Статические и динамические топологии сетей

Статические и динамические топологии и маршрутизация коммуникационных систем

В первой половине 2002 года была представлена технология Hyper-Threading на процессоре Intel Xeon. Эта разработка позволяла обрабатывать данные в многопоточном режиме. Команды пересылки данных разбивались на параллельные потоки за счет архитектурного дублирования регистров микропроцессорных схем. Т.е. один процессор мог обрабатывать данные в таком режиме, как работают два процессора со своими потоками команд и наборами данных. Сейчас возможен выпуск полностью многопоточных процессоров, аналогичных архитектуре Terra MTA.

Исходя из задач, решаемых суперЭВМ, требования к памяти не только выше, чем у обычных ЭВМ, но их еще и больше. Т.к. приложения для высокопроизводительных ЭВМ должны работать с большим количеством данных, охватывать большой объем ресурсов, обработка происходит длительное время (это связано с длительным циклом обработки), то память должна отвечать следующим критериям:

Иметь максимальный объем памяти.

Обеспечивать возможность асинхронного ввода-вывода.

Иметь возможность организовать массивное хранилище данных.

Обеспечивать высокоскоростной ввод-вывод.

Иметь возможность передачи данных удаленным системам.

Преобразовывать данные для различных технических средств.

Одним из важнейших элементов архитектуры высокопроизводитель­ных ЭВМ является коммуникационная сеть. Благодаря ей можно связать процессоры между собой, с памятью и другими устройствами. Существуют две основные топологии сетей – статические и динамические.

Как только к сетевым устройствам был добавлен переключатель, появилась возможность организовывать многокаскадные сети.

Основным отличием статических топологий от динамических является то, что все соединения в такой сети фиксированы. У динамических топологий в межпроцессорных соединениях используются переключатели. Говоря о топологиях вообще (о локальных сетях) можно выделить следующие (см. рис.2.3.):

Шина (1) – обмен происходит через единственную шину. Она, как правило становится узким местом.

Звезда(2) – обмен информацией идет через концентратор.

Кольцо(3) – информация запускается в кольцо и циркулирует по нему до тех пор, пока не придет к нужному адресату (сигнал идет в одном направлении).

Многокаскадные и многосвязные сети (они являются комбинацией предыдущих).

Рис. 2.3. Сетевые топологии [7]

Рассмотрим случай, когда узлы соединены в по схеме на рис.2.3. Для выбора маршрута передачи данных необходимо выполнить смещение по оси X, затем –Y и в конце – Z. Сетевые маршрутизаторы (аппаратное устройство, находящееся в месте соединения коммуникационных линий, направляющее пакет данных) должны определять путь перемещения пакета данных. Для удобства, каждому узлу присваивают уникальный физический номер, который определяет его положение. Вполне возможен случай, что несколько узлов будут держаться в резерве (так было сделано с компьютером CRAY T3D).

Источник

Глава 12

В основе архитектуры любой многопроцессорной вычислительной системы лежит способность к обмену данными между компонентами этой ВС. Коммуникацион­ная система ВС представляет собой сеть, узлы которой связаны трактами передачи данных — каналами. В роли узлов могут выступать процессоры, модули памяти, устройства ввода/вывода, коммутаторы либо несколько перечисленных элемен­тов, объединенных в группу. Организация внутренних коммуникаций вычисли­тельной системы называется топологией.

Топологию сети межсоединений (CMC) определяет множество узлов N, объе­диненных множеством каналов С. Связь между узлами обычно реализуется по двух­точечной схеме (point-to-point). Любые два узла, связанные каналом связи, назы­вают смежными узлами или соседями. Каждый канал с = (х, у) Є С соединяет один узел-источник (source node) x с одним узлом-получателем (recipient node) у, где х, у Є N. Узел-источник, служащий началом канала с, будем обозначать s_c, а узел-по­лучатель — второй конец канала — r_с. Часто пары узлов соединяют два канала — по одному в каждом направлении. Канал с = (х, у) характеризуется шириной (w_c или w_xy) — числом сигнальных линий; частотой (ƒ_c или ƒ_xy) — скоростью передачи битов по каждой сигнальной линии; задержкой (t_c или t_xy) — временем пересылки бита из узла х в узел у. Для большинства каналов задержка находится в прямой зави­симости от физической длины линии связи (l_с) и скорости распространения сигнала (v): 4 = vt_c. Полоса пропускания канала b_с определяется выражением b_c = w_cƒ_c.

В зависимости от того, остается ли конфигурация взаимосвязей неизменной, по крайней мере пока выполняется определенное задание, различают сети со ста­тической и динамической топологиями. В статических сетях структура взаимосвя­зей фиксирована. В сетях с динамической топологией в процессе вычислений кон­фигурация взаимосвязей с помощью программных средств может быть оперативно изменена.

