Revolucionando la infraestructura de red: una guía completa para la conmutación de la parte superior del rack

Tan importante, si no más, que la rápida evolución de los centros de datos modernos, causada por el aumento excesivo del uso de datos y la necesidad de mayor eficiencia, escalabilidad y velocidad, es la conmutación de red. La arquitectura de red, la latencia y el rendimiento operativo pueden optimizarse mediante el innovador método de conmutación Top-of-Rack (ToR). En este artículo, se examinarán los fundamentos de la conmutación ToR, junto con sus ventajas frente a los diseños de red convencionales, y se ofrecerán consejos para su aplicación. Este artículo está dirigido a estrategas de centros de datos, expertos en TI y arquitectos de red que desean comprender cómo preparar la infraestructura de conectividad para el futuro.

¿Qué es un conmutador Tor y cómo funciona?

Entendiendo el conmutador Tor 

Un switch Top-of-Rack (ToR) se ubica en la parte superior del rack de servidores de un centro de datos. Su función principal es conectar todos los servidores del rack con el resto del centro de datos. El diseño ToR mejora el rendimiento y reduce la complejidad del cableado al acortar la distancia entre el servidor y el switch de red. Esta configuración facilita la comunicación centralizada a nivel de rack, lo que simplifica el mantenimiento y proporciona flexibilidad a la red, facilitando su implementación en centros de datos modernos.

Componentes clave de un conmutador Tor

1. PuertosLos switches ToR cuentan con varios puertos de alta velocidad, como puertos Ethernet y puertos de enlace ascendente. Los puertos de enlace ascendente ayudan a conectar el switch a la red central, mientras que los demás puertos se utilizan para conectar los servidores. Estos puertos proporcionan la velocidad de datos necesaria para una comunicación eficiente con los servidores.
2. Unidades de fuente de alimentación (PSU): Las fuentes de alimentación redundantes mejoran enormemente la confiabilidad y reducen las posibilidades de que se produzcan tiempos de inactividad en entornos críticos debido a la interrupción del suministro de energía. 
3. Cambio de tela:Configuración interna que permite el movimiento de paquetes de datos entre periféricos conectados, lo cual se realiza con garantía de bajo retardo y máxima transferencia de datos.
4. Sistema de refrigeración: El sobrecalentamiento se evita mediante el uso de ventiladores incorporados o sistemas de refrigeración avanzados para garantizar que se logre un rendimiento óptimo.
5. Aprobación de la interfaz de usuario: Una interfaz sencilla que permite al administrador configurar, supervisar y solucionar problemas del conmutador de manera eficiente.

Todos estos componentes trabajan juntos para garantizar el funcionamiento eficiente de un conmutador ToR en un centro de datos con mucha actividad.

Conmutador Tor en redes de centros de datos

Un switch Top-of-Rack (ToR) en redes de centros de datos actúa como un enlace esencial entre los servidores y la red. Se ubica en la parte superior del rack de servidores, donde el tráfico de los dispositivos se agrega y se transfiere a switches de núcleo o de agregación dentro de la red. Esta configuración reduce la cantidad de cableado necesario, mejora el uso del ancho de banda y reduce el retardo. Los switches ToR son especialmente preferidos en los diseños de centros de datos modernos debido a su facilidad de expansión y a su compatibilidad con transferencias de datos de alta velocidad, cruciales para el aumento de las cargas de trabajo.

Beneficios de la conmutación de la parte superior del rack

Eficiencia de red mejorada

El rendimiento de una red se mejora con la conmutación Top-of-Rack (ToR) debido a la reducción de la distancia que recorren los datos dentro de un centro de datos, lo que reduce la latencia. Los switches ToR ayudan a optimizar el ancho de banda al conectarse a servidores ubicados en el rack, reduciendo así los riesgos de cuellos de botella. Este diseño admite conexiones de alta velocidad, así como las cargas de trabajo modernas que representan un desafío.

