Revolucionando a infraestrutura de rede: um guia completo para comutação de topo de rack

Tão importante quanto, se não mais importante, do que a rápida evolução dos data centers modernos causada pelo aumento excessivo no uso de dados e pela necessidade de maior eficiência, escalabilidade e velocidade, é a comutação de rede. Arquitetura de rede, latência e desempenho operacional podem ser otimizados por meio do método inovador de comutação Top-of-Rack (ToR). Neste artigo, os fundamentos da comutação ToR serão examinados, juntamente com seus benefícios em relação aos projetos de rede convencionais, além de oferecer dicas sobre como colocá-los em prática. Este artigo é destinado a estrategistas de data center, especialistas em TI e arquitetos de rede que desejam entender como preparar a infraestrutura de conectividade para o futuro.

O que é um Tor Switch e como ele funciona?

Compreendendo o Tor Switch 

Um switch Top-of-Rack (ToR) é um switch localizado no topo de um rack de servidor em um data center. Sua tarefa principal é conectar todos os servidores no rack ao restante do data center. Os designs ToR melhoram a eficiência do desempenho e reduzem a complexidade do cabeamento ao encurtar a distância entre o servidor e o switch de rede. Esse arranjo suporta comunicação centralizada no nível do rack, o que simplifica a manutenção e fornece flexibilidade à rede, o que facilita a implementação em data centers modernos.

Principais componentes de um interruptor Tor

1. Portas: Os switches ToR têm várias portas de alta velocidade, como portas Ethernet e portas de uplink. As portas de uplink ajudam a conectar o switch à rede principal e as outras portas servem para conectar os servidores. Essas portas atendem à taxa de dados necessária para comunicação eficiente do servidor.
2. Unidades de fonte de alimentação (PSUs): PSUs redundantes melhoram muito a confiabilidade e diminuem as chances de tempo de inatividade do ambiente crítico devido à interrupção do fornecimento de energia. 
3. Tecido de comutação: Configuração interna que permite a movimentação de pacotes de dados entre periféricos conectados, o que é feito com garantia de baixo atraso com máxima transferência de dados.
4. Sistema de resfriamento: O superaquecimento é evitado através do uso de ventiladores integrados ou sistemas de resfriamento avançados para garantir que o desempenho ideal seja alcançado.
5. Aprovando a interface do usuário: Uma interface simples que permite ao administrador configurar, monitorar e solucionar problemas do switch com eficiência.

Todos esses componentes trabalham juntos para garantir o funcionamento eficiente de um switch ToR em um data center movimentado.

Tor Switch em redes de data center

Um switch Top-of-Rack (ToR) em redes de data center atua como um link essencial entre servidores e a rede. Ele é posicionado no topo do rack do servidor, onde o tráfego dos dispositivos no rack é agregado e passado para switches de núcleo ou de agregação dentro da rede. Essa configuração reduz a quantidade de cabeamento necessária, melhora o uso da largura de banda e reduz o atraso de tempo. Os switches ToR são particularmente preferidos em projetos modernos de data center devido à sua facilidade de expansão e suporte de transferência de dados de alta velocidade, o que é essencial para aumentar as cargas de trabalho.

Benefícios da comutação Top-of-Rack

Eficiência de rede aprimorada

O desempenho de uma rede é melhorado com a comutação Top-of-Rack (ToR) devido à redução da distância que os dados percorrem dentro de um data center, reduzindo assim a latência. Os switches ToR ajudam a aumentar a eficiência da largura de banda porque se conectam a servidores localizados no rack, reduzindo assim os riscos de gargalo. Este design suporta conexões de alta velocidade, bem como cargas de trabalho modernas que representam um desafio.

Aumentando a redundância e a escalabilidade

A comutação Top-of-Rack (ToR) é útil para atingir escalabilidade e redundância em redes de data center. Este design promove a fácil adição de racks, permitindo assim o dimensionamento de recursos quando os requisitos de negócios se expandem, tudo sem perturbar a infraestrutura de rede subjacente. Cada rack é equipado com switches dedicados, permitindo que cada um funcione como uma unidade separada, fornecendo assim blindagem de falhas localizada.

