ступеней нечетное. Однако эти варианты сетей Клоза не так распространены, как трех- и пятиступенчатые.
