معماری شبکه سازمانی: مدل طراحی سه‌لایه‌ای

چرا شبکه‌ها به یک چارچوب معماری نیاز دارند

هر فناوری منفردی که در سراسر این مجموعه پوشش داده شده -- VLAN ها، Spanning Tree، OSPF، HSRP -- یک مسئله فنی خاص را حل می‌کند، اما هیچ‌کدام به‌تنهایی به پرسش سطح-بالاتری که یک شبکه سازمانی کامل واقعاً چگونه باید ساختاردهی شود پاسخ نمی‌دهد. Three-Tier Hierarchical Design Model (مدل طراحی سلسله‌مراتبی سه‌لایه‌ای) این چارچوب کلی را فراهم می‌کند، و یک شبکه را به سه لایه عملکردی متمایز سازمان‌دهی می‌کند، هرکدام با یک نقش به‌روشنی تعریف‌شده.

لایه Access: جایی که Endpoint ها متصل می‌شوند

Access Layer (لایه دسترسی) جایی است که دستگاه‌های نهایی -- PC ها، تلفن‌ها، چاپگرها، اکسس‌پوینت‌های بی‌سیم -- فیزیکاً به شبکه متصل می‌شوند، معمولاً از طریق سوئیچ‌های access واقع در اتاق‌های سیم‌کشی در سراسر یک ساختمان.

مسئولیت‌های لایه access:

- فراهم‌کردن اتصال فیزیکی برای دستگاه‌های نهایی
- اختصاص VLAN، که پیش‌تر در این مجموعه بحث شد
- امنیت پورت، که پیش‌تر در این مجموعه بحث شد،
  که محدود می‌کند کدام دستگاه‌ها می‌توانند متصل شوند
- Power over Ethernet (PoE) برای دستگاه‌هایی مانند
  تلفن‌ها و اکسس‌پوینت‌های بی‌سیم
- اولین نقطه مشارکت پروتکل Spanning Tree،
  که پیش‌تر در این مجموعه بحث شد

سوئیچ‌های لایه access معمولاً ارزان‌ترین و پرتعدادترین دستگاه‌ها در شبکه هستند، چون یکی تقریباً در هر اتاق سیم‌کشی نیاز است، که کارایی هزینه را یک ملاحظه طراحی قابل‌توجه در این لایه می‌کند.

لایه Distribution: تجمیع و سیاست

Distribution Layer (لایه توزیع) ترافیک از چند سوئیچ لایه access را تجمیع می‌کند و به‌عنوان مرزی که سوئیچینگ لایه ۲ معمولاً به مسیریابی لایه ۳ گذار می‌کند خدمت می‌کند.

مسئولیت‌های لایه distribution:

- مسیریابی بین-VLAN، که پیش‌تر در این مجموعه
  بحث شد، معمولاً با استفاده از SVI ها روی
  سوئیچ‌های لایه ۳
- مرز خلاصه‌سازی مسیر، که پیش‌تر در این مجموعه
  درباره نواحی OSPF بحث شد
- اعمال سیاست: ACL ها، که پیش‌تر در این مجموعه
  بحث شد، طبقه‌بندی QoS، که پیش‌تر در این مجموعه
  بحث شد
- افزونگی از طریق FHRP ها (HSRP/VRRP/GLBP)، که
  پیش‌تر در این مجموعه بحث شد، که مقاومت دروازه
  پیش‌فرض برای دستگاه‌های لایه access فراهم می‌کند

این لایه جایی است که بیشتر تصمیمات "هوشمند" سیاست در شبکه گرفته می‌شود — به‌جای پیکربندی ACL های پیچیده یا سیاست‌های QoS روی هر سوئیچ access منفرد، این توابع در لایه توزیع متمرکز می‌شوند، جایی که تعداد بسیار کمتری دستگاه به آن پیکربندی اعمال‌شده نیاز دارند.

لایه Core: انتقال سرعت-بالای خالص

Core Layer (لایه هسته) صرفاً برای انتقال ترافیک بین سوئیچ‌های لایه توزیع تا حد ممکن سریع وجود دارد، که عمداً تا حد ممکن ساده نگه داشته می‌شود.

فلسفه طراحی لایه هسته:

- فقط سوئیچینگ/مسیریابی سرعت-بالا
- عمداً از سیاست پیچیده (ACL ها، طبقه‌بندی QoS)
  در این لایه اجتناب می‌کند -- هر سربار پردازش
  در اینجا کل ترافیک شبکه را تحت‌تأثیر قرار
  می‌دهد، چون همه‌چیز از میان هسته عبور می‌کند
- حداکثر افزونگی، چون یک شکست هسته بالقوه
  هر دستگاهی در شبکه را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد

سادگی عمدی لایه هسته خودش یک اصل طراحی است: از آنجا که هر بسته‌ای که بین بخش‌های مختلف شبکه عبور می‌کند از میان هسته عبور می‌کند، هر سربار پردازش غیرضروری معرفی‌شده در اینجا تأثیر منفی نامتناسب بزرگی روی کارایی کلی شبکه در مقایسه با همان سربار در لایه access یا distribution، که فقط بخش کوچک‌تری از ترافیک را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد، دارد.