Aumentar la redundancia y la escalabilidad

La conmutación Top-of-Rack (ToR) es útil para lograr escalabilidad y redundancia en redes de centros de datos. Este diseño facilita la incorporación de racks, lo que permite escalar recursos cuando aumentan las necesidades del negocio, sin afectar la infraestructura de red subyacente. Cada rack está equipado con switches dedicados, lo que permite que cada uno funcione como una unidad independiente, proporcionando así protección contra fallos localizados.

La gestión del tráfico se simplifica mediante la implementación de protocolos de alta disponibilidad como el enrutamiento multitrayecto (por ejemplo, ECMP), que permite la redundancia en la conmutación ToR y distribuye el tráfico entre múltiples rutas potenciales para eliminar puntos únicos de fallo. Un estudio realizado sobre la arquitectura contemporánea de centros de datos indica que el tiempo de actividad operativa mejora considerablemente con el uso de ToR en los centros de datos, y las estrategias de redundancia suelen alcanzar una fiabilidad del 99.99 %. Además, la tolerancia a fallos se mejora mediante la virtualización de la capa de red y la automatización de las copias de seguridad mediante redes LAN virtuales extensibles (VXLAN) y redes definidas por software (SDN), lo que garantiza un servicio ininterrumpido en caso de fallo de hardware o de enlace.

La conmutación ToR permite a las empresas responder eficientemente a la creciente demanda de servicios en la nube, dispositivos IoT y cargas de trabajo impulsadas por IA mediante la distribución inteligente del tráfico entre todos los servidores. Esta combinación de escalabilidad y redundancia convierte a la conmutación ToR en un elemento indispensable en el diseño de centros de datos de nueva generación.

Minimizar la latencia de la infraestructura de red

El proceso de minimizar la latencia en la infraestructura de red se centra en mejorar la velocidad y la eficacia de la transmisión de datos. Entre los métodos más importantes se incluyen el aprovechamiento de la computación en el borde para realizar análisis más cerca del origen de los datos, el uso de conmutadores de baja latencia y cableado de fibra óptica como infraestructura de cableado, y la minimización del número de saltos en una ruta determinada. Además, la gestión avanzada del tráfico, como la priorización de la calidad de servicio (QoS), garantiza que los datos importantes se envíen con mínima o ninguna obstrucción. Para lograr mejoras sostenibles, la monitorización y la corrección constantes del rendimiento de la red son fundamentales. Estos esfuerzos minimizarán los retrasos en la red y darán como resultado una red mucho más fiable y rápida.

Implementación de un conmutador Tor en su infraestructura de red

Instrucciones de implementación paso a paso

1. Evaluar las necesidades de la redAnalice el alcance de su red, los tipos de uso y las proyecciones de crecimiento para determinar si la implementación de un conmutador Tor satisfará sus requisitos.
2. Elija el modelo correcto de Tor SwitchSeleccione un conmutador Tor que satisfaga los requisitos de su infraestructura en términos de densidad de puertos, rendimiento y otros dispositivos de hardware.
3. Prepárese para la instalación física. Seleccione la mejor posición en su centro de datos o infraestructura de red con respecto al acceso de refrigeración y mantenimiento.
4. Conectarse a otras capas de red. Conecte el conmutador a los niveles de núcleo y agregación mientras observa el cableado correcto y las relaciones geométricas con el diseño de su red para una conexión adecuada.
5. Configurar el interruptor. Realice los pasos de configuración inicial que incluyen, entre otros, la asignación de dirección IP, la asignación de VLAN y la activación del protocolo que sean relevantes para las necesidades de su sistema.
6. Validar funcionalidad y eficiencia. Realice las comprobaciones necesarias para garantizar que el conmutador funcione correctamente y que el tráfico de datos se reenvíe adecuadamente en los modos operativos normales y pico.
7. Ajuste y mantenimientoRevise periódicamente el rendimiento del conmutador y, a su debido tiempo, realice el mantenimiento del firmware para seguir brindando confiabilidad y seguridad a su infraestructura de red.

