并行分布式计算 并行机系统互联网络
文章目录
- 并行分布式计算 并行机系统互联网络
- 系统互连
- 分类
- 网络性能指标
- 静态互联网络
- 一维线性阵列 1-D Linear Array
- 二维网孔 / 2-D 网孔 2-D Mesh
- 二叉树
- 超立方
- 总结
- 动态互联网络
- 总线 Bus
- 交叉开关 Crossbar
- 总结
- 标准互联网络
- 光纤分布式数据接口 FDDI
- 快速以太网
- InfiniBand
并行分布式计算 并行机系统互联网络
互联网络:并行计算机系统中各处理器与内存模块等之间数据传输机制。
- 与传统网络不一样,还需要处理 CPU、内存模块等组件的互联,还有系统域网络;
- 主要包含:讲台互联网络、动态互联网络、标准互联网络。
静态互联网络:处理单元之间连接固定,在程序执行期间保持不变。
- 典型静态网络有:一维线性阵列、二维网孔、树连接、超立方网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等;
- 优点:静态网络中,对机器可以是硬编码,网络稳定使得算法可以对网络做出特殊优化,协议的选择方便;
- 缺点:不能扩展(不过大型的集群往往不经常扩展)
动态网络:由交叉开关构成,可按应用程序的要求动态地改变连接组态
- 典型动态网络有:总西安、交叉开关、多级互联网络等;
- 优点:能够适应不同的算法;
- 缺点:交叉开关成本高,难以解决广播的问题;
系统互连
分类
每个节点内:处理器总线、局部总线、存储器总线、IO总线
节点之间:
- 系统域网络(SAN):3-25m;
- 局域网(LAN):500-2000m;
- 城域网(MAN):> 25km;
- 广域网(WAN):全球
网络性能指标
节点度:射入或射出一个节点的边数。在单向网络中,入射和出射边之和称为节点度。
- 节点度大的时候,传输速度快,但是控制起来麻烦。
网络直径:网络中任意两个几点之间的最长距离,即最大路径数。
- 网络直径越小越好(比如考虑能不能在降低节点度的同时保持网络直径不上升)
对剖宽度:对分网络各半所必须移除的最少边数。对剖宽度是网络连通度的衡量。
对剖带宽:每秒钟,在最小的对剖平面上,通过所有连线的最大信息位数(如字节数)
对称的:如果从任一节点观察网络都一样,则称网络为对称的。
静态互联网络
一维线性阵列 1-D Linear Array
特点:
- 并行机中最简单、最基本的互联方式
- 每个节点只与其左、右近邻相连,也叫二近邻连接;
- 外节点度为 1,内节点度为 2,直径为 N − 1 N-1 N−1 ,对剖宽度为 1
变型:首尾节点相连可以构成循环移位器,在拓扑结构上等同于环,环可以是单向的或双向的。节点度恒为 2,直径为 ⌊ N 2 ⌋ \lfloor \frac{N}{2} \rfloor ⌊2N⌋ (双向环)或 N − 1 N-1 N−1 (单向环),对剖宽度为 2;
优点:集群数量不多的情况下,一维线性的循环位移器成本低;
缺点:网络直径大、延迟高;
大概长成这样子:
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二维网孔 / 2-D 网孔 2-D Mesh
特点:几十台机器的量级时常使用的网络
- 每个节点与其上下左右的近邻相连(边界节点除外),节点度为 4,网络直径为 2 ( N − 1 ) 2(\sqrt{N}-1) 2(N −1) (就是比如从左上角的节点到右下角的节点),对剖宽度为 N \sqrt{N} N ;
变型:
- Illiac 网孔:垂直方向上环绕,水平方向上蛇形,节点度恒为 4,网络直径为 N − 1 \sqrt{N}-1 N −1 (同一列的第一和最后一个节点),对剖宽度为 2 N 2\sqrt{N} 2N (除了直接相连的边,还有每个垂直带上的环绕的边)