چرا نقش متمایز هر لایه اهمیت دارد

خلاصه تقسیم مسئولیت:

Access:       اتصال endpoint، اختصاص VLAN،
              امنیت پورت
Distribution: مسیریابی، اعمال سیاست،
              خلاصه‌سازی مسیر، افزونگی FHRP
Core:         انتقال سریع، ساده، به‌شدت افزونه

این جداسازی تمیز نگرانی‌ها یک شبکه بزرگ را بسیار راحت‌تر برای طراحی، عیب‌یابی، و مقیاس‌دهی نسبت به یک توپولوژی تخت و بدون‌تمایز می‌کند — یک مسئله معمولاً می‌تواند بر اساس علائمش به یک لایه خاص محلی‌سازی شود، و هر لایه می‌تواند تا حدی مستقل از دیگران مقیاس یا ارتقا یابد.

جایگزین هسته-فروریخته دولایه

هر شبکه‌ای به‌اندازه کافی بزرگ نیست که سه لایه فیزیکاً جداگانه را توجیه کند. یک طراحی Collapsed Core (هسته فروریخته) توابع لایه هسته و توزیع را روی همان سوئیچ‌های فیزیکی ادغام می‌کند، مناسب برای شبکه‌های کوچک‌تر جایی که یک لایه هسته اختصاصی جداگانه سربار غیرضروری می‌بود.

سه‌لایه: Access → Distribution → Core
  (سه لایه فیزیکی متمایز، مناسب برای شبکه‌های
   کمپاس بزرگ با بسیاری ساختمان یا اتاق سیم‌کشی)

دولایه (هسته فروریخته): Access → Distribution/Core
  (توابع توزیع و هسته روی همان دستگاه‌ها ترکیب
   شده، مناسب برای شبکه‌های کوچک‌تر، مانند یک
   ساختمان واحد یا یک دفتر شعبه با اندازه متوسط)

تصمیم بین طراحی‌های سه‌لایه و هسته-فروریخته عمدتاً توسط مقیاس هدایت می‌شود: یک شبکه کوچک بهره کمی از افزونگی و سادگی اضافه یک لایه هسته اختصاصی می‌برد، در حالی که یک کمپاس بزرگ با بسیاری ساختمان واقعاً از جداکردن عملکرد انتقال خالص هسته از لایه توزیع سیاست-سنگین بهره می‌برد.

گسترش این اصول به طراحی مرکز داده

مراکز داده مدرن تا حد زیادی به‌سمت یک معماری مرتبط اما متمایز به نام Spine-Leaf حرکت کرده‌اند، طراحی‌شده به‌طور خاص حول الگوهای ترافیکی متفاوت معمول مراکز داده — عمدتاً ترافیک سرور-به-سرور ("شرق-غرب") به‌جای الگوهای ترافیکی کلاینت-به-سرور ("شمال-جنوب") که طراحی کمپاس سه‌لایه سنتی حول آن‌ها ساخته شد.

معماری Spine-Leaf:

سوئیچ‌های Leaf: مستقیماً به سرورها متصل می‌شوند،
  از نظر نقش مشابه سوئیچ‌های لایه access

سوئیچ‌های Spine: هر سوئیچ leaf را به هم متصل
  می‌کنند، با هر leaf متصل به هر spine --
  این اتصال مش-کامل تضمین می‌کند تعداد
  هاپ قابل‌پیش‌بینی و سازگاری (همیشه دقیقاً
  دو: leaf-spine-leaf) بین هر دو سرور،
  صرف‌نظر از اینکه به کدام سوئیچ‌های leaf خاص
  متصل هستند

این تأخیر سازگار و قابل‌پیش‌بینی بین هر دو سرور دقیقاً چیزی است که بارهای کاری مرکز داده مدرن -- پایگاه‌داده‌های توزیع‌شده، اپلیکیشن‌های مجازی‌شده و کانتینری‌شده که مکرراً در سراسر مرکز داده ارتباط برقرار می‌کنند -- نیاز دارند، نیازی که مدل کمپاس سه‌لایه سنتی، بهینه‌شده برای الگوهای ترافیک کلاینت-به-سرور، هرگز برای رسیدگی به آن طراحی نشده بود.

چرا تفکر معماری فراتر از فناوری‌های منفرد اهمیت دارد

هر فناوری خاصی که در سراسر این مجموعه پوشش داده شد -- VLAN ها، نواحی OSPF، HSRP، QoS -- در نهایت درون یکی از این چارچوب‌های معماری کلی مستقر می‌شود، و درک اینکه یک ویژگی خاص به کدام لایه تعلق دارد، و چرا، چیزی است که صرفاً دانستن نحوه پیکربندی ویژگی‌های منفرد را از درک واقعی نحوه طراحی یک شبکه سازمانی منسجم و مقیاس‌پذیر جدا می‌کند. این دیدگاه معماری دقیقاً چیزی است که محتوای Enterprise Core در سطح CCNP فراتر از دانش پروتکل منفرد پوشش‌داده‌شده در مواد سطح-CCNA قبلی بر آن تأکید می‌کند.