O gerenciamento de tráfego é simplificado pela implantação de protocolos de alta disponibilidade como roteamento multicaminho (ou seja, Equal Cost Multi Path (ECMP)) que permite redundância na comutação de ToR e distribui o tráfego por vários caminhos potenciais para eliminar pontos únicos de falha. Um estudo conduzido sobre a arquitetura contemporânea de data center indica que o tempo de atividade operacional é bastante melhorado usando ToR em data centers e estratégias de redundância frequentemente atingem 99.99% de confiabilidade. Além disso, a tolerância a falhas é melhorada pela virtualização da camada de rede e automação de backup usando Virtual Extensible LANs (VXLANs) e redes definidas por software (SDN), garantindo serviço ininterrupto em caso de falha de hardware ou link.

A comutação ToR permite que as empresas respondam eficientemente à crescente demanda por serviços de nuvem, dispositivos IoT e cargas de trabalho alimentadas por IA, distribuindo o tráfego de forma inteligente entre todos os servidores. Essa mistura de escalabilidade e redundância torna a comutação ToR um elemento indispensável no design de data centers de próxima geração.

Minimizando a latência da infraestrutura de rede

O processo de minimizar a latência na infraestrutura de rede se concentra em aumentar a velocidade e a eficácia da transmissão de dados. Métodos importantes incluem alavancar a computação de ponta para executar análises mais próximas de onde os dados se originam, usar switches de baixa latência e cabeamento de fibra óptica como infraestrutura de fiação e minimizar o número de saltos em um determinado caminho. Além disso, o gerenciamento avançado de tráfego, por exemplo, priorização de QoS (qualidade de serviço), garante que dados importantes sejam enviados com obstrução mínima ou nenhuma. Para melhorias sustentáveis, o monitoramento persistente e a correção do desempenho da rede são essenciais. Essas tentativas minimizarão os atrasos na rede e resultarão em uma rede muito mais confiável e rápida.

Implementando um Tor Switch em sua infraestrutura de rede

Instruções de implantação passo a passo

1. Avaliar as necessidades da rede. Analise o escopo da sua rede, os tipos de uso e as projeções de crescimento para determinar se a implantação de um switch Tor atenderá às suas necessidades.
2. Escolha o modelo certo de interruptor Tor. Selecione um switch Tor que atenda aos seus requisitos de infraestrutura em termos de densidade de porta, taxa de transferência e outros dispositivos de hardware.
3. Prepare-se para a instalação física. Selecione a melhor posição no seu data center ou infraestrutura de rede em relação ao resfriamento e ao acesso para manutenção.
4. Conectar-se a outras camadas de rede. Conecte o switch aos níveis de núcleo e agregação, observando a fiação correta e as relações geométricas com o projeto da sua rede para uma conexão adequada.
5. Configurar o switch. Execute as etapas de configuração inicial, incluindo, mas não se limitando a, alocação de endereço IP, atribuição de VLAN e ativação de protocolo que sejam relevantes para as necessidades do seu sistema.
6. Valide a funcionalidade e a eficiência. Conclua as verificações necessárias para garantir que o switch funcione corretamente e que o tráfego de dados seja encaminhado adequadamente nos modos operacionais normais e de pico.
7. Ajuste e manutenção. De tempos em tempos, observe o desempenho do switch e, no devido tempo, faça a manutenção do firmware para continuar fornecendo confiabilidade e segurança para sua infraestrutura de rede.

