Thiết kế mạng liên kết
An interconnection networktrong một máy song song chuyển thông tin từ bất kỳ nút nguồn nào đến bất kỳ nút đích mong muốn nào. Tác vụ này phải được hoàn thành với độ trễ càng nhỏ càng tốt. Nó sẽ cho phép một số lượng lớn các chuyển giao như vậy diễn ra đồng thời. Hơn nữa, nó sẽ không đắt so với chi phí của phần còn lại của máy.
Mạng bao gồm các liên kết và chuyển mạch, giúp gửi thông tin từ nút nguồn đến nút đích. Mạng được xác định bởi cấu trúc liên kết, thuật toán định tuyến, chiến lược chuyển mạch và cơ chế điều khiển luồng.
Cơ cấu tổ chức
Mạng kết nối bao gồm ba thành phần cơ bản sau:
Links- Liên kết là cáp gồm một hoặc nhiều sợi quang hoặc dây dẫn điện có đầu nối ở mỗi đầu được gắn với công tắc hoặc cổng giao diện mạng. Thông qua đó, một tín hiệu tương tự được truyền từ một đầu, nhận ở đầu kia để thu được luồng thông tin kỹ thuật số ban đầu.
Switches- Một công tắc bao gồm một tập hợp các cổng đầu vào và đầu ra, một “thanh chéo” bên trong kết nối tất cả đầu vào với tất cả đầu ra, bộ đệm bên trong và logic điều khiển để thực hiện kết nối đầu vào - đầu ra tại từng thời điểm. Nói chung, số lượng cổng đầu vào bằng số lượng cổng đầu ra.
Network Interfaces- Giao diện mạng hoạt động khá khác so với các nút chuyển đổi và có thể được kết nối thông qua các liên kết đặc biệt. Giao diện mạng định dạng các gói và xây dựng thông tin điều khiển và định tuyến. Nó có thể có bộ đệm đầu vào và đầu ra, so với một công tắc. Nó có thể thực hiện kiểm tra lỗi đầu cuối và kiểm soát luồng. Do đó, chi phí của nó bị ảnh hưởng bởi độ phức tạp xử lý, dung lượng lưu trữ và số lượng cổng.
Mạng kết nối
Mạng kết nối bao gồm các phần tử chuyển mạch. Cấu trúc liên kết là mô hình để kết nối các công tắc riêng lẻ với các phần tử khác, như bộ xử lý, bộ nhớ và các công tắc khác. Một mạng cho phép trao đổi dữ liệu giữa các bộ xử lý trong hệ thống song song.
Direct connection networks- Mạng trực tiếp có các kết nối điểm - điểm giữa các nút lân cận. Các mạng này là tĩnh, có nghĩa là các kết nối điểm-điểm là cố định. Một số ví dụ về mạng trực tiếp là vòng, mắt lưới và hình khối.
Indirect connection networks- Mạng gián tiếp không có hàng xóm cố định. Cấu trúc liên kết giao tiếp có thể được thay đổi động dựa trên nhu cầu ứng dụng. Mạng gián tiếp có thể được chia thành ba phần: mạng bus, mạng nhiều tầng và chuyển mạch thanh ngang.
Bus networks- Mạng bus bao gồm một số dòng bit trên đó một số tài nguyên được gắn vào. Khi các bus sử dụng các đường vật lý giống nhau cho dữ liệu và địa chỉ, dữ liệu và các đường địa chỉ được ghép kênh theo thời gian. Khi có nhiều bus-master gắn vào bus, cần có trọng tài.
Multistage networks- Một mạng nhiều tầng bao gồm nhiều tầng chuyển mạch. Nó bao gồm các công tắc 'axb' được kết nối bằng cách sử dụng một mẫu kết nối giữa các tiểu bang (ISC) cụ thể. Phần tử chuyển mạch 2x2 nhỏ là lựa chọn phổ biến cho nhiều mạng đa tầng. Số lượng các giai đoạn xác định độ trễ của mạng. Bằng cách chọn các kiểu kết nối giữa các tiểu bang khác nhau, có thể tạo ra nhiều loại mạng đa tầng khác nhau.
Crossbar switches- Một công tắc xà ngang chứa một ma trận các phần tử công tắc đơn giản có thể bật và tắt để tạo hoặc ngắt kết nối. Bật một phần tử chuyển mạch trong ma trận, kết nối giữa bộ xử lý và bộ nhớ có thể được thực hiện. Công tắc xà ngang là không chặn, tức là tất cả các hoán vị giao tiếp có thể được thực hiện mà không bị chặn.
Đánh giá sự cân bằng thiết kế trong cấu trúc liên kết mạng
Nếu mối quan tâm chính là khoảng cách định tuyến, thì kích thước phải được tối đa hóa và tạo ra một siêu khối. Trong định tuyến lưu trữ và chuyển tiếp, giả sử rằng mức độ của chuyển đổi và số lượng liên kết không phải là một yếu tố chi phí đáng kể và số lượng liên kết hoặc mức độ chuyển đổi là chi phí chính, thì kích thước phải được giảm thiểu và lưới được xây dựng.
Trong trường hợp xấu nhất, mô hình lưu lượng cho mỗi mạng, ưu tiên các mạng có chiều cao, nơi tất cả các đường dẫn đều ngắn. Trong các mẫu mà mỗi nút chỉ giao tiếp với một hoặc hai nút lân cận, thì mạng có chiều thấp được ưu tiên hơn, vì chỉ một số kích thước được sử dụng thực sự.
