스파인-리프 네트워크

스파인-리프(Spine-Leaf) 네트워크는 데이터 센터나 고성능 컴퓨팅(HPC), 클라우드 환경에서 고속, 확장성 높은 네트워크 아키텍처를 구현하기 위해 사용되는 계층형 네트워크 토폴로지이다.

1. 스파인-리프 네트워크 아키텍처

[그림 - 스파인-리프 네트워크 아키텍처]

• 리프(Leaf)) 스위치: 서버나 GPU 노드가 직접 연결되는 하위 스위치
• 스파인(Spine)) 스위치: Leaf 스위치들을 상호 연결하는 백본 스위치
• 모든 리프는 모든 스파인에 연결되어 있어 네트워크 병목을 최소화
• 각 리프 스위치는 모든 스파인 스위치와 연결
• 서버는 리프 스위치에만 연결됨
• 스파인은 리프 간 east-west 트래픽을 처리

2. 스파인-리프 네트워크 특징

항목	설명
고가용성	Spine 스위치 중 하나가 실패해도 다른 경로로 트래픽 전달 가능
예측 가능한 대역폭	Leaf당 Spine 연결이 대칭적이므로 트래픽 경로가 균일
수평 확장 용이	Leaf와 Spine 스위치 수를 늘리는 방식으로 쉽게 확장
균일한 레이턴시	리프 간 통신은 항상 Spine 한 단계를 거치므로 지연 시간이 일정

3. 왜 HPC나 AI 클러스터에서 중요한가?

• NCCL, DDP, FSDP 등은 GPU 간 대용량 AllReduce 통신에 민감
• 스파인-리프 구조는 inter-node 통신 병목을 줄이고, 멀티 GPU 노드 간 성능 일관성 확보 가능
• 특히, InfiniBand 기반 스파인-리프 구조는 LLM 학습처럼 대역폭 집약적인 작업에 최적

4. 기존의 3-Tier (Core-Aggregation-Access) 구조와 비교

항목	3-Tier 구조	Spine-Leaf 구조
계층 수	3 (Core, Agg, Access)	2 (Spine, Leaf)
병목 가능성	Aggregation에서 병목 발생 가능	모든 Leaf-Spine 경로가 평등
확장성	제한적	수평 확장 쉬움
지연 시간	가변	예측 가능하고 낮음