Dificuldades comuns e suas resoluções 

No meu caso, uma das dificuldades mais frequentes são problemas de configuração no estágio de instalação, como atribuições de VLAN ou conflitos de endereço IP. Para corrigir isso, faço questão de validar as configurações de acordo com a documentação antes de implantá-las. Outros desafios incluem firmware desatualizado habilitado, que forma lacunas na segurança do sistema, bem como cria problemas de incompatibilidade. Eu garanto que atualizações regulares sejam feitas, bem como manutenção programada, para mitigar alguns desses riscos. Finalmente, otimizar a rede para lidar com tráfego pesado sem degradar o desempenho se torna difícil. Nesses casos, o desempenho da rede e o ajuste de QoS são necessários para evitar gargalos na rede.

Melhores práticas de configuração 

Para aumentar a confiabilidade e a eficiência das configurações, considere as seguintes práticas recomendadas: 

1. Documentação e Planejamento: Faça questão de delinear as abordagens para tudo e fazer toda a documentação necessária antes de iniciar qualquer configuração; isso garante consistência e elimina erros durante a implementação. 
2. Atualizações: Certifique-se de que todo o firmware e software estejam atualizados com as versões mais estáveis ​​para erradicar falhas de segurança e melhorar a compatibilidade. 
3. Testes em ambiente controlado: Essas modificações precisam ser feitas primeiro em um ambiente de teste para verificar e corrigir quaisquer riscos de antemão. 
4. Monitoramento e Otimização: Use ferramentas de monitoramento para rastrear métricas de desempenho para garantir que tais anomalias sejam corrigidas o mais rápido possível. Configurações como balanceamento de carga ou limitação de largura de banda também podem ser feitas para otimizar o desempenho do sistema.

Concluir as etapas descritas aqui ajudará a proteger a integridade do sistema e, ao mesmo tempo, garantirá que a funcionalidade ideal seja alcançada de forma consistente.

Como a comutação Top-of-Rack pode melhorar a eficiência da rede

Melhorando a transmissão de dados e a interconectividade da rede

A eficiência da rede é melhorada como resultado do aumento das taxas de transferência de dados juntamente com a diminuição da latência, que é obtida por meio da comutação Top-of-Rack (ToR). O ToR coloca os switches dentro dos racks de servidores, reduzindo assim a distância que os dados precisam percorrer, bem como a comunicação rápida entre os dispositivos. Essa abordagem também melhora o gerenciamento de cabos, diminuindo as chances de gargalos e garantindo que a conectividade seja ininterrupta. Além disso, as configurações do ToR são escaláveis, o que permite que as redes incorporem volumes de tráfego elevados sem grandes modificações na infraestrutura. Com todos esses pontos positivos, a comutação ToR prova ser muito útil no avanço e otimização do desempenho da rede.

Como a virtualização desempenha um papel

A eficiência da rede é impulsionada pela virtualização porque múltiplas funções de rede virtual podem ser consolidadas em um único servidor físico, levando à redução do consumo de recursos e hardware. Este método melhora o desempenho da estrutura existente, reduz o tempo de implantação minimizando o tempo de inatividade e facilita a manutenção da rede. Além disso, a virtualização permite flexibilidade por meio da distribuição dinâmica de recursos para atender a diferentes volumes de tráfego, o que aumenta a capacidade de resposta geral da rede e permite maior escalabilidade.

Administração de múltiplos switches e redes 

O uso de vários switches dentro de uma infraestrutura de rede permite o gerenciamento eficiente do tráfego do sistema e a confiabilidade geral do sistema. Cada switch atua como um hub de alta velocidade dentro da rede, permitindo o roteamento eficaz de dados entre dispositivos, eliminando gargalos. As abordagens contemporâneas de gerenciamento de rede utilizam tecnologias de Software-Defined Networking (SDN) para lidar com flexibilidade com vários switches, o que torna possível automatizar a comunicação, bem como o fluxo de tráfego dentro da rede. 

Vários relatórios sugerem que empregar múltiplos switches melhora a tolerância a falhas em uma rede devido à redundância do sistema. Por exemplo, no caso de falha de um switch, a rede é capaz de redirecionar o tráfego por meio de switches diferentes, o que reduz significativamente o tempo de inatividade. Além disso, múltiplos switches fornecem segmentação de rede, resultando em melhor segurança ao confinar fluxos de dados sensíveis a segmentos específicos, o que diminui a exposição em caso de violação. 

