Arabağlantı Ağı Tasarımı
Bir interconnection networkparalel bir makinede, herhangi bir kaynak düğümden istenen herhangi bir hedef düğüme bilgi aktarır. Bu görev, olabildiğince küçük bir gecikme ile tamamlanmalıdır. Bu tür transferlerin çok sayıda eşzamanlı olarak gerçekleşmesine izin vermelidir. Ayrıca, makinenin geri kalanının maliyetiyle karşılaştırıldığında ucuz olmalıdır.
Ağ, bilgilerin kaynak düğümden hedef düğüme gönderilmesine yardımcı olan bağlantılardan ve anahtarlardan oluşur. Bir ağ, topolojisi, yönlendirme algoritması, anahtarlama stratejisi ve akış kontrol mekanizması ile belirlenir.
Örgütsel yapı
Ara bağlantı ağları aşağıdaki üç temel bileşenden oluşur:
Links- Bağlantı, her iki ucunda bir anahtara veya ağ arabirim bağlantı noktasına bağlı bir konektör bulunan bir veya daha fazla optik fiber veya elektrik kablosundan oluşan bir kablodur. Bu sayede, orijinal dijital bilgi akışını elde etmek için bir uçtan analog bir sinyal iletilir, diğer uçtan alınır.
Switches- Anahtar, bir dizi giriş ve çıkış portundan, tüm girişleri tüm çıkışlara bağlayan dahili bir "çapraz çubuk", dahili ara belleğe alma ve zaman içindeki her noktada giriş-çıkış bağlantısını etkilemek için kontrol mantığından oluşur. Genel olarak, giriş portlarının sayısı çıkış portlarının sayısına eşittir.
Network Interfaces- Ağ arayüzü, anahtar düğümlerinden oldukça farklı davranır ve özel bağlantılar yoluyla bağlanabilir. Ağ arayüzü paketleri biçimlendirir ve yönlendirme ve kontrol bilgilerini oluşturur. Bir anahtara kıyasla giriş ve çıkış tamponlamasına sahip olabilir. Uçtan uca hata kontrolü ve akış kontrolü yapabilir. Dolayısıyla, maliyeti, işlem karmaşıklığından, depolama kapasitesinden ve bağlantı noktası sayısından etkilenir.
Arabağlantı Ağı
Ara bağlantı ağları anahtarlama elemanlarından oluşur. Topoloji, tek tek anahtarları işlemciler, bellekler ve diğer anahtarlar gibi diğer öğelere bağlayan modeldir. Bir ağ, paralel sistemdeki işlemciler arasında veri alışverişine izin verir.
Direct connection networks- Doğrudan ağlar, komşu düğümler arasında noktadan noktaya bağlantılara sahiptir. Bu ağlar statiktir, bu da noktadan noktaya bağlantıların sabitlendiği anlamına gelir. Doğrudan ağlara bazı örnekler halkalar, ağlar ve küplerdir.
Indirect connection networks- Dolaylı ağların sabit komşuları yoktur. İletişim topolojisi, uygulama taleplerine göre dinamik olarak değiştirilebilir. Dolaylı ağlar üç bölüme ayrılabilir: veri yolu ağları, çok aşamalı ağlar ve çapraz çubuk anahtarları.
Bus networks- Bir veri yolu ağı, üzerine bir dizi kaynağın eklendiği bir dizi bit satırından oluşur. Otobüsler veri ve adresler için aynı fiziksel hatları kullandığında, veri ve adres hatları zaman çoklamasına tabi tutulur. Otobüse bağlı birden fazla bus-master olduğunda, bir hakem gereklidir.
Multistage networks- Çok aşamalı bir ağ, birden çok anahtar aşamasından oluşur. Belirli bir kademeler arası bağlantı modeli (ISC) kullanılarak bağlanan 'axb' anahtarlarından oluşur. Küçük 2x2 anahtar öğeleri, birçok çok aşamalı ağ için ortak bir seçimdir. Aşama sayısı ağın gecikmesini belirler. Farklı aşamalar arası bağlantı modellerini seçerek, çeşitli çok aşamalı ağ türleri oluşturulabilir.
Crossbar switches- Bir çapraz çubuk anahtarı, bir bağlantı oluşturmak veya kesmek için açılıp kapanabilen basit anahtar öğelerinden oluşan bir matris içerir. Matristeki bir anahtar elemanını açarak, bir işlemci ve bir bellek arasında bir bağlantı kurulabilir. Çapraz çubuk anahtarları engellemez, yani tüm iletişim permütasyonları engellemeden gerçekleştirilebilir.
Ağ Topolojisinde Tasarım Ödünleşimlerinin Değerlendirilmesi
Ana sorun yönlendirme mesafesi ise, boyut maksimize edilmeli ve bir hiperküp yapılmalıdır. Depola ve ilet yönlendirmede, anahtarın derecesinin ve bağlantı sayısının önemli bir maliyet faktörü olmadığı ve bağlantıların sayısının veya geçiş derecesinin ana maliyetler olduğu varsayılarak, boyut en aza indirilmeli ve bir ağ inşa edilmiş.
Her ağ için en kötü durumda trafik örüntüsü, tüm yolların kısa olduğu yüksek boyutlu ağlara sahip olmak tercih edilir. Her düğümün yalnızca bir veya iki yakın komşuyla iletişim kurduğu modellerde, boyutların yalnızca birkaçı gerçekten kullanıldığı için düşük boyutlu ağlara sahip olmak tercih edilir.
