网络

7 Net
- 7.1 互联网络基本概念
- - 7.1.1 互连网络的作用
  - 7.1.2 互联函数
  - 7.1.3 互联网络的特性
  - 7.1.4 互联网络的传输性能参数
- 7.2 互连网络的分类
- 7.3 静态链接网络
- - 1 线性阵列
  - - 2 环和带弦环
    - 3 循环移数网络
    - 4 树形和星形
    - 5 胖形树
    - 6 网格形与环网形
    - 7 超立方体
- 7.4 动态互联网络
- - 7.4.1 总线网络
  - 7.4.2 交叉开关网络
  - - 单级开关网络
    - 多级互联网络
    - 1 多级立方体网络
    - 2 Omege网络多级混洗交换网络
    - 3 多级PM2I网络
- 7.5 阵列处理机
- - 分布式存储器的阵列处理机构形
  - 集中式共享存储器的阵列处理机构形
- 7.6 脉动阵列流水处理机
- - 两种通信方式
- 7.7 消息传递机制
- - 7.7.1 消息寻径方案
  - - 1 消息的格式
    - 2 消息寻径方式
    - 线路交换
    - 存储转发
    - 虚拟直通
    - 虫蚀寻径
  - 7.7.2 流控制策略
  - - 确定性寻径和自适应寻径
  - 7.7.4 选播和广播寻径算法
  - - 1 4种通信模式

7 Net

7.1 互联网络基本概念

7.1.1 互连网络的作用

互联网络，由开关元件按照一定拓扑结构核控制方式构成的网络，实现计算机系统中节点之间的相互连接
节点：处理器，存储模块，或者其他设备
互连网络已成为并行处理系统的核心组成部分
互连网络对整个计算机系统的性能价格比有着决定性的影响
三大要素：互联结构，开关元件，控制方式

7.1.2 互联函数

互联函数表述输入端号和输出端号之间一一对应关系， f(x)
设 n=log2Nn = log_2Nn=log2N，用n位二进制数来表述N个输入端和输出端的二进制地址，互联函数表示为 f(xn−1xn−2...x1x0)f(x_{n-1}x_{n-2}...x_1x_0)f(xn−1xn−2...x1x0)

恒等函数

交换函数：实现二进制地址编码中第k位互反的输入端和输出端之间的连接

均匀洗牌函数 shuffle：移动最高位到第0位，实现效果为前后分两半，交叉连接到输出端。

子洗牌（子混洗）：之后第 k位进行洗牌
超洗牌（超混洗）：只有高k位混洗

蝶式互联函数 Butterfly：输入端二进制编号最高位和最低为互换位置
子蝶式：只在低k位进行互换
超蝶式：只在高k位进行互换

反序位函数 Bit Reversal：将输入二年禁止编号位序颠倒
子反序位：即把输入端的二进制编号的低k位中各位的次序颠倒过来
超反序位：将二进制编号高k位颠倒

移位函数：将输入端都错开一定位置后连接到输出端

PM2I函数： P和M分别代表加和减，2I表示2i2^i2i,又称加减2i2^i2i函数
将输入端都错开一定位置后连接到输出端。

7.1.3 互联网络的特性

7.1.4 互联网络的传输性能参数

总延时 = 发送方开销 + 飞行时间 + 消息长度/频带宽度 + 接受方开销

7.2 互连网络的分类

静态互联网络：给节点之间有固定的连接通路、且在运行中不能改变的网络
动态互联网络：由交换开关组成、可按运行程序的要求动态地改变连接状态的网络

7.3 静态链接网络

1 线性阵列

一种一维的线性网络，其中N个节点传一行

端点的度： 1
其余节点度：2
直径： N-1
等分宽度：b=1

2 环和带弦环

对称
节点的度：2
双向环的直径：N/2
单向环直径：N
环的等分宽度 b = 2

全连接环

3 循环移数网络

再换上每个节点到与其距离为2的整数幂的节点之间加一条链

4 树形和星形

星形：

可靠性比较低,征信节点出故障，整个系统会瘫痪。

5 胖形树

6 网格形与环网形

7 超立方体

7.4 动态互联网络

7.4.1 总线网络

由一组导线和插座构成，经常被用来实现计算机系统中处理机模块、存储模块和外围设备等之间的互连。
总线只能用于一个源到一个或多个目的啊之间一回处理一次业务
多个模块之间争用总线、或时分总线

特点
结构简单、实现成本低、贷款窄
总线提供公共通路
系统总线通常设置在印刷电路板底板上。处理器板、存储器板和设备接口板都通过插座或电缆插入底板。

解决总线带宽较窄问题;

多总线： 1 为不同功能设置专门总线 2 重复设置相同功能的总线
多层次总线，按层次的架构设置不同总线，使得不同速度的模块有比较适合的总线连接

7.4.2 交叉开关网络

单级开关网络

多级互联网络

MIN multistafe interconnection network

ISC 级间连接是固定的

MIN 的区别在于开关模块、控制方式、级间互联模式

控制方式：

级控制：每级的所有开关只用一个控制信号控制，同时处在同一种状态
单元控制：每个开关都有独立的控制信号
部分控制：第i级所有开关，分别用 i+1个信号控制

级间互联：均匀洗牌、蝶式、多路洗牌、纵横交叉、立方体连接等

1 多级立方体网络

多级立方体网络包括 STRAN网络 和 间接二进制n立方体网络

两者不同：仅控制方式 不同，STRAN 网络采用级控制和部分级控制，而间接二进制n立方体网络采用单元控制，具有更大灵活性。
共同点：都是用二功能（直送、交换）的 2*2开关；当第 i 级
（0 ≤ i≤ n − 1）交换开关处于交换状态时第 i 级间采用 CubeiCube_iCubei互联函数

