การออกแบบเครือข่ายเชื่อมต่อ
อัน interconnection networkในเครื่องคู่ขนานจะถ่ายโอนข้อมูลจากโหนดต้นทางไปยังโหนดปลายทางที่ต้องการ งานนี้ควรเสร็จสิ้นโดยมีเวลาแฝงน้อยที่สุด ควรอนุญาตให้มีการถ่ายโอนจำนวนมากพร้อมกัน นอกจากนี้ควรมีราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับต้นทุนของเครื่องที่เหลือ
เครือข่ายประกอบด้วยลิงก์และสวิตช์ซึ่งช่วยในการส่งข้อมูลจากโหนดต้นทางไปยังโหนดปลายทาง เครือข่ายถูกระบุโดยโทโพโลยีขั้นตอนวิธีการกำหนดเส้นทางกลยุทธ์การสลับและกลไกการควบคุมการไหล
โครงสร้างองค์กร
เครือข่ายการเชื่อมต่อประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสามประการดังต่อไปนี้ -
Links- ลิงค์คือสายเคเบิลของเส้นใยแสงหรือสายไฟฟ้าอย่างน้อยหนึ่งเส้นที่มีขั้วต่อที่ปลายแต่ละด้านที่ต่อเข้ากับสวิตช์หรือพอร์ตอินเทอร์เฟซเครือข่าย ด้วยวิธีนี้สัญญาณแอนะล็อกจะถูกส่งจากปลายด้านหนึ่งรับที่อีกด้านหนึ่งเพื่อรับสตรีมข้อมูลดิจิทัลดั้งเดิม
Switches- สวิตช์ประกอบด้วยชุดพอร์ตอินพุตและเอาต์พุต "แถบขวาง" ภายในที่เชื่อมต่ออินพุตทั้งหมดกับเอาต์พุตทั้งหมดการบัฟเฟอร์ภายในและตรรกะการควบคุมเพื่อให้มีผลต่อการเชื่อมต่ออินพุตเอาต์พุตในแต่ละช่วงเวลา โดยทั่วไปจำนวนพอร์ตอินพุตจะเท่ากับจำนวนพอร์ตเอาต์พุต
Network Interfaces- อินเทอร์เฟซเครือข่ายทำงานค่อนข้างแตกต่างจากโหนดสวิตช์และอาจเชื่อมต่อผ่านลิงก์พิเศษ อินเทอร์เฟซเครือข่ายจัดรูปแบบแพ็กเก็ตและสร้างข้อมูลการกำหนดเส้นทางและการควบคุม อาจมีบัฟเฟอร์อินพุตและเอาต์พุตเมื่อเทียบกับสวิตช์ อาจทำการตรวจสอบข้อผิดพลาดจากต้นทางถึงปลายทางและการควบคุมการไหล ดังนั้นต้นทุนจึงขึ้นอยู่กับความซับซ้อนในการประมวลผลความจุในการจัดเก็บและจำนวนพอร์ต
เครือข่ายเชื่อมต่อ
เครือข่ายการเชื่อมต่อประกอบด้วยองค์ประกอบการสลับ โทโพโลยีเป็นรูปแบบในการเชื่อมต่อสวิตช์แต่ละตัวกับองค์ประกอบอื่น ๆ เช่นโปรเซสเซอร์หน่วยความจำและสวิตช์อื่น ๆ เครือข่ายอนุญาตให้แลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างโปรเซสเซอร์ในระบบคู่ขนาน
Direct connection networks- เครือข่ายโดยตรงมีการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดระหว่างโหนดใกล้เคียง เครือข่ายเหล่านี้เป็นแบบคงที่ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดได้รับการแก้ไข ตัวอย่างบางส่วนของเครือข่ายโดยตรง ได้แก่ วงแหวนตาข่ายและลูกบาศก์
Indirect connection networks- เครือข่ายทางอ้อมไม่มีเพื่อนบ้านที่ตายตัว โทโพโลยีการสื่อสารสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการของแอปพลิเคชัน เครือข่ายทางอ้อมสามารถแบ่งย่อยออกเป็นสามส่วน ได้แก่ เครือข่ายบัสเครือข่ายหลายขั้นตอนและสวิตช์คานขวาง
Bus networks- เครือข่ายบัสประกอบด้วยเส้นบิตจำนวนหนึ่งซึ่งเชื่อมต่อกับทรัพยากรจำนวนหนึ่ง เมื่อบัสใช้เส้นทางกายภาพเดียวกันสำหรับข้อมูลและแอดเดรสข้อมูลและบรรทัดแอดเดรสจะเป็นมัลติเพล็กซ์เวลา เมื่อมีบัสโทหลายคนติดอยู่กับบัสจำเป็นต้องมีผู้ชี้ขาด
