НВК в этой статье — научно-вычислительный комплекс, то есть кластер или дата-центр, где основной задачей является перенос больших данных и обеспечение минимальной задержки между вычислительными узлами и хранилищем. Проектирование такой сети похоже на строительство магистрали для грузовиков высокой скорости: ошибки проявятся сразу и дорого обойдутся. Я расскажу шаг за шагом, на что смотреть, какие архитектурные решения выбирать и как избежать типичных ошибок, а по ссылке https://stivstroy.ru/ вы можете узнать еще больше подробностей.
- Ключевые требования к сети НВК
- Топологии и технологии — что выбрать
- Коммутаторы, сетевые адаптеры и кабельная система
- IP-план, сегментация и маршрутизация
- Сеть хранения данных
- Отказоустойчивость и резервирование
- Мониторинг, тестирование и эксплуатация
- Безопасность и доступ
- Физика: размещение, кабели, питание
- Бюджетирование и масштабирование
- Пошаговый план проектирования
- Заключение
Ключевые требования к сети НВК
Первый этап — точно сформулировать требования. Нельзя начинать с выбора устройств, не понимая, какие нагрузки и сценарии нужно поддерживать. Важны пропускная способность, задержка, предсказуемость, масштабируемость, отказоустойчивость и управляемость. Каждый из этих параметров влияет на выбор топологии и технологий.
Дополнительно требуется разделение трафика. Управление, бэкапы, пользовательские соединения, клиентский доступ и трафик хранения данных лучше изолировать логически или физически. Это упрощает отладку и повышает безопасность.
- Пропускная способность: суммарные входящие и исходящие потоки для каждого узла и для всего кластера.
- Задержка: критична для параллельных вычислений, особенно при использовании MPI.
- Отказоустойчивость: время восстановления и точки отказа.
- Управляемость: мониторинг, конфигурация, обновления без остановки служб.
Топологии и технологии — что выбрать
Топология сети диктует поведение системы под нагрузкой. Для НВК чаще всего используют leaf-spine или fat-tree, иногда тор и dragonfly для очень больших кластеров. Leaf-spine обеспечивает предсказуемую пропускную способность между любыми парой серверов; fat-tree — вариант с двумя уровнями агрегации и богатой избыточностью. Torus применяется в суперкомпьютерах с сильно регулярным трафиком.
Технологии передачи данных делятся на Ethernet и InfiniBand. Ethernet удобен, потому что универсален и дешевле в массовых реализациях. InfiniBand дает преимущества по задержке и эффективной поддержке RDMA, что важно для MPI и распределенных файловых систем, чувствительных к латентности.
| Технология | Типичный диапазон пропускной способности | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|
| Ethernet (10/25/40/100/200/400 Gb) | 10–400 Гбит/с | Универсальная экосистема, доступность, дешевле | Более высокая латентность по сравнению с InfiniBand, настройка RDMA сложнее |
| InfiniBand | 40–400+ Гбит/с | Очень низкая задержка, аппаратное RDMA, оптимальна для MPI | Специализированное оборудование, сложность интеграции с общесетевой инфраструктурой |
| RoCE (RDMA over Converged Ethernet) | 40–200 Гбит/с | Комбинация преимуществ RDMA и Ethernet | Требует тщательной настройки QoS и управления потерями пакетов |
Коммутаторы, сетевые адаптеры и кабельная система
Выбор коммутаторов зависит от требуемого числа портов, скорости uplink и наличия функций уровня 2 и уровня 3. Для ядра кластера нужны коммутаторы с высокой пропускной способностью внутри шасси и низкими задержками. Буферы в коммутаторах помогают пережить короткие всплески трафика, это существенный параметр для HPC.
Сетевые интерфейсы на серверах должны поддерживать нужные оффлоады: RDMA, SR-IOV, checksum offload, TSO. Эти функции уменьшают нагрузку CPU и улучшают стабильность передачи больших потоков данных.
| Тип кабеля | Применение | Типичная максимальная длина |
|---|---|---|
| DAC (кузовной напрямую) | Краткие соединения в стойке, дешевле | до 7 м |
| Сетевые кабели оптические (multi-mode OM3/OM4) | Соединения между стойками и комнатами | несколько сотен метров |
| Single-mode оптика | Дальние соединения между зданиями | километры |
IP-план, сегментация и маршрутизация
IP-план должен быть простым и расширяемым. Оптимальный вариант — разделить сети на функциональные зоны: вычислительные, storage, management, мониторинг, пользовательский доступ. Для больших развертываний полезно использовать план с /16 блоками и внутренней маркировкой подсетей по стойкам или pod.
Маршрутизация на уровне ядра может опираться на OSPF или BGP, в зависимости от размеров и интеграции с внешними сетями. Для мультисегментной архитектуры EVPN может помочь с L2 over L3 и повышает гибкость при перемещении виртуальных машин.
- Используйте VLAN для логической сегментации, но не создавайте слишком много VLAN на одном коммутаторе.
- Jumbo frames полезны для уменьшения CPU и повышения пропускной способности, но требуют согласованных MTU по всему пути.