Dificultades comunes y sus soluciones 

En mi caso, una de las dificultades más frecuentes son los problemas de configuración durante la instalación, como la asignación de VLAN o los conflictos de direcciones IP. Para solucionarlo, me aseguro de validar las configuraciones según la documentación antes de implementarlas. Otros desafíos incluyen la activación de firmware obsoleto, que genera vulnerabilidades en la seguridad del sistema y genera problemas de incompatibilidad. Me aseguro de realizar actualizaciones periódicas y de realizar un mantenimiento programado para mitigar algunos de estos riesgos. Finalmente, optimizar la red para gestionar tráfico pesado sin degradar el rendimiento se vuelve difícil. En estos casos, es necesario ajustar el rendimiento de la red y la calidad de servicio (QoS) para evitar cuellos de botella.

Mejores prácticas de configuración 

Para mejorar la confiabilidad y la eficiencia de las configuraciones, considere las siguientes prácticas recomendadas: 

1. Documentación y planificación: Asegúrese de delinear los enfoques para todo y realizar toda la documentación necesaria antes de comenzar cualquier configuración; esto garantiza la coherencia y elimina errores durante la implementación. 
2. actualizaciones: Asegúrese de que todo el firmware y el software estén actualizados a las versiones más estables para eliminar los agujeros de seguridad y mejorar la compatibilidad. 
3. Pruebas en entorno controlado: Estas modificaciones deben realizarse primero en un entorno de prueba para determinar y corregir cualquier riesgo de antemano. 
4. Monitoreo y OptimizaciónUtilice herramientas de monitorización para monitorizar las métricas de rendimiento y garantizar que estas anomalías se corrijan lo antes posible. También se pueden implementar configuraciones como el balanceo de carga o la limitación del ancho de banda para optimizar el rendimiento del sistema.

Completar los pasos descritos aquí ayudará a proteger la integridad del sistema y, al mismo tiempo, garantizará que se logre una funcionalidad óptima de manera constante.

Cómo la conmutación de la parte superior del rack puede mejorar la eficiencia de la red

Mejora de la transmisión de datos y la interconectividad de la red

La eficiencia de la red mejora gracias al aumento de la velocidad de transferencia de datos y la disminución de la latencia, gracias a la conmutación Top-of-Rack (ToR). ToR instala conmutadores dentro de los racks de servidores, reduciendo así la distancia que recorren los datos y agilizando la comunicación entre dispositivos. Este enfoque también mejora la gestión del cableado, reduciendo la probabilidad de cuellos de botella y garantizando una conectividad ininterrumpida. Además, las configuraciones ToR son escalables, lo que permite a las redes absorber mayores volúmenes de tráfico sin realizar modificaciones importantes en la infraestructura. Con todas estas ventajas, la conmutación ToR resulta muy útil para mejorar y optimizar el rendimiento de la red.

Cómo la virtualización juega un papel

La virtualización mejora la eficiencia de la red, ya que permite consolidar múltiples funciones de red virtual en un único servidor físico, lo que reduce el consumo de recursos y hardware. Este método mejora el rendimiento de la estructura existente, reduce el tiempo de implementación al minimizar el tiempo de inactividad y facilita el mantenimiento de la red. Además, la virtualización ofrece flexibilidad mediante la distribución dinámica de recursos para satisfacer diferentes volúmenes de tráfico, lo que aumenta la capacidad de respuesta general de la red y permite una mayor escalabilidad.

Administración de múltiples conmutadores y redes 

El uso de múltiples conmutadores dentro de una infraestructura de red permite una gestión eficiente del tráfico del sistema y su fiabilidad general. Cada conmutador actúa como un concentrador de alta velocidad dentro de la red, lo que permite un enrutamiento eficaz de datos entre dispositivos, eliminando cuellos de botella. Los enfoques actuales de gestión de redes utilizan tecnologías de redes definidas por software (SDN) para gestionar con flexibilidad varios conmutadores, lo que permite automatizar la comunicación y el flujo de tráfico dentro de la red. 

Varios informes sugieren que el uso de múltiples conmutadores mejora la tolerancia a fallos en una red gracias a la redundancia del sistema. Por ejemplo, en caso de fallo de un conmutador, la red puede redirigir el tráfico a través de diferentes conmutadores, lo que reduce significativamente el tiempo de inactividad. Además, la segmentación de la red proporciona mayor seguridad al confinar los flujos de datos confidenciales a segmentos específicos, lo que reduce la exposición en caso de una vulneración. 