Multistage networks- เครือข่ายหลายขั้นตอนประกอบด้วยสวิตช์หลายขั้นตอน ประกอบด้วยสวิตช์ 'axb' ซึ่งเชื่อมต่อโดยใช้รูปแบบการเชื่อมต่อระหว่างเวที (ISC) โดยเฉพาะ องค์ประกอบสวิตช์ 2x2 ขนาดเล็กเป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับเครือข่ายหลายขั้นตอน จำนวนขั้นตอนกำหนดความล่าช้าของเครือข่าย ด้วยการเลือกรูปแบบการเชื่อมต่อระหว่างขั้นตอนที่แตกต่างกันสามารถสร้างเครือข่ายหลายขั้นตอนประเภทต่างๆได้
Crossbar switches- สวิตช์คานประตูประกอบด้วยเมทริกซ์ขององค์ประกอบสวิตช์ธรรมดาที่สามารถเปิดและปิดเพื่อสร้างหรือทำลายการเชื่อมต่อ การเปิดองค์ประกอบสวิตช์ในเมทริกซ์การเชื่อมต่อระหว่างโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำสามารถทำได้ สวิตช์คานขวางไม่ใช่การปิดกั้นนั่นคือการเรียงสับเปลี่ยนการสื่อสารทั้งหมดสามารถทำได้โดยไม่ต้องปิดกั้น
การประเมิน Design Trade-offs ใน Network Topology
หากปัญหาหลักคือระยะการกำหนดเส้นทางมิติข้อมูลจะต้องถูกขยายให้ใหญ่สุดและสร้างไฮเปอร์คิวบ์ ในการกำหนดเส้นทางแบบจัดเก็บและส่งต่อโดยสมมติว่าระดับของสวิตช์และจำนวนลิงก์ไม่ใช่ปัจจัยด้านต้นทุนที่สำคัญและจำนวนลิงก์หรือระดับสวิตช์เป็นต้นทุนหลักมิติข้อมูลจะต้องถูกย่อให้เล็กที่สุดและตาข่าย สร้างขึ้น
ในกรณีที่เลวร้ายที่สุดรูปแบบการรับส่งข้อมูลสำหรับแต่ละเครือข่ายขอแนะนำให้มีเครือข่ายมิติสูงซึ่งเส้นทางทั้งหมดสั้น ในรูปแบบที่แต่ละโหนดสื่อสารกับเพื่อนบ้านใกล้เคียงเพียงหนึ่งหรือสองตัวควรมีเครือข่ายมิติต่ำเนื่องจากมีการใช้มิติข้อมูลเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
การกำหนดเส้นทาง
อัลกอริธึมการกำหนดเส้นทางของเครือข่ายจะกำหนดเส้นทางที่เป็นไปได้จากต้นทางไปยังปลายทางที่ใช้เป็นเส้นทางและวิธีกำหนดเส้นทางตามด้วยแต่ละแพ็กเก็ตโดยเฉพาะ การกำหนดเส้นทางใบสั่งมิติ จำกัด ชุดของเส้นทางกฎหมายเพื่อให้มีหนึ่งเส้นทางจากแต่ละต้นทางไปยังแต่ละปลายทาง สิ่งที่ได้รับจากการเดินทางระยะทางที่ถูกต้องในมิติลำดับสูงก่อนจากนั้นมิติถัดไปและอื่น ๆ
กลไกการกำหนดเส้นทาง
เลขคณิตการเลือกพอร์ตตามแหล่งที่มาและการค้นหาตารางเป็นกลไกสามประการที่สวิตช์ความเร็วสูงใช้เพื่อกำหนดช่องสัญญาณเอาต์พุตจากข้อมูลในส่วนหัวของแพ็กเก็ต กลไกทั้งหมดนี้ง่ายกว่าการคำนวณเส้นทางทั่วไปที่ใช้ในเราเตอร์ LAN และ WAN แบบดั้งเดิม ในเครือข่ายคอมพิวเตอร์แบบขนานสวิตช์จำเป็นต้องทำการตัดสินใจกำหนดเส้นทางสำหรับอินพุตทั้งหมดในทุกรอบดังนั้นกลไกจึงต้องง่ายและรวดเร็ว
การกำหนดเส้นทางที่กำหนด
อัลกอริธึมการกำหนดเส้นทางจะถูกกำหนดหากเส้นทางที่นำมาจากข้อความถูกกำหนดโดยต้นทางและปลายทางเท่านั้นไม่ใช่โดยการรับส่งข้อมูลอื่นในเครือข่าย หากอัลกอริทึมการกำหนดเส้นทางเลือกเฉพาะเส้นทางที่สั้นที่สุดไปยังปลายทางเท่านั้นมิฉะนั้นจะไม่น้อยที่สุด
Deadlock Freedom