- Для балансировки трафика используйте ECMP, это хорошо масштабирует путь без единой точки отказа.
Сеть хранения данных
Хранилище в НВК часто становится узким местом. Важно решить, будет это объектное хранилище, распределённая СХД, Ceph, или более традиционный SAN. Для высокопроизводительных сценариев лучше отделить storage-трафик от пользовательского и управленческого трафика, чтобы нагрузка вычислений не мешала СХД.
Если используется iSCSI или NFS поверх Ethernet, рассчитайте количество потоков и пропускную способность на узел. В случае Ceph важна латентность между OSD и серверами, поэтому желательно строить сеть с минимальной задержкой и хорошей избыточностью каналов.
Отказоустойчивость и резервирование
Отказоустойчивость достигается за счет отказоустойчивых путей и резервной логики. Важно избегать единой точки отказа, как в плане оборудования, так и в конфигурации. Дублирование критических коммутаторов и двойное подключение серверов к разным leaf-коммутаторам — стандартная практика.
Протоколы типа MLAG полезны для активного резервирования на уровне L2, но требуют аккуратной настройки. На уровне маршрутизации ECMP обеспечивает распределение трафика по нескольким равноприоритетным путям. Контроль состояния линков и автоматическое переключение должны быть проверены в стенде до продакшна.
Мониторинг, тестирование и эксплуатация
Невозможно управлять тем, что не видно. Мониторинг по метрикам пропускной способности, задержки, ошибок порта и использования CPU коммутаторов нужен с первого дня. Сбор метрик через Prometheus, SNMP или специализированные агенты дает картину поведения сети под нагрузкой.
Тестирование — отдельная дисциплина. Нагрузочные тесты с iperf и микро-бенчмарками RDMA покажут реальные цифры. Тестируйте обновления прошивок и конфигурации в тестовом стенде, моделируйте отключение ссылок и проверяйте восстановление в условиях, приближенных к боевым.
- Регулярные пропускные тесты между стойками и к хранилищу.
- Мониторинг ошибок CRC и ритмов повторной передачи.
- Анализ логов контроля состояния коммутаторов и NIC.
Безопасность и доступ
Сеть НВК обычно содержит ценные данные и доступ к вычислительным ресурсам. Применяйте принцип минимальных привилегий. Управленческий трафик держите в отдельной сети, доступ через bastion-хосты и с использованием ключей SSH. 802.1X для дата-центра применяют редко, зато роль VLAN, ACL и RBAC у коммутаторов следует использовать активно.
Мониторинг аномалий и логирование доступа помогут быстро распознать злоупотребления. В дополнение можно ограничивать доступ к API управления сетью по IP и использовать двухфакторную аутентификацию для пользователей с правами администратора.
Физика: размещение, кабели, питание
Физическое размещение влияет на качество сети. Коммутаторы ядра лучше держать в отдельных стойках и минимизировать длину критичных uplink. Кабельные трассы и маркировка должны быть продуманы заранее, чтобы при масштабировании не пришлось перекладывать всю магистраль.
Планируйте питание и охлаждение с запасом. Коммутаторы высокой плотности потребляют заметную мощность, и их работа ухудшается при высокой температуре. Размещение устройств по pod-модели упрощает кабельный менеджмент и обслуживание.
Бюджетирование и масштабирование
Основные драйверы бюджета — порты высоких скоростей, оптика и коммутаторы ядра. Порой выгоднее приобрести медленные порты на период запуска и рассчитать путь апгрейда до 100 или 200 Гбит, чем сразу инвестировать в максимальную скорость для всего кластера.
Важно иметь план роста. Определите, сколько серверов и терабайт в хранилище вы сможете добавить без замены ядра сети. Наличие свободных портов и возможность добавления spine-коммутаторов экономит деньги и нервные клетки.
Пошаговый план проектирования
Ниже практическая последовательность действий. Эта дорожная карта работает в большинстве реалистичных проектов и помогает не упустить важные детали.
- Собрать требования: нагрузки, количество серверов, типы трафика.
- Смоделировать трафик и выбрать топологию.
- Определить технологии: Ethernet или InfiniBand, поддержка RDMA.
- Составить IP-план и разделение VLAN/подсетей.
- Подобрать оборудование и кабели, учесть резервирование.
- Построить тестовый стенд, провести стресс-тесты и failover-тесты.
- Развернуть мониторинг и процедуры оповещений.
- Документировать архитектуру и процедуры обновлений.
- Плавно поднять продакшн, наблюдать и корректировать.
Заключение
Проектирование сети для НВК требует баланса между производительностью, надежностью и стоимостью. Не стоит гнаться за синей безумной пропускной способностью: лучше продумать архитектуру, обеспечить избыточность и тестировать поведение под нагрузкой. Простота дизайна и ясный план масштабирования чаще дают лучшие результаты, чем попытки оптимизировать под редкие сценарии.
Практический совет напоследок: сначала обеспечьте надежность и предсказуемость, затем добавляйте оптимизации. Так вы получите стабильный НВК, который выдержит реальные рабочие нагрузки и спокойно подрастет вместе с требованиями проекта.
