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第三章 互连网络
第三章 互连网络 1
3.1引言 2
3.1.1系统互连 2
3.1.2网络部件 3
3.1.3网络的性能指标 4
3.2静态互连网络 6
3.2.1典型的互连网络 6
3.2.2静态互连网络综合比较 8
3.3动态互连网络 9
3.3.1多处理机总线 9
3.3.2交叉开关 11
3.3.3多级互连网络 12
3.3.4动态互连网络比较 14
3.4机群中的互连技术 16
3.4.1 Myrinet 16
3.4.2 HiPPI和超级HiPPI 17
3.4.3光纤通道和FDDI环 20
3.4.4异步传输模式ATM 22
3.4.5可扩展一致性接口SCI 27
3.4.6 以太网 32
3.5选路与死锁 33
3.5.1信包传输方式 33
3.5.2选路算法 35
3.5.3死锁避免 39
*3.6流量控制 41
3.6.1链路层流量控制 41
3.6.2端-到-端流量控制 43
3.7交换开关的设计 44
3.7.1端口 44
3.7.2内部数据路径 45
3.7.3通道缓冲区 45
3.7.4输出调度 48
3.8实例研究 48
3.9小结 50
习题 50
参考文献 53
传统的并行机互连网络,主要是进行处理器、存储器和I/O设备之间的互连,包括静态互连网络和动态互连网络。机群作为现代并行机系统的一种重要类型,其互连网络主要连接诸独立的完整的计算机节点,通常是采用高速商用网络,如快速以太网、ATM等。本章,我们首先将介绍静态互连网络、动态互连网络和用在机群系统互连中的网络技术;然后介绍并行机中互连网络的一些设计问题,包括选路算法、流量控制、交换开关设计等。
3.1引言
3.1.1系统互连
在扩展的多处理机、多计算机机群或分布式系统中,各个组成模块如桌面主机、服务器、交换开关、网络、适配卡、外部设备等,都可以系统总线、I/O总线、交叉开关或多级开关互连之。这些系统互连常在计算机平台单机架底板上看到,或者限制使用在同室内少数互连机架内。如图3.1所示,12种网络技术映射在二维空间中。其中,水平轴自左向右网络距离逐渐增大,垂直轴代表单位时间内网络可传输的最大信息量,也即网络带宽。
图3.1 系统互连和网络拓扑
如图3.2所示,一个系统域网络SAN(System Area Network)可以将短距离内(3~25m)内的不同节点连接起来形成单一系统;多个系统可以用一个建筑物、校园或企业(500m~2000m)的局域网络LAN(Local Area Network)相连构成一个完整系统。在每个节点内,处理器芯片引脚形成了处理器总线;局部(本地)总线,即存储总线,将处理器与存储模块相连;I/O总线,即系统总线,将I/O设备、网卡等连接起来(I/O总线常指小型机系统接口SCSI(Small Computer System Interface)总线)。一个城域网MAN(Metropolitan Area Network)可以覆盖整个城市(≥25km);而一个广域网WAN(Wide Area Network)甚至可覆盖全球。
图3.2 图示局部总线、I/O总线、SAN和LAN
3.1.2网络部件
所有交换开关网络都是用链路(Link)、交换开关(Switch)和网络接口电路(Network Interface Circuitry)3种基本部件连成的,共享介质网络不使用交换开关。
1.链路
链路(Link)也称之为通道或电缆,它用来将计算机系统中两个硬件部件进行物理连接。链路可用铜线或光纤电缆实现,最简单的链路是非屏蔽的双绞线UTP。使用铜线链路较为便宜,但由于信号传输问题,限制了电缆的长度,如果使用屏蔽的双绞线STP,可以延长一些电缆链路。光纤电缆是非常昂贵的,但可提供高带宽并大大加长电缆长度。
一条链路可连接两个交换开关或连接一个交换开关和一个主机节点上的网络接口。链路的主要逻辑特性包括长度、宽度和时钟机制。一条短链路在任一时刻仅包含一个逻辑信号,而一条长链路尤如一条传输线,允许同时在此链路上传输一串逻辑信号。
一条窄链路或称串行链路,只有一位信号线,数据和控制信号以多路时分复用方式共享这根信号线。一条宽链路或称并行链路有多位信号线,允许数据和控制信息并行传送。一条链路常由同步或异步两种时钟机制驱动之:同步时钟是指源和目标操作使用全局相同的时钟;异步时钟使用某些嵌入的时钟编码机制,允许两端用不同的时钟握手。
2.交换开关
交换开关(Switch),也称为路由器(Router),它用于建立交换网络。一般来说,一个交换开关有多个输入、输出端口,每个输入端口内有一个接收器和输入缓冲器用以处理到达的包或报元。每个输出端口内
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