การหยุดชะงักสามารถเกิดขึ้นได้ในสถานการณ์ต่างๆ เมื่อสองโหนดพยายามส่งข้อมูลถึงกันและแต่ละโหนดเริ่มส่งก่อนที่จะได้รับอาจเกิดการชะงักงันแบบ 'head-on' อีกกรณีหนึ่งของการหยุดชะงักเกิดขึ้นเมื่อมีข้อความหลายรายการที่แย่งชิงทรัพยากรภายในเครือข่าย
เทคนิคพื้นฐานในการพิสูจน์เครือข่ายไม่มีการหยุดชะงักคือการล้างการอ้างอิงที่อาจเกิดขึ้นระหว่างช่องสัญญาณอันเป็นผลมาจากข้อความที่เคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายและเพื่อแสดงว่าไม่มีวงจรในกราฟการพึ่งพาช่องสัญญาณโดยรวม ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีรูปแบบการจราจรที่สามารถนำไปสู่การหยุดชะงักได้ วิธีการทั่วไปในการทำเช่นนี้คือการกำหนดหมายเลขทรัพยากรของช่องสัญญาณเพื่อให้เส้นทางทั้งหมดเป็นไปตามลำดับที่เพิ่มขึ้นหรือลดลงโดยเฉพาะเพื่อไม่ให้วงจรการพึ่งพาเกิดขึ้น
สลับการออกแบบ
การออกแบบเครือข่ายขึ้นอยู่กับการออกแบบสวิตช์และวิธีการเชื่อมต่อสวิตช์เข้าด้วยกัน ระดับของสวิตช์กลไกการกำหนดเส้นทางภายในและการบัฟเฟอร์ภายในเป็นตัวกำหนดว่าโทโพโลยีใดที่สามารถรองรับได้และอัลกอริธึมการกำหนดเส้นทางใดที่สามารถนำไปใช้ได้ เช่นเดียวกับส่วนประกอบฮาร์ดแวร์อื่น ๆ ของระบบคอมพิวเตอร์สวิตช์เครือข่ายประกอบด้วยเส้นทางข้อมูลการควบคุมและที่เก็บข้อมูล
พอร์ต
จำนวนพินทั้งหมดคือจำนวนพอร์ตอินพุตและเอาต์พุตทั้งหมดคูณความกว้างของช่องสัญญาณ เนื่องจากเส้นรอบวงของชิปเติบโตขึ้นอย่างช้าๆเมื่อเทียบกับพื้นที่สวิตช์จึงมีแนวโน้มที่จะพิน จำกัด
Datapath ภายใน
ดาต้าพา ธ คือการเชื่อมต่อระหว่างชุดพอร์ตอินพุตและพอร์ตเอาต์พุตทุกพอร์ต โดยทั่วไปเรียกว่า cross-bar ภายใน ครอสบาร์ที่ไม่ปิดกั้นคือช่องที่พอร์ตอินพุตแต่ละพอร์ตสามารถเชื่อมต่อกับเอาต์พุตที่แตกต่างกันในการเรียงสับเปลี่ยนใด ๆ พร้อมกัน
ช่องบัฟเฟอร์
การจัดระเบียบหน่วยเก็บบัฟเฟอร์ภายในสวิตช์มีผลกระทบที่สำคัญต่อประสิทธิภาพของสวิตช์ เราเตอร์และสวิตช์แบบดั้งเดิมมักจะมีบัฟเฟอร์ SRAM หรือ DRAM ขนาดใหญ่ภายนอกกับผ้าสวิตช์ในขณะที่ใน VLSI สวิตช์การบัฟเฟอร์จะอยู่ภายในสวิตช์และมาจากงบประมาณซิลิคอนเช่นเดียวกับดาต้าพา ธ และส่วนควบคุม เมื่อขนาดและความหนาแน่นของชิปเพิ่มขึ้นจะมีการบัฟเฟอร์มากขึ้นและนักออกแบบเครือข่ายก็มีตัวเลือกมากขึ้น แต่อสังหาริมทรัพย์บัฟเฟอร์ยังคงเป็นทางเลือกที่ดีและองค์กรก็มีความสำคัญ
การควบคุมการไหล
เมื่อข้อมูลจำนวนมากไหลในเครือข่ายพยายามที่จะใช้ทรัพยากรเครือข่ายที่แชร์เดียวกันในเวลาเดียวกันต้องดำเนินการบางอย่างเพื่อควบคุมโฟลว์เหล่านี้ หากเราไม่ต้องการสูญเสียข้อมูลใด ๆ ต้องบล็อกบางกระแสขณะที่บางส่วนดำเนินการต่อ
ปัญหาของการควบคุมการไหลเกิดขึ้นในทุกเครือข่ายและในหลายระดับ แต่มีความแตกต่างในเชิงคุณภาพในเครือข่ายคอมพิวเตอร์แบบขนานมากกว่าในเครือข่ายท้องถิ่นและเครือข่ายบริเวณกว้าง ในคอมพิวเตอร์แบบขนานการรับส่งข้อมูลเครือข่ายจะต้องได้รับการส่งมอบอย่างแม่นยำพอ ๆ กับการรับส่งข้อมูลบนบัสและมีโฟลว์แบบขนานจำนวนมากในช่วงเวลาที่สั้นมาก