Dados das análises da indústria indicam que redes com gerenciamento avançado de switches podem chegar perto de 99.999% de tempo de atividade, o que é importante para aplicações de missão crítica. O uso do Spanning Tree Protocol (STP) também ajuda, pois garante a remoção de loops de dados, o que, por sua vez, melhora o desempenho. O gerenciamento de vários switches, juntamente com o auxílio da capacidade do sistema de gerenciamento de controlar parâmetros avançados, promove uma melhor experiência e, portanto, é de suma importância para operações em larga escala.

Analisando o ecossistema de comutação de soluções de topo de rack

Principais participantes e suas inovações 

Atualmente, os principais concorrentes no ecossistema de comutação top-of-rack (ToR) são Cisco, Arista Networks e Juniper Networks. Essas empresas são bem conhecidas por soluções confiáveis ​​e eficazes para empresas e data centers. Por exemplo, muitos usuários da série Nexus da Cisco apreciam sua escalabilidade, bem como recursos avançados, como virtualização e automação. A Arista Networks se orgulha da tecnologia de comutação que enfatiza a rede definida por software e a integração robusta da nuvem. A Juniper Networks tem a série QFX, que é criada para fornecer desempenho e integração excepcionais em vários sistemas de rede. Essas tecnologias reduzem a latência e aumentam a taxa de transferência, ao mesmo tempo em que permitem um gerenciamento mais fácil, o que é ideal para a operação diária de data centers modernos. 

Mudanças e desenvolvimentos em direção ao futuro das tecnologias de topo de rack

O futuro das tecnologias top-of-rack (ToR) certamente será impulsionado por uma combinação de automação de rede, serviços gerenciados por IA e a adoção de redes Ethernet 400G. Com a complexidade crescente em torno dos data centers modernos, a automação se torna necessária para diminuir a sobrecarga operacional, bem como fornecer configuração uniforme adequada em grandes redes. As redes baseadas em intenção (IBN) estão surgindo como tecnologias de habilitação essenciais que dão aos administradores a capacidade de declarar o que eles querem que a rede seja em termos de estado, e os sistemas automatizados fornecerão a implementação com as mudanças necessárias em tempo real.

As tecnologias de IA e Machine Learning (ML) estão transformando a comutação de ToR por meio de previsão, detecção de anomalias e roteamento inteligente. Por exemplo, os diagnósticos aprimorados de IA minimizam a energia e maximizam o desempenho ao prever falhas de hardware ou gargalos de rede. Isso é particularmente importante, pois a necessidade de conexões de baixa latência e alta velocidade aumenta com o crescimento de clusters de treinamento de IA e aplicativos de negociação de alta frequência.

A evolução da arquitetura ToR também foi impulsionada pela ampla implementação da nova Ethernet 400G. A computação em nuvem e a IoT estão aumentando as cargas de trabalho orientadas a dados que exigem soluções de largura de banda de maior desempenho. Analistas preveem que os próximos cinco anos verão um crescimento massivo na adoção de portas 400G, o que é indicativo da mudança da indústria para padrões de rede mais avançados. Além disso, o desenvolvimento de transceptores ópticos de alta velocidade e tecnologias de cabeamento aprimoradas tornam a rede de alto desempenho acessível mais difundida.

A sustentabilidade também é um fator determinante para o desenvolvimento da nova arquitetura ToR. Os fabricantes estão utilizando dispositivos e materiais com eficiência energética, então não é surpresa que eles cumpram as políticas ambientais. Isso é consistente com as metas de outras indústrias de atingir uma pegada de carbono menor, ao mesmo tempo em que satisfazem as necessidades de infraestrutura da próxima geração.