định tuyến
Thuật toán định tuyến của mạng xác định đường nào trong số các đường có thể từ nguồn đến đích được sử dụng làm các tuyến và cách xác định tuyến theo sau của mỗi gói cụ thể. Định tuyến thứ tự thứ nguyên giới hạn tập hợp các đường dẫn hợp pháp để có chính xác một tuyến đường từ mỗi nguồn đến mỗi đích. Người có được bằng cách đi đúng khoảng cách đầu tiên trong chiều thứ tự cao, sau đó đến chiều tiếp theo, v.v.
Cơ chế định tuyến
Số học, chọn cổng dựa trên nguồn và tra cứu bảng là ba cơ chế mà bộ chuyển mạch tốc độ cao sử dụng để xác định kênh đầu ra từ thông tin trong tiêu đề gói. Tất cả các cơ chế này đơn giản hơn so với kiểu tính toán định tuyến chung được thực hiện trong các bộ định tuyến LAN và WAN truyền thống. Trong các mạng máy tính song song, bộ chuyển mạch cần đưa ra quyết định định tuyến cho tất cả các đầu vào của nó trong mọi chu kỳ, do đó cơ chế cần đơn giản và nhanh chóng.
Định tuyến xác định
Thuật toán định tuyến là xác định nếu lộ trình được thực hiện bởi một thông điệp được xác định riêng bởi nguồn và đích của nó, chứ không phải bởi lưu lượng truy cập khác trong mạng. Nếu một thuật toán định tuyến chỉ chọn các đường đi ngắn nhất đến đích thì nó là tối thiểu, ngược lại thì nó là không tối thiểu.
Tự do bế tắc
Bế tắc có thể xảy ra trong nhiều tình huống khác nhau. Khi hai nút cố gắng gửi dữ liệu cho nhau và mỗi nút bắt đầu gửi trước khi một trong hai nút nhận được, có thể xảy ra tình trạng bế tắc 'đối đầu'. Một trường hợp bế tắc khác xảy ra, khi có nhiều thông báo cạnh tranh tài nguyên trong mạng.
Kỹ thuật cơ bản để chứng minh mạng là không có bế tắc, là xóa các phụ thuộc có thể xảy ra giữa các kênh do kết quả của các thông báo di chuyển qua các mạng và chỉ ra rằng không có chu kỳ nào trong biểu đồ phụ thuộc kênh tổng thể; do đó không có mẫu lưu lượng nào có thể dẫn đến bế tắc. Cách phổ biến của việc này là đánh số tài nguyên kênh sao cho tất cả các tuyến tuân theo một trình tự tăng hoặc giảm cụ thể, để không phát sinh chu kỳ phụ thuộc.
Thiết kế chuyển đổi
Thiết kế của mạng phụ thuộc vào thiết kế của bộ chuyển mạch và cách các bộ chuyển mạch được kết nối với nhau. Mức độ của công tắc, cơ chế định tuyến bên trong và bộ đệm bên trong của nó quyết định những cấu trúc liên kết nào có thể được hỗ trợ và những thuật toán định tuyến nào có thể được triển khai. Giống như bất kỳ thành phần phần cứng nào khác của hệ thống máy tính, switch mạng chứa đường dẫn dữ liệu, điều khiển và lưu trữ.
Các cổng
Tổng số chân thực sự là tổng số cổng đầu vào và đầu ra nhân với chiều rộng kênh. Khi chu vi của chip phát triển chậm so với diện tích, các công tắc có xu hướng bị giới hạn.
Đường dẫn dữ liệu nội bộ
Đường dữ liệu là kết nối giữa từng tập hợp các cổng đầu vào và mọi cổng đầu ra. Nó thường được gọi là thanh ngang bên trong. Một thanh chéo không chặn là một thanh mà mỗi cổng đầu vào có thể được kết nối với một đầu ra riêng biệt trong bất kỳ hoán vị nào đồng thời.
Bộ đệm kênh
Việc tổ chức bộ nhớ đệm trong bộ chuyển mạch có tác động quan trọng đến hiệu suất của bộ chuyển mạch. Các bộ định tuyến và bộ chuyển mạch truyền thống có xu hướng có bộ đệm SRAM hoặc DRAM lớn bên ngoài kết cấu bộ chuyển mạch, trong khi trong VLSI chuyển mạch bộ đệm nằm bên trong bộ chuyển mạch và xuất phát từ cùng một ngân sách silicon như đường dữ liệu và phần điều khiển. Khi kích thước và mật độ chip tăng lên, có nhiều bộ đệm hơn và nhà thiết kế mạng có nhiều lựa chọn hơn, nhưng bất động sản bộ đệm vẫn là lựa chọn hàng đầu và tổ chức của nó là rất quan trọng.
Kiểm soát lưu lượng
Khi nhiều luồng dữ liệu trong mạng cố gắng sử dụng cùng một lúc các tài nguyên mạng được chia sẻ, một số hành động phải được thực hiện để kiểm soát các luồng này. Nếu chúng tôi không muốn mất bất kỳ dữ liệu nào, một số luồng phải bị chặn trong khi các luồng khác vẫn tiếp tục.
Vấn đề kiểm soát luồng phát sinh trong tất cả các mạng và ở nhiều cấp. Nhưng nó khác về chất trong mạng máy tính song song so với mạng cục bộ và mạng diện rộng. Trong các máy tính song song, lưu lượng mạng cần được phân phối chính xác như lưu lượng trên một xe buýt và có một số lượng rất lớn các luồng song song trên quy mô thời gian rất nhỏ.