Spine and Leaf 네트워크 아키텍쳐

 

 

1. 배경

1. 서버 간 통신(East-West 트래픽)의 증가
   • 과거에는 주로 클라이언트(외부) ↔ 서버(내부) 통신이 많아서, 코어 네트워크의 North-South 트래픽만 잘 처리하면 충분했습니다.
   • 그러나 마이크로서비스, 분산 컴퓨팅, 빅데이터 처리 등이 보편화되면서, 서버 ↔ 서버 간 트래픽이 폭증(East-West)했습니다.
2. 확장성과 대역폭 요구
   • 데이터센터 내 서버가 수백~수천 대 이상으로 늘어나면서, 각 서버가 동등하게 고대역폭, **낮은 지연(latency)**으로 통신할 수 있는 네트워크 구조가 필요해졌습니다.
   • 전통적인 3계층(Access–Distribution–Core) 방식으로는 Distribution/Core 구간에 병목이 생길 수 있어 유연한 확장이 어려웠습니다.
3. 균등한 레이턴시
   • 대규모 클러스터에서 특정 구간만 지나치게 트래픽이 몰리면, 애플리케이션 성능이 저하되거나 장애 시 서비스 전체가 불안정해집니다.
   • Spine-Leaf는 모든 Leaf가 모든 Spine과 연결되어 있어, 서버 간 홉 수(Hop count)가 일정하게 유지됩니다.

 

 

 

• Spine 스위치
  • 네트워크 최상단에 위치, 고속 백본 역할. 각 Spine은 모든 Leaf 스위치와 연결(Mesh)됩니다.
  • Spine 스위치 수를 늘려서(가령 2대 → 4대 → 8대) 전체 대역폭과 포트 수를 수평 확장할 수 있음.
• Leaf 스위치
  • 서버(물리/가상) 또는 하부 랙(Rack) 단위로 배치되는 스위치.
  • 각 Leaf는 모든 Spine과 연결되므로, 서버가 다른 랙의 서버와 통신할 때 거치는 경로가 동일(Leaf → Spine → Leaf)하게 유지됩니다.
• 특징
  • 1~2홉(One or Two Hops) 구조: 서버 간 트래픽이 많아도, 항상 “Leaf → Spine → Leaf”로만 이동하므로, 예측 가능한 레이턴시와 균등한 대역폭을 확보할 수 있음.
  • 빠른 확장성: 필요한 경우 Spine 스위치 수를 추가해 백본 용량을 늘리거나, Leaf 스위치를 늘려 서버(랙) 대수를 확장할 수 있음.

 

3. 장점

1. East-West 트래픽 효율
   • 서버 간(Horizontal) 통신이 흔한 오늘날의 데이터센터 환경에서, Spine-Leaf는 각 서버가 거의 동일한 경로와 지연으로 서로 통신할 수 있도록 만듭니다.
2. 균등한 성능 (Non-blocking or Low-blocking)
   • 모든 Leaf–Spine 링크가 대역폭이 충분히 Provisioned(예: Equal Cost Multi Path, ECMP)되어 있으면, 병목이 크게 줄어듭니다.
   • Scale-out 방식으로 Spine을 추가하면서 네트워크 성능이 함께 증가.
3. 단순성과 예측 가능성
   • 토폴로지가 규칙적(Leaf–Spine 풀메시)이라, 배포·운영·트러블슈팅이 직관적입니다.
   • 특정 링크나 노드 장애가 발생해도, 여러 Spine을 통해 우회 가능(ECMP 라우팅).
4. 표준화와 장비 선택 폭
   • Spine-Leaf 아키텍처는 벤더 종속적이지 않으므로(Arista, Cisco, Juniper, Dell, Whitebox 스위치 등 다양한 벤더), 커머디티(COTS) 장비를 활용한 대규모 네트워크 구현이 가능합니다.

 

 

4. 단점 및 고려 사항

1. 배선(Cabling) 복잡도
   • 모든 Leaf가 모든 Spine과 연결되므로, 링크 수가 많아지고, 물리 케이블링이 복잡해질 수 있음.
   • 대형 데이터센터에서는 케이블 설치·관리 비용과 인프라 설계(랙, 케이블 트레이)가 중요한 이슈가 됨.
2. 비용
   • Spine에 고성능·고포트 밀도의 스위치(100G, 400G 등)을 다수 사용해야 하므로 초기 투자 비용이 적지 않을 수 있음.
   • 하지만 규모가 커질수록 3계층 구조 대비 탄력적으로 확장할 수 있어, 대규모 환경에서는 결국 효율적이라는 평가도 많음.
3. 운영 난이도
   • Leaf 스위치와 Spine 스위치를 BGP, ECMP 등 L3 라우팅으로 구성하는 경우, 네트워크 엔지니어는 기존 2~3계층 방식과는 다른 운영 방식을 익혀야 할 수도 있음.
   • VLAN, VXLAN, EVPN 등 Overlay 네트워킹 기술과 결합하여 더욱 정교한 구성을 해야 하는 경우가 많음.

 

5. Spine-Leaf와 최근 트렌드

1. SDN(Software-Defined Networking) & EVPN/VXLAN
   • 대부분의 대형 데이터센터는 Spine-Leaf 구조 위에 VXLAN(Ethernet VPN) 같은 Overaly 네트워킹 기법을 사용해, L2를 확장하거나 마이크로세그멘테이션을 구현합니다.
   • 중앙 SDN Controller가 Leaf–Spine을 한꺼번에 관리(프로그램)하여, 네트워크 정책·경로 설정을 자동화합니다.
2. 클라우드 데이터센터 표준
   • AWS, Azure, Google Cloud, 대형 IDC 등 대부분의 하이퍼스케일 클라우드는 Spine-Leaf(또는 Clos 네트워크)를 기반으로 설계되어 있습니다.
   • 대량의 서버(수천~수십만 대)를 단일 데이터센터에서 운용하려면, Spine-Leaf처럼 쉽게 Scale-Out 가능한 구조가 필수적입니다.
3. Fabric 개념
   • Spine-Leaf를 “데이터센터 패브릭(Data Center Fabric)”이라고 부르기도 합니다. 모든 Leaf가 Spine에 풀메시로 연결된 거대한 천(Fabric)처럼 작동한다는 비유입니다.