Los datos de los análisis del sector indican que las redes con gestión avanzada de switches pueden alcanzar un tiempo de actividad cercano al 99.999 %, lo cual es importante para aplicaciones de misión crítica. El uso del protocolo de árbol de expansión (STP) también ayuda, ya que garantiza la eliminación de bucles de datos, lo que a su vez mejora el rendimiento. La gestión de varios switches, junto con la capacidad del sistema de gestión para controlar parámetros avanzados, promueve una mejor experiencia y, por lo tanto, es fundamental para operaciones a gran escala.

Análisis del ecosistema de conmutación de soluciones Top-of-Rack

Actores clave y sus innovaciones 

Actualmente, los principales competidores en el ecosistema de conmutación de tope de rack (ToR) son Cisco, Arista Networks y Juniper Networks. Estas empresas son reconocidas por sus soluciones fiables y eficaces para empresas y centros de datos. Por ejemplo, muchos usuarios de la serie Nexus de Cisco valoran su escalabilidad, así como sus funciones avanzadas, como la virtualización y la automatización. Arista Networks se enorgullece de su tecnología de conmutación que prioriza las redes definidas por software y una sólida integración en la nube. Juniper Networks cuenta con la serie QFX, diseñada para ofrecer un rendimiento e integración excepcionales en múltiples sistemas de red. Estas tecnologías reducen la latencia y aumentan el rendimiento, a la vez que facilitan la gestión, lo cual resulta ideal para el funcionamiento diario de los centros de datos modernos. 

Cambios y desarrollos hacia el futuro de las tecnologías Top-of-Rack

El futuro de las tecnologías de tope de rack (ToR) seguramente estará impulsado por una combinación de automatización de red, servicios gestionados por IA y la adopción de redes Ethernet de 400G. Con la creciente complejidad de los centros de datos modernos, la automatización se hace necesaria para reducir la sobrecarga operativa y proporcionar una configuración uniforme y adecuada en redes de gran tamaño. Las redes basadas en intención (IBN) se perfilan como tecnologías clave que permiten a los administradores definir el estado de la red, y los sistemas automatizados facilitarán la implementación con los cambios necesarios en tiempo real.

Las tecnologías de IA y aprendizaje automático (ML) están transformando la conmutación ToR mediante la predicción, la detección de anomalías y el enrutamiento inteligente. Por ejemplo, los diagnósticos mejorados por IA minimizan el consumo y maximizan el rendimiento al predecir fallos de hardware o cuellos de botella en la red. Esto es especialmente importante, ya que la necesidad de conexiones de baja latencia y alta velocidad aumenta con el crecimiento de los clústeres de entrenamiento de IA y las aplicaciones de trading de alta frecuencia.

La evolución de la arquitectura ToR también se ha visto impulsada por la implementación generalizada de la nueva Ethernet de 400G. La computación en la nube y el IoT están generando cargas de trabajo basadas en datos que requieren soluciones de ancho de banda de mayor rendimiento. Los analistas predicen que en los próximos cinco años se observará un crecimiento masivo en la adopción de puertos de 400G, lo que indica la transición de la industria hacia estándares de red más avanzados. Además, el desarrollo de transceptores ópticos de alta velocidad y las tecnologías de cableado mejoradas están generalizando las redes asequibles de alto rendimiento.

La sostenibilidad también es un factor clave para el desarrollo de nuevas arquitecturas de ToR. Los fabricantes utilizan dispositivos y materiales energéticamente eficientes, por lo que no sorprende que cumplan con las políticas ambientales. Esto coincide con los objetivos de otras industrias de lograr una menor huella de carbono y, al mismo tiempo, satisfacer las necesidades de infraestructura de próxima generación.

En resumen, la automatización, la IA, la conectividad Ethernet de alta velocidad y las tecnologías ecológicas trabajando juntas darán lugar a conmutadores ToR avanzados que sean inteligentes, ágiles y escalables, preparados para las demandas de los centros de datos del futuro. 