Em resumo, automação, IA, conectividade Ethernet de alta velocidade e tecnologias ecológicas trabalhando juntas levarão a switches ToR avançados que são inteligentes, ágeis e escaláveis, prontos para as demandas dos futuros data centers. 

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Perguntas Mais Frequentes (FAQ) 

P: O que é comutação Top-of-Rack (ToR) e o que ela faz pela infraestrutura de rede?

A: A comutação Top-of-Rack (ToR) é uma forma de layout de rede na qual os switches do data center estão localizados acima de cada rack de servidor. Os switches ToR eliminam o gargalo de desempenho causado por um único switch servindo muitos racks em um data center, fornecendo maior escalabilidade, melhor desempenho de rede e gerenciamento mais fácil de conexões dentro do rack. Essa maior eficiência muda fundamentalmente a estrutura da infraestrutura de rede, simplificando o cabeamento e permitindo melhor fluxo de ar, ao mesmo tempo em que fornece a capacidade de atualizar a infraestrutura de rede sem extensas refiações e investimentos.

P: Quais são os principais benefícios de utilizar a comutação ToR em ambientes corporativos?

R: Em ambientes empresariais, a aplicação de comutação ToR oferece benefícios adicionais além da maior disponibilidade da rede por meio de menos cabeamento e pontos de falha. Uplinks eficientes para a rede central e conexões de alta velocidade dentro do rack fornecidas pelos switches ToR melhoram a confiabilidade da rede. Além disso, alguns switches ToR modernos são dispositivos mais inteligentes que integram Software-Defined Networking (SDN) e, portanto, podem ser gerenciados mais facilmente e programados para responder às necessidades de mudança da rede.

P: Como a comutação ToR se integra aos controladores SDN?

R: A integração da comutação ToR com controladores SDN opera suavemente, o que permite flexibilidade e automação ainda maiores das tarefas de gerenciamento de rede. Um controlador SDN é capaz de gerenciar vários switches ToR de uma vez, que ele pode usar para configuração automatizada, engenharia de tráfego e implantação de políticas dentro de um domínio gerenciado. Esse método melhora a capacidade de resposta da rede e as alterações na alocação de recursos com relação às necessidades do aplicativo são mais eficientes.

P: A comutação ToR pode ser implementada em redes industriais? 

R: Sim, a comutação ToR pode ser adotada em redes industriais. Os benefícios incluem fragmentação de redes para processos de negócios individuais, menos atrasos para tarefas importantes e controle mais simples dos dispositivos IIoT. Na verdade, as comutações ToR são frequentemente implantadas em aplicações industriais nas quais são incorporadas em terminais portáteis projetados para ambientes robustos e habilitados com software de automação de controlador industrial.

P: Como a comutação de ToR contribui para o avanço da P&D eficiente em infraestrutura de rede? 

R: A comutação ToR contribui para o avanço da P&D eficiente em infraestrutura de rede ao acelerar a implantação de novas redes por meio de arquitetura flexível e escalável. Elas são muito fáceis de implantar e usar ao testar novos protocolos, conceitos de rede definida por software ou até mesmo novas tecnologias de rede de alta velocidade junto com comutadores ToR. A rapidez com que as soluções de rede são desenvolvidas e adotadas é aprimorada com essa flexibilidade.

P: Qual é o impacto da falha do switch ToR em uma rede de data center?

R: No caso de uma falha de switch ToR, apenas os servidores associados a esse switch específico serão impactados, limitando assim os danos em toda a rede. Para mitigar esse problema, muitos data centers empregam estratégias de redundância utilizando vários switches ToR por rack ou implementando rede com outras rotas possíveis. Isso contribui para a resiliência da rede, garantindo que haja sempre um fluxo contínuo de operações, mesmo com a falha de um único switch. 

P: Qual o papel dos switches ToR no suporte a conexões de alta velocidade, por exemplo, Gigabit Ethernet?