- 2-D Torus / 2-D 环绕:垂直和水平方向上均环绕,节点度恒为 4,网络直径为 2 ⌊ N 2 ⌋ 2\lfloor \frac{\sqrt{N}}{2} \rfloor 2⌊2N ⌋ (水平方向和垂直方向上坐标正好差整个网络边长一半的两个节点),对剖宽度为 2 N 2\sqrt{N} 2N (除了直接相连的边,还有每个垂直带上的环绕的边)
二叉树
特点:
- 除了根、叶节点,每个内节点只与其父节点和两个子节点相连;
- 节点度为 3,对剖宽度为 1(断开根节点的其中一条边就可以将网络分成等大的两部分),树的直径为 2 ( ⌈ log N ⌉ − 1 ) 2(\lceil \log{N} \rceil-1) 2(⌈logN⌉−1) (分别属于根节点的不同子树的两个最深的叶子节点)
变型:
- 星形网络:增大节点度数到最大,则直径缩小为 2,对剖宽度为 ⌊ N 2 ⌋ \lfloor \frac{N}{2} \rfloor ⌊2N⌋ (就是断开 ⌊ N 2 ⌋ \lfloor \frac{N}{2} \rfloor ⌊2N⌋ 个子节点的边)
- 胖树:节点的通路自叶向根逐渐变宽,可以适应树状结构的特殊算法,适用度高,常用来构建超大型集群(如超算)
缺点:传统二叉树的根节点的线路容易成为通信瓶颈(胖树就是为了解决这一点)
超立方
特点: n n n-立方由 N = 2 n N=2^n N=2n 个节点构成,节点度为 n n n ,网络直径也是 n n n ,而对剖宽度为 N 2 \frac{N}{2} 2N ;
变型:每个节点替换为由 n n n 个节点构成的环,此时每个顶点的度为 3 3 3 ,而不是 n n n ;
优点:对剖宽度高、网络直径小,带宽高、延迟小;
缺点:节点度高,控制起来较为麻烦,维度上升时控制成本上升很快。
总结
动态互联网络
总线 Bus
常见总线有:PCI、VME、Multibus、Sbus、MicroChannel
多处理机总线系统的主要问题包括总线仲裁、中断处理、协议转换、快速同步、高速缓存一致性协议、分事务、总线桥和层次总线扩展等
交叉开关 Crossbar
单级交换网络:可为每个端口提供更高的带宽。交叉点开关可由程序控制动态设置使其处于 “开” 或 “关” 状态,并能提供所有源宿对之间的动态连接。
交叉开关一般有两种使用方式:
- 一种是用于 SMP 或多计算机集群中的处理器之间的通信
- 另一种用于 SMP 服务器或向量超级计算机(我猜是指 PVP)中处理器和存储器之间的存取
单级交叉开关级联起来形成多级互联网络 MIN(Multistage Interconnection Network):
总结
标准互联网络
光纤分布式数据接口 FDDI
特点:
- FDDI 采用双向光纤令牌环,可提供 100-200 Mbps 数据传输速率
- FDDI 具有互联大量设备的能力
- 传统的 FDDI 仅以异步方式操作
快速以太网
已经经历了四代:
- 第一代:1982 年引入的 10Mbps;
- 第二代:1994 年宣布的 100Mbps;
- 第三代:1997 年 IEEE 802.3 工作组宣布的 1Gbps ;
- 第四代:2002 年 IEEE 802.3ae 通过的 10Gbps,并且 2010 年 6 月 IEEE802.3ba 公布了 20-100Gbps;
InfiniBand
Intel及IBM、Compaq、HP等分别提出了“下一代I/O”和“未来I/O”技术,集合了整个业界的努力开发的,能够替代PCI总线的新 I/O 规范。
InfiniBand 是一种交换式通信结构,包括分层结构、基于信息包的通信机制、3种连接速度等技术。
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