今天这个故事，要从67年前开始说起。1953年，贝尔实验室有一位名叫Charles Clos的研究员，发表了一篇名为《A Study of Non-blocking Switching Networks》的文章，介绍了一种“用多级设备来实现无阻塞电话交换”的方法。自从1876年电话被发明之后，电话交换网络历经了人工交换机、步进制交换机、纵横制交换机等多个阶段。20世纪50年代，纵横制交换机处于鼎盛时期。纵横交换机的核心，是纵横连接器。如下图所示： 纵横制接线器纵横连接器交叉点示意图这种交换架构，是一种开关矩阵，每个交点（Crosspoint）都是一个开关。交换机通过控制开关，来完成从输入到输出的转发。开关矩阵（交点数量=N2）可以看出，开关矩阵很像一块布的纤维。所以，交换机的内部架构，被称为Switch Fabric。Fabric，就是“纤维、布料”的意思。Fabric这个词，我相信所有核心网工程师和数通工程师都非常熟悉。“Fabric平面”、“Fabric总线”等概念，经常出现在工作中。随着电话用户数量急剧增加，网络规模快速扩大，基于crossbar模型的交换机在能力和成本上都无法满足要求。于是，才有了文章开头Charles Clos的那篇研究文章。Charles Clos（右一）Charles Clos提出的网络模型，核心思想是：用多个小规模、低成本的单元，构建复杂、大规模的网络。例如下图：图中的矩形，都是低成本的转发单元。当输入和输出增加时，中间的交叉点并不需要增加很多。 这种模型，就是后来产生深远影响的CLOS网络模型。到了80年代，随着计算机网络的兴起，开始出现了各种网络拓扑结构，例如星型、链型、环型、树型。树型网络逐渐成为主流，大家也非常熟悉。 树型网络 传统的树型网络，带宽是逐级收敛的。什么是收敛呢？物理端口带宽一致，二进一出，不就1:2的收敛了嘛。2000年之后，互联网从经济危机中复苏，以谷歌和亚马逊为代表的互联网巨头开始崛起。他们开始推行云计算技术，建设大量的数据中心（IDC），甚至超级数据中心。面对日益庞大的计算规模，传统树型网络肯定是不行的了。于是，一种改进型树型网络开始出现，它就是胖树（Fat-Tree）架构。胖树（Fat-Tree）就是一种CLOS网络架构。相比于传统树型，胖树（Fat-Tree）更像是真实的树，越到树根，枝干越粗。从叶子到树根，网络带宽不收敛。胖树架构的基本理念是：使用大量的低性能交换机，构建出大规模的无阻塞网络。对于任意的通信模式，总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽。胖树架构被引入到数据中心之后，数据中心变成了传统的三层结构：接入层：用于连接所有的计算节点。通常以机柜交换机（TOR，Top of Rack，柜顶交换机）的形式存在。汇聚层：用于接入层的互联，并作为该汇聚区域二三层的边界。各种防火墙、负载均衡等业务也部署于此。核心层：用于汇聚层的的互联，并实现整个数据中心与外部网络的三层通信。在很长的一段时间里，三层网络结构在数据中心十分盛行。在这种架构中，铜缆布线是主要的布线方式，使用率达到了80%。而光缆，只占了20%。用着用着，人们发现，传统三层架构有很多的缺点。 首先，是资源的浪费。传统三层结构中，一台下层交换机会通过两条链路与两台上层交换机互连。
由于采用的是STP协议（ Spanning Tree Protocol，生成树协议），实际承载流量的只有一条。其它上行链路，是被阻塞的（只用于备份）。这就造成了带宽的浪费。其次，是故障域比较大。STP协议由于其本身的算法，在网络拓扑发生变更时需要重新收敛，容易发生故障，从而影响整个VLAN的网络。第三点，也是最重要的一点——随着时间推移，数据中心的流量走向发生了巨大变化。2010年之后，为了提高计算和存储资源的利用率，所有的数据中心都开始采用虚拟化技术。网络中开始出现了大量的虚拟机（VM，Virtual Machine）。与此同时，微服务架构开始流行，很多软件开始推行功能解耦，单个服务变成了多个服务，部署在不同的虚拟机上。虚拟机之间的流量，大幅增加。这种平级设备之间的数据流动，我们称之为“东西向流量”。相对应的，那种上上下下的垂直数据流动，称为“南北向流量”。这个很容易理解，“上北下南，左西右东”嘛。东西向流量，其实也就是一种“内部流量”。这种数据流量的大幅增加，给传统三层架构带来了很大的麻烦——因为服务器和服务器之间的通信，需要经过接入交换机、汇聚交换机和核心交换机。数据流向举例这意味着，核心交换机和汇聚交换机的工作压力不断增加。要支持大规模的网络，就必须有性能最好、端口密度最大的汇聚层核心层设备。这样的设备成本高，价格非常昂贵。于是乎，网络工程师们提出了“Spine-Leaf网络架构”，也就是我们今天的主角——叶脊网络（有时候也被称为脊叶网络）。Spine的中文意思是脊柱，Leaf是叶子。 叶脊网络架构，和胖树结构一样，同属于CLOS网络模型。相比于传统网络的三层架构，叶脊网络进行了扁平化，变成了两层架构。如下图所示： 叶交换机，相当于传统三层架构中的接入交换机，作为 TOR（Top Of Rack）直接连接物理服务器。叶交换机之上是三层网络，之下都是个独立的 L2 广播域。如果说两个叶交换机下的服务器需要通信，需要经由脊交换机进行转发。脊交换机，相当于核心交换机。叶和脊交换机之间通过ECMP（Equal Cost Multi Path）动态选择多条路径。脊交换机下行端口数量，决定了叶交换机的数量。而叶交换机上行端口数量，决定了脊交换机的数量。它们共同决定了叶脊网络的规模。叶脊网络的优势非常明显：1、带宽利用率高每个叶交换机的上行链路，以负载均衡方式工作，充分的利用了带宽。2、网络延迟可预测在以上模型中，叶交换机之间的连通路径的条数可确定，均只需经过一个脊交换机，东西向网络延时可预测。3、扩展性好当带宽不足时，增加脊交换机数量，可水平扩展带宽。当服务器数量增加时，增加脊交换机数量，也可以扩大数据中心规模。总之，规划和扩容非常方便。4、降低对交换机的要求南北向流量，可以从叶节点出去，也可从脊节点出去。东西向流量，分布在多条路径上。这样一来，不需要昂贵的高性能高带宽交换机。5、安全性和可用性高传统网络采用STP协议，当一台设备故障时就会重新收敛，影响网络性能甚至发生故障。叶脊架构中，一台设备故障时，不需重新收敛，流量继续在其他正常路径上通过，网络连通性不受影响，带宽也只减少一条路径的带宽，性能影响微乎其微。