R: O próprio design dos switches ToR permite o suporte de conexões de alta velocidade, incluindo, mas não se limitando a, Gigabit Ethernet, 10, 40 ou até 100 Gigabit Ethernet. Esses switches geralmente têm uplinks de alta velocidade para a rede central e fornecem conexões intra-rack de baixa latência e alta largura de banda. Esses recursos garantem que os requisitos que acompanham os aplicativos e serviços modernos de data center sejam sempre atendidos pela comutação ToR.

P: Onde posso aprender sobre comutação Top-of-Rack e me manter atualizado sobre as novidades sobre esse assunto? 

R: Para aprender sobre comutação Top-of-Rack e se manter atualizado com os acontecimentos recentes no campo, você pode seguir especialistas como Orhan Ergun, ler artigos destacados em sites de rede e seguir revistas especializadas em infraestrutura de data centers. Além disso, participar de conferências e webinars de rede pode aumentar muito sua compreensão das tendências atuais em comutação ToR e infraestrutura de rede.

Fontes de Referência

1. Análise de projeto e desempenho de ToR eletro-óptico (EO-ToR) para rede de data center de baixa latência

• autores: Souvik Roy e outros.
• Data de publicação: 15 de Junho de 2023
• Conferência: 2023 5ª Conferência Internacional sobre Energia, Potência e Meio Ambiente
• Principais conclusões:
  • O documento sugere um ToR eletro-óptico (EO-ToR) que segmenta informações adequadas para comutação de pacotes e circuitos.
  • As medidas de avaliação de latência e tempo de permanência refletem um progresso significativo em relação às estruturas ToR convencionais.
• Metodologia:
  • Os autores se concentraram na modelagem de EO-ToR com MATLAB enquanto examinavam métricas de latência e tempo de permanência como medidas de desempenho em relação a switches ToR tradicionais.

2. OpticNet: Redes autoajustáveis ​​para arquiteturas de comutação óptica ToR-Matching-ToR

• autores: Caio Caldeira et al.
• Data de publicação: 17 de maio de 2023
• Conferência: IEEE INFOCOM 2023
• Principais conclusões:
  • A capacidade de algoritmos de rede auto-otimizados e automatizados é apresentada como uma mudança de paradigma por meio do OpticNet, que usa um mínimo de switches reconfiguráveis ​​para realização de topologia.
  • Isso prova que a arquitetura atinge metas de desempenho, permanecendo adaptável e eficaz.
• Metodologia:
  • Os autores criaram um modelo de correspondência de switch ToR envolvendo OCS reconfigurável e validaram a estrutura com resultados experimentais de cargas de trabalho reais.

3. Torp: Perfil de cobertura total e baixa sobrecarga da latência do lado do host

• autores: Xiang Chen e outros.
• Data de publicação: 2 de maio de 2022
• Conferência: IEEE INFOCOM 2022
• Principais conclusões:
  • O artigo descreve o Torp, uma estrutura que alcança cobertura total e latência mínima ao transferir o perfil de latência das operações do lado do host para as junções dos switches Tor.
  • Ele melhora consideravelmente o perfil de latência em redes de data center (DCNs).
• Metodologia:
  • Os autores incorporaram o Torp em switches Tofino e realizaram experimentos para mostrar sua eficácia na criação de perfil de latência do lado do host em relação às soluções disponíveis.

4. Um ToR híbrido de alto desempenho para data centers

• autores: Ele Liu
• Data de publicação: 2015 (não nos últimos 5 anos, mas relevante)
• Principais conclusões:
  • Este artigo propõe um novo design de arquitetura ToR denominado REACToR, que incorpora elementos de comutação de pacotes e circuitos para melhorar o desempenho de redes de data center.
  • Ele propõe um algoritmo de agendamento que busca maximizar o uso de recursos minimizando a reconfiguração do circuito.
• Metodologia:
  • A avaliação é feita por meio de simulações e implementações práticas, mostrando a eficácia do gerenciamento do tráfego do data center usando o design ToR híbrido.

5. Rede de computadores

6. Centro de dados