Apa itu jaringan Clos?
Jaringan Clos adalah tipe jaringan switching multistage nonblocking yang banyak dipakai di fabric switching skala besar pada data center modern. Konsep ini pertama kali dikenalkan tahun 1950-an untuk meningkatkan efisiensi jaringan telepon dan menekan biaya operasional. Arsitektur Clos terbukti efektif dalam melakukan routing panggilan di sistem telepon mekanis pada masa itu, meskipun kemudian digantikan oleh teknologi yang lebih modern.
Namun, prinsip di balik jaringan Clos kembali muncul pada jaringan data center di tahun 1990-an, memberikan sebuah topologi yang optimal untuk operasi switch dalam komunikasi data berbasis Ethernet. Hingga saat ini, jaringan Clos tetap menjadi fondasi banyak fabric interkoneksi, termasuk data center berskala besar yang menjadi tulang punggung cloud.
Sejarah jaringan Clos
Nama Clos diambil dari peneliti Bell Labs, Charles Clos, yang mengajukan desain jaringan ini pada tahun 1952. Ia membuktikan bahwa modelnya bisa menyelesaikan masalah reliabilitas dan biaya yang ada pada switch elektromekanis di jaringan telepon saat itu. Sebenarnya, konsep jaringan Clos pertama kali diperkenalkan oleh Edson Erwin pada tahun 1938, namun Charles Clos yang berhasil menunjukkan penerapannya di jaringan telepon nyata.
Clos merancang jaringan dengan konektivitas nonblocking dan any-to-any, sambil meminimalkan jumlah crosspoint yang dibutuhkan untuk proses switching. Crosspoint sendiri adalah relay elektromekanis pada crossbar switch (jenis switch berbasis matriks) yang dulu banyak dipakai untuk routing panggilan. Sebelum adanya jaringan Clos, jumlah crosspoint = jumlah input × jumlah output (dikenal sebagai n-squared atau n2), yang menyebabkan jumlah komponen membengkak dan biaya melonjak.
Clos menggunakan teori matematika untuk membuktikan bahwa nonblocking connectivity bisa dicapai dengan arsitektur tiga tahap: stage input (ingress), stage tengah, dan stage output (egress). Pada desain ini, setiap switch input terhubung ke semua switch middle, lalu masing-masing middle terhubung ke semua switch output, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Hasilnya adalah topologi nonblocking dengan jumlah crosspoint jauh lebih sedikit dibandingkan switch konvensional saat itu.
Dengan desain ini, panggilan telepon bisa melewati jalur berbeda dan tidak mudah terblokir oleh panggilan lain, masalah yang umum di jaringan lama dengan koneksi dedicated. Selain itu, topologi Clos bisa diskalakan untuk mendukung trafik yang lebih besar tanpa mengurangi kualitas layanan.
Desain Clos di data center modern
Switching elektromekanis akhirnya tergantikan teknologi baru, sehingga desain Clos sempat ditinggalkan. Namun, karena efisiensinya, pendekatan Clos muncul kembali di tahun 1990-an bersamaan dengan kemunculan switch berperforma tinggi di data center fabric. Jaringan Clos mampu menyediakan konektivitas nonblocking antar switch Ethernet tanpa memerlukan port sebanyak n-squared.
Pada banyak data center saat ini, arsitektur Clos diimplementasikan dalam bentuk leaf-spine. Layer spine mewakili switch middle stage, sementara layer leaf mewakili switch input dan output, seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Desain ini sering disebut folded Clos network karena middle layer seakan “dilipat” menjadi arsitektur dua tier. Nama lain yang juga digunakan adalah fat-tree network.
Efisiensi jaringan Clos berbanding lurus dengan jumlah port dalam jaringan. Semakin besar jaringan (ribuan hingga puluhan ribu port), semakin besar manfaat yang diperoleh dari desain Clos. Topologi ini sangat reliabel dan optimal untuk komunikasi east-west (server ke server dalam data center), bukan sekadar north-south (server ke luar jaringan). Clos juga mendukung scale-out masif, sehingga spine dan leaf switch bisa ditambahkan dengan dampak minimal pada topologi keseluruhan.
Desain Clos kadang diperluas menjadi lima tahap, bukan tiga. Dalam hal ini, setiap spine di middle stage dipecah menjadi jaringan Clos kecil dengan ingress, middle, dan egress sendiri. Walaupun desain lima tahap menambah kompleksitas perencanaan dan maintenance, ia memungkinkan penggabungan beberapa pod data center ke dalam satu fabric.
Arsitektur Clos bahkan bisa diperluas lebih jauh hingga tujuh tahap atau lebih (selama jumlah tahap ganjil). Namun, tipe jaringan Clos ini tidak sepopuler desain tiga tahap atau lima tahap.