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Preguntas más frecuentes (FAQ) 

P: ¿Qué es la conmutación Top-of-Rack (ToR) y qué hace por la infraestructura de red?

R: La conmutación Top-of-Rack (ToR) es un tipo de diseño de red en el que los switches del centro de datos se ubican encima de cada rack de servidores. Los switches ToR eliminan el cuello de botella de rendimiento que causa un solo switch que da servicio a varios racks en un centro de datos, proporcionando mayor escalabilidad, mejor rendimiento de red y una gestión más sencilla de las conexiones dentro del rack. Esta mayor eficiencia transforma fundamentalmente la estructura de la infraestructura de red al simplificar el cableado y permitir una mejor ventilación, a la vez que permite actualizar la infraestructura de red sin necesidad de recableado ni inversión considerables.

P: ¿Cuáles son los principales beneficios de utilizar la conmutación ToR en entornos empresariales?

R: En entornos empresariales, la conmutación ToR ofrece ventajas adicionales, además de una mayor disponibilidad de la red gracias a la reducción del cableado y de los puntos de fallo. Los enlaces ascendentes eficientes a la red central y las conexiones de alta velocidad dentro del rack que proporcionan los switches ToR mejoran la fiabilidad de la red. Además, algunos switches ToR modernos son dispositivos más inteligentes que integran redes definidas por software (SDN) y, por lo tanto, se pueden gestionar con mayor facilidad y programar para responder a las cambiantes necesidades de la red.

P: ¿Cómo se integra la conmutación ToR con los controladores SDN?

R: La integración de la conmutación ToR con los controladores SDN funciona sin problemas, lo que permite una mayor flexibilidad y automatización de las tareas de gestión de red. Un controlador SDN puede gestionar varios conmutadores ToR simultáneamente, lo que permite la configuración automatizada, la ingeniería de tráfico y la implementación de políticas dentro de un dominio gestionado. Este método mejora la capacidad de respuesta de la red y permite una mayor eficiencia en la asignación de recursos según las necesidades de la aplicación.

P: ¿Se puede implementar la conmutación ToR en redes industriales? 

R: Sí, la conmutación ToR puede adoptarse en las redes industriales. Entre las ventajas se incluyen la fragmentación de las redes para procesos de negocio individuales, menores retrasos en tareas importantes y un control más sencillo de los dispositivos IIoT. De hecho, los conmutadores ToR se suelen implementar en aplicaciones industriales, integrándose en terminales portátiles diseñados para entornos hostiles y habilitados con software de automatización de controladores industriales.

P: ¿Cómo contribuye la conmutación ToR al avance de una I+D eficiente en infraestructura de red? 

R: La conmutación ToR contribuye a impulsar la I+D eficiente en infraestructura de red al acelerar el despliegue de nuevas redes mediante una arquitectura flexible y escalable. Son muy fáciles de implementar y usar al probar nuevos protocolos, conceptos de redes definidas por software o incluso nuevas tecnologías de redes de alta velocidad junto con los conmutadores ToR. Esta flexibilidad mejora la rapidez con la que se desarrollan y adoptan las soluciones de red.

P: ¿Qué impacto tiene una falla del conmutador ToR en una red de centro de datos?

R: En caso de fallo de un switch ToR, solo los servidores asociados a dicho switch se verán afectados, lo que limita el daño a toda la red. Para mitigar este problema, muchos centros de datos emplean estrategias de redundancia utilizando múltiples switches ToR por rack o implementando una red con otras rutas posibles. Esto contribuye a la resiliencia de la red, garantizando un flujo continuo de operaciones incluso ante el fallo de un solo switch. 

P: ¿Qué papel desempeñan los conmutadores ToR al soportar conexiones de alta velocidad, por ejemplo, Gigabit Ethernet?