Yönlendirme
Bir ağın yönlendirme algoritması, kaynaktan hedefe olası yollardan hangisinin yol olarak kullanıldığını ve her bir belirli paketin izlediği yolun nasıl belirlendiğini belirler. Boyut sırası yönlendirmesi, her bir kaynaktan her hedefe tam olarak bir yol olacak şekilde yasal yollar kümesini sınırlar. Önce yüksek dereceli boyutta doğru mesafeyi, ardından sonraki boyutta seyahat ederek elde edilen.
Yönlendirme Mekanizmaları
Aritmetik, kaynak tabanlı bağlantı noktası seçimi ve tablo arama, yüksek hızlı anahtarların paket başlığındaki bilgilerden çıkış kanalını belirlemek için kullandıkları üç mekanizmadır. Tüm bu mekanizmalar, geleneksel LAN ve WAN yönlendiricilerinde uygulanan genel yönlendirme hesaplamalarından daha basittir. Paralel bilgisayar ağlarında, anahtarın her döngüde tüm girdileri için yönlendirme kararını vermesi gerekir, bu nedenle mekanizmanın basit ve hızlı olması gerekir.
Deterministik Yönlendirme
Bir mesaj tarafından alınan yol, ağdaki diğer trafik tarafından değil, yalnızca kaynağı ve hedefi tarafından belirleniyorsa, bir yönlendirme algoritması belirleyicidir. Bir yönlendirme algoritması hedefe doğru yalnızca en kısa yolları seçerse, minimumdur, aksi takdirde minimal değildir.
Deadlock Freedom
Kilitlenme çeşitli durumlarda ortaya çıkabilir. İki düğüm birbirine veri göndermeye çalıştığında ve her ikisi de almadan önce göndermeye başladığında, bir 'kafa kafaya' kilitlenme meydana gelebilir. Ağ içindeki kaynaklar için rekabet eden birden fazla mesaj olduğunda başka bir kilitlenme durumu ortaya çıkar.
Bir ağın kilitlenmemesi için temel teknik, ağlar boyunca hareket eden mesajların bir sonucu olarak kanallar arasında oluşabilecek bağımlılıkları temizlemek ve genel kanal bağımlılık grafiğinde döngü olmadığını göstermektir; dolayısıyla bir kilitlenmeye yol açabilecek hiçbir trafik düzeni yoktur. Bunu yapmanın yaygın yolu, kanal kaynaklarını, tüm yollar belirli bir artan veya azalan dizileri takip edecek ve böylece hiçbir bağımlılık döngüsü ortaya çıkmayacak şekilde numaralandırmaktır.
Anahtar Tasarımı
Bir ağın tasarımı, anahtarın tasarımına ve anahtarların birbirine nasıl bağlanacağına bağlıdır. Anahtarın derecesi, dahili yönlendirme mekanizmaları ve dahili arabelleği, hangi topolojilerin desteklenebileceğine ve hangi yönlendirme algoritmalarının uygulanabileceğine karar verir. Bir bilgisayar sisteminin diğer herhangi bir donanım bileşeni gibi, bir ağ anahtarı da veri yolu, kontrol ve depolamayı içerir.
Portlar
Toplam pin sayısı aslında toplam giriş ve çıkış portu sayısının kanal genişliğinin çarpımıdır. Çipin çevresi bölgeye göre yavaş büyüdüğünden, anahtarlar pin sınırlı olma eğilimindedir.
Dahili Veri Yolu
Veri yolu, her bir giriş bağlantı noktası seti ile her çıkış bağlantı noktası arasındaki bağlantıdır. Genellikle iç çapraz çubuk olarak adlandırılır. Engellemeyen bir çapraz çubuk, her giriş bağlantı noktasının aynı anda herhangi bir permütasyonda farklı bir çıkışa bağlanabildiği bir çapraz çubuktur.
Kanal Tamponları
Anahtar içindeki arabellek depolamanın organizasyonu, anahtar performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Geleneksel yönlendiriciler ve anahtarlar, anahtar yapısının dışında büyük SRAM veya DRAM arabelleklerine sahip olma eğilimindeyken, VLSI anahtarlarda arabellekleme anahtarın içindedir ve veri yolu ve kontrol bölümü ile aynı silikon bütçesinden çıkar. Yonga boyutu ve yoğunluğu arttıkça, daha fazla arabellekleme kullanılabilir ve ağ tasarımcısının daha fazla seçeneği vardır, ancak yine de arabellek gayrimenkulü birinci tercih olarak gelir ve organizasyonu önemlidir.
Akış kontrolü
Ağdaki birden fazla veri akışı, aynı paylaşılan ağ kaynaklarını aynı anda kullanmaya çalıştığında, bu akışları kontrol etmek için bazı eylemlerin gerçekleştirilmesi gerekir. Herhangi bir veriyi kaybetmek istemiyorsak, diğerleri devam ederken bazı akışların engellenmesi gerekir.
Akış kontrolü sorunu tüm ağlarda ve birçok düzeyde ortaya çıkar. Ancak paralel bilgisayar ağlarında yerel ve geniş alan ağlarından niteliksel olarak farklıdır. Paralel bilgisayarlarda, ağ trafiğinin bir veriyolu üzerindeki trafik kadar doğru bir şekilde iletilmesi gerekir ve çok küçük bir ölçekte çok sayıda paralel akış vardır.