一个N输入的多级立方体网络有log2N级，每级用N/2个2×2开关模
块，共需要log2N×N/2个开关

2 Omege网络多级混洗交换网络

88 的Omega网络，每级有 4个4功能的22开关，级间互联采用均匀洗牌的连接方式。

3 多级PM2I网络

可以提供冗余路径，便于电路继承，提高可靠性

控制三种连接线的信号分别被称为 平控H、下控D和上控U

7.5 阵列处理机

分布式存储器的阵列处理机构形

各处理单元设有剧本存储器PEM，存放被分布的数据；只能被本处理单元直接访问
控制部件CU设有存放程序和数据的主存储器
整个系统在CU控制下运行用户程序和部分系统程序
处理单元之间可通过互联网络ICN
目前大部分真累处理及是基于分布式存储器模型的系统

集中式共享存储器的阵列处理机构形

存储器由K个存储体集中组成，经互联网络ICN为全部N个处理单元共享
互联网络用于处理单元和存储体分体之间进行转接而构成数据通路

共享主存构形的阵列处理机中并行存储器的无冲突访问

7.6 脉动阵列流水处理机

脉动阵列结构有一组吹单元（PE）构成的阵列
每个PE内部就够相同
震雷内所有PE的数据所存收一个时钟控制
运算时，市局在阵列结构中各个PE间沿各自方向同步向前推进

两种通信方式

各个PE只接受前一组PE传来的数据，并向后一组PE发送数据
只有位于阵列边缘的处理单元，才与存储器或I/O端口进行数据交互

结构简单、规整，速度快，可扩充，适合超大规模集成电路实现
PE见数据通信距离短、规则，施舍拘留和控制流的设计、同步控制简单规则
计算并行性高，通过流水获得很高的运算效率和吞吐率。
减轻了阵列和外界的I/O通信量
脉动阵列的构型与特定计算任务和算法密切相关
通用脉动阵列结构，关键因素：受阵列结构的通用性及I/O带宽约束所限制的阵列结构的规模大小

7.7 消息传递机制

源节点和目的节点之间没有直接相连的时候，消息需要经过中间节点的转发。寻径，也叫路由。

7.7.1 消息寻径方案

1 消息的格式

消息：节点之间进行通信的逻辑单位

包是包含寻径所需目的地址的基本单位，不同的包可能异步道道目的节点。每个包都分配一个序号，一百年报道大目的节点候能重新组装出消息
包进一步分成更小的长度固定的片，寻径信息和包秀娥好形成包头片，其余为数据片。

2 消息寻径方式

线路交换

先建立一条物理通路，在传递信息

优点：传输带宽大，平均传输延迟较小，使用缓冲区性较小，适合于具有动态和突发性的大规模并行处理数据的传送
缺点：需要频繁地建立源节点到目的节点的物理通路，时间开销会很大

存储转发

包是信息传递的基本单位，从源节点经过一系列中介按揭带你到达目的节点
当一个包到达一个中间结点时，它首先被存放到缓冲区，当所要求的的输出通道和接收结点的包缓冲区可用时，再将它传送给下一个结点
优点：占用物理通路的时间比较短
缺点：包缓冲区打，时延大

虚拟直通

为减少时延，没有必要等到整个消息全部缓冲后再进行路由选择，只接收到
用作寻径的消息头部即可判断

虫蚀寻径

优点：每个结点的缓冲区较小；较低的网络传输时延；通道共享性好，利用率高；易于实现选播和广播通信方式。 主要是信道利用率高了，所以快
缺点：当消息的一个片被阻塞时，整个消息都被阻塞。

7.7.2 流控制策略

确定性寻径和自适应寻径

确定性寻径：通信路径完全由源节点地址和目的地址来决定，即寻径路径是预先唯一地确定好了的，而与网络的状况无关
自适应寻径：通信的通路每一次都要根据资源或者网络的情况来选择。可以避开拥挤的或者有故障的节点，是网络的利用率得到改善

两种确定性寻径算法

在维序概念上，按照特定的顺序线则后继通道
在二维网格中，称为 X-Y寻径，在超立方体网格中称为E立方体寻径
二维网格中，先沿X轴方向前进，再沿Y轴方向前进

也就是说，从 i =0 到 n-1，判断 S=(sn−1sn−2...s1s0)d=dn−1dn−2...d1d0S = (s_{n-1}s_{n-2}...s_1s_0) \quad d={d_{n-1}d_{n-2}...d_1d_0}S=(sn−1sn−2...s1s0)d=dn−1dn−2...d1d0 第 i 位是否相等，不相等则变第 i 位都得到路径下一个节点 v

7.7.4 选播和广播寻径算法

1 4种通信模式

单播：一对一
选拨：一对多
广播：一到全体
会议：多对多

两个参数

通道流量：传输消息有关的通道数
通信时延：包的最大传输时间

优化的寻径网络应能以最小流量和最小时延实现相关的通信模式

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