Узел в сети может быть терминальным, то есть источником или приемником данных, коммутатором, пересылающим информацию с входного порта на выход­ной, или совмещать обе роли. В сетях с непосредственными связями (direct networks)

каждый узел одновременно является как терминальным узлом, так и коммутато­ром, и сообщения пересылаются между терминальными узлами напрямую. В се­тях с косвенными связями (indirect networks) узел может быть либо терминальным, либо коммутатором, но не одновременно, поэтому сообщения передаются опосре­довано, с помощью выделенных коммутирующих узлов. (В дальнейшем для про­стоты изложения позволим называть оба варианта «прямыми» и «косвенными» сетями, также для краткости вместо терминального узла будем говорить «терми­нал», несмотря на некоторую языковую некорректность.) Существуют также та­кие топологии, которые нельзя однозначно причислить ни к прямым, ни к косвен­ным. Любую прямую CMC можно изобразить в виде косвенной, разделив каждый узел на два — терминальный узел и узел коммутации. Современные прямые сети реализуются именно таким образом — коммутатор отделяется от терминального узла и помещается в выделенный маршрутизатор. Основное преимущество пря­мых CMC в том, что коммутатор может использовать ресурсы терминальной час­ти своего узла. Это становится существенным, если учесть, что, как правило, по­следний включает в себя вычислительную машину или процессор.

Тремя важнейшими атрибутами CMC являются:

• стратегия синхронизации;
• стратегия коммутации;
• стратегия управления.

Две возможных стратегии синхронизации операций в сети — это синхронная и асинхронная. В синхронных CMC все действия жестко согласованы во времени, что обеспечивается за счет единого генератора тактовых импульсов (ГТИ), сигна­лы которого одновременно транслируются во все узлы. В асинхронных сетях еди­ного генератора нет, а функции синхронизации распределены по всей системе, причем в разных частях сети часто используются локальные ГТИ. В зависимости от выбранной стратегии коммутации различают сети с комму­тацией соединений и сети с коммутацией пакетов. Как в первом, так и во втором варианте информация пересылается в виде пакета. Пакет представляет собой группу битов, для обозначения которой применяют также термин сообщение. В сетях с коммутацией соединений путем соответствующей установки комму­тирующих элементов сети формируется тракт от узла-источника до узла-получа­теля, сохраняющийся, пока весь доставляемый пакет ни достигнет пункта назна­чения. Пересылка сообщений между определенной парой узлов производится всегда по одному и тому же маршруту. Сети с коммутацией пакетов предполагают, что сообщение самостоятельно на­ходит свой путь к месту назначения. В отличие от сетей с коммутацией соедине­ний, маршрут от исходного пункта к пункту назначения каждый раз может быть иным. Пакет последовательно проходит через узлы сети. Очередной узел запоми­нает принятый пакет в своем буфере временного хранения, анализирует его и де­лает выводы, что с ним делать дальше. В зависимости от загруженности сети при­нимается решение о возможности немедленной пересылки пакета к следующему узлу и о дальнейшем маршруте следования пакета на пути к цели. Если все воз­можные тракты для перемещения пакета к очередному узлу заняты, в буфере узла формируется очередь пакетов, которая «рассасывается» по мере освобождения линий связи между узлами (если очередь также насыщается, согласно одной из стратегий маршрутизации может произойти так называемый «сброс хвоста» (tail drop), отказ от вновь поступающих пакетов). Запросы и адреса в КС. Сигналы «Занято» и «Подтверждение» из КС Рис. 12.1. Структура сети с централизованным управлением CMC можно также классифицировать по тому, как в них организовано управ­ление. В некоторых сетях, особенно с переключением соединений, принято цент­рализованное управление (рис. 12.1). Процессоры посылают запрос на обслужива­ние в единый контроллер сети, который производит арбитраж запросов с учетом заданных приоритетов и устанавливает нужный маршрут. К данному типу следу­ет отнести сети с шинной топологией. Процессорные матрицы также строятся как сети с централизованным управлением, которое осуществляется сигналами от цен­трального процессора. Приведенная схема применима и к сетям с коммутацией пакетов. Здесь тег маршрутизации, хранящийся в заголовке пакета, определяет адрес узла назначения. Большинство из серийно выпускаемых ВС имеют именно этот тип управления. В схемах с децентрализованным управлением функции управления распреде­лены по узлам сети. Вариант с централизацией проще реализуется, но расширение сети в этом слу­чае связано со значительными трудностями. Децентрализованные сети в плане подключения дополнительных узлов значительно гибче, однако взаимодействие узлов в таких сетях существенно сложнее. В ряде сетей связь между узлами обеспечивается посредством множества ком­мутаторов, но существуют также сети с одним коммутатором. Наличие большого числа коммутаторов ведет к увеличению времени передачи сообщения, но позво­ляет использовать простые переключающие элементы. Подобные сети обычно стро­ятся как многоступенчатые.

Источник