R: El diseño de los switches ToR permite admitir conexiones de alta velocidad, incluyendo, entre otras, Gigabit Ethernet, 10, 40 o incluso 100 Gigabit Ethernet. Estos switches suelen tener enlaces ascendentes de alta velocidad a la red central y proporcionan conexiones dentro del rack con baja latencia y gran ancho de banda. Estas características garantizan que la conmutación ToR siempre cumpla con los requisitos de las aplicaciones y servicios de los centros de datos modernos.

P: ¿Dónde puedo obtener información sobre conmutación Top-of-Rack y mantenerme al día de las novedades sobre este tema? 

R: Para aprender sobre la conmutación Top-of-Rack y mantenerse al día con las últimas novedades en el sector, puede seguir a especialistas como Orhan Ergun, leer artículos destacados en sitios web de redes y consultar revistas especializadas en infraestructura de centros de datos. Además, asistir a conferencias y seminarios web sobre redes puede mejorar considerablemente su comprensión de las tendencias actuales en conmutación ToR e infraestructura de red.

Fuentes de referencia

1. Diseño y análisis del rendimiento de ToR electroóptico (EO-ToR) para redes de centros de datos de baja latencia

• Autores: Souvik Roy y otros.
• Fecha de publicación: 15 de junio de 2023
• Conferencia: 2023 5ª Conferencia Internacional sobre Energía, Potencia y Medio Ambiente
• Conclusiones principales:
  • El documento sugiere un ToR electroóptico (EO-ToR) que segmenta la información de forma adecuada tanto para la conmutación de paquetes como de circuitos.
  • Las medidas de evaluación de la latencia y el tiempo de estancia reflejan un progreso marcado con respecto a las estructuras ToR convencionales.
• Metodología:
  • Los autores se concentraron en modelar EO-ToR con MATLAB mientras examinaban las métricas de latencia y tiempo de estancia como medidas de rendimiento frente a los conmutadores ToR tradicionales.

2. OpticNet: Redes autoajustables para arquitecturas de conmutación óptica que coinciden con ToR

• Autores: Caio Caldeira y otros.
• Fecha de publicación: 17 de mayo de 2023
• Conferencia: IEEE INFOCOM 2023
• Conclusiones principales:
  • La capacidad de contar con algoritmos de red automatizados y autooptimizables se presenta como un cambio de paradigma a través de OpticNet, que utiliza un mínimo de conmutadores reconfigurables para la realización de la topología.
  • Demuestra que la arquitectura alcanza los objetivos de rendimiento al tiempo que sigue siendo adaptable y eficaz.
• Metodología:
  • Los autores crearon un modelo de correspondencia de conmutadores ToR que involucra OCS reconfigurable y validaron el marco con resultados experimentales de cargas de trabajo reales.

3. Torp: Perfilado de latencia del lado del host con cobertura total y baja sobrecarga

• Autores: Xiang Chen y otros.
• Fecha de publicación: 2 de mayo de 2022
• Conferencia: IEEE INFOCOM 2022
• Conclusiones principales:
  • El artículo describe Torp, un marco que logra una cobertura total y una latencia mínima al descargar el perfil de latencia de las operaciones del lado del host en las uniones de los conmutadores Tor.
  • Mejora considerablemente la creación de perfiles de latencia en las redes de centros de datos (DCN).
• Metodología:
  • Los autores incorporaron Torp en los conmutadores Tofino y llevaron a cabo experimentos para demostrar su eficacia al perfilar la latencia del lado del host frente a las soluciones disponibles.

4. Un ToR híbrido de alto rendimiento para centros de datos

• Autores: el liu
• Fecha de publicación: 2015 (no dentro de los últimos 5 años pero relevante)
• Conclusiones principales:
  • Este artículo propone un nuevo diseño de arquitectura ToR denominado REACToR, que incorpora elementos de conmutación de paquetes y circuitos para mejorar el rendimiento de las redes de centros de datos.
  • Propone un algoritmo de programación que busca maximizar el uso de recursos minimizando la reconfiguración del circuito.
• Metodología:
  • La evaluación se realiza a través de simulaciones e implementaciones prácticas, mostrando la efectividad de la gestión del tráfico del centro de datos utilizando el diseño híbrido ToR.

5. Red de computadoras

6. Centro de datos