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芻議高性能計算機光互連網絡體系結構分析

發布時間:2015-11-30 10:40

摘 要:互聯網帶動了所有行業、所有科學的飛速發展,然而由于各種科學的發展需要功能更強大的網絡,很多時候需要高性能的計算機才能進行數據的處理和研究。因此將傳統的電互連改進為光互連以帶動互聯網的發展成為目前的研究熱點。本文先是介紹了光互連的分類和原理、波分復用技術的原理,為下文的內容做鋪墊,然后就高性能計算機光互連網絡體系結構進行詳細的闡述,最后對基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的性能進行分析。

關鍵詞:高性能計算機;光互連網絡;結構分析
1、光互連的分類和原理以及WDM技術的原理
  光互連根據傳輸介質的不同可以分為兩類:波導光互連與自由空間光互連。
(1)波導光互連的原理
  攜帶數據的光由二極管激光器發射出來,進入光束傳輸介質集成光波導中,由于光波導的外層折射率大于芯層折射率,此時光的入射角恰好滿足全反射的條件,光束發生全反射從而沿著光波導進行傳播直到被另一端的光探測器接收到,這樣就實現了光互連的效果。
(2)自由空間光互連的原理
  在數據發送端有發射端調制光發送器負責發送攜帶數據信號的光束,當光束通過光學器件時,在光學器件的影響下光束發生轉折或傳輸受控后到達數據的接收端,接收端的光探測器將接收到的攜帶數據的光信號轉換成為電信號,并進行處理,構成各種拓撲結構的互聯方式,從而實現光的寬頻帶和獨立傳播無干擾的特性,使得數據的傳輸速率、互連度及互連密度大大的提高,實現三維空間的光通信
(3)WDM技術的原理
  上面介紹了光互連的原理,但是要想將其應用于網絡中使其發揮其優點還需借助一種技術——波分復用技術,即WDM技術。光分復用技術是使用光纖將光進行光頻分復用。在光的傳輸系統的發送端采用復用器將不同波長的光信號組合起來并將信號合并于一根光纖中進行傳播,接收端接收光后使用解復用器將不同波長的光信號分離出來并將其分別處理,實現網絡的光交換和恢復。  
2、高性能計算機光互連網絡體系結構
  雖然光互換技術等的發展迅速,但是由于高性能計算機系統的高要求,基于光互連網絡的體系結構等的技術研究的需求仍十分迫切。高性能計算機光互連網絡體系結構是指目前光互連交換網絡中的關鍵部分,包括:可擴展的互連網絡的拓撲結構、報文緩存、路由策略、仲裁策略、聚合通信機制等等。下面以基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系結構為例,依次對這幾個方面進行分析。
(1)基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的拓撲結構
  在高性能計算機的系統結構中,其互聯網絡一般采用的是層次式的互連性拓撲結構,如胖樹結構,以其為例。該系統一共有64個計算結點,各個結點內有4—32個SMP,其中16個SMP構成一個SMP簇,每個SMP簇是按胖樹結構來構成系統內部的互連網絡的。結點間的互連鏈路從葉結點開始向根節點延伸的過程中逐漸增多,就連向根部伸展的枝杈也不斷變粗。SMP簇中的16個SMP可以直接的傳遞信息和數據,不同的SMP簇之間的信息和數據的傳遞是通過葉結點和中心交換結點來完成的。因此,胖樹結構具有許多的優點:低延遲、可擴展連接、高寬帶等,但是目前的互聯網的性能有限,想在高性能計算機內全采用胖樹結構而使其發揮優勢仍然是個難題。
(2)基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的路由策略
  該體系的路由交換結點是根據波長分離器進行設計的。波長分離器可以綜合空分和波長光的路由,因此具有波長路由的選擇功能,是該系統的核心器件。波長分離器可看成是具有多個可輸入輸出的2×2光交換設備。通過波長分離器可使特定波長聚集進入上層的路由節點中,其他波長不能進入只能留在原來那一層內。這樣就實現了不同波長的光的分離的目的。其優點是在同層次上可以實現波長的重復使用,大幅度減少了整個系統所需的波長信道的數量。
(3)基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的通信機制
  互聯網的處理器間的通信分為:超葉結點的內部通信和超葉結點之間的通信,其中內部通信是由基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的拓撲結構以及通信的機制來決定的,而結點之間的通信是由光互連網絡的特定波長信道實現通信的。其通信機制大致為:每兩個超葉結點之間的通信需要其互為兄弟結點才能夠實現,即第一層子樹的結點只能和一層次子樹的結點進行通信。
(4)基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的報文緩存和仲裁策略
  基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的仲裁策略是由Hybrid MAC協議來實現仲裁訪問的。Hybrid MAC協議有兩種形式:A類是控制報文,只有幾十個字節的報文,數據很少,一般是存儲器一致性控制報文,用于預約訪問控制和一些延遲要求高的小信息;B類是數據報文,數據很多,如存儲數據塊報文,它比A類大幾個數量級,可達到幾萬字節,因此可用于傳輸大尺寸的報文。Hybrid MAC協議對這兩種類型的報文都支持。Hybrid MAC協議采用的策略是包括基于預分配和預約的混合策略,因此可實現低延遲和沒有沖突的通信。仲裁過程的實現是這樣的:在每個通道上,預約控制報文(RCP)與存儲數據塊報文(MDP)是共同傳輸的。其中RCP以廣播方式進行傳輸,其每個預約項都明確的標明了這次通信的波長通道、報文大小以及目的結點,而且控制報文傳輸周期的發送。存儲數據塊報文是在數據報文的傳輸周期的內分槽發送的,其中各個槽最多可同時在C個波長信道上進行數據的發送。在此期間,只要求數據報文在傳輸周期內發送完即可,其存儲的數據塊長度可以發生改變。每個結點都存在一個光接收器陣列,該陣列可接受幾乎所有波長的信號,因此MDP可在任何可以使用的波長信道上進行傳播。在結點發送RCP前必須等待預約周期的到來,預約周期中,在信道上結點會廣播自己的預約的消息,接著數據報文的傳輸周期內就可以傳輸存儲數據塊地報文了。因此基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系具有明顯的雙模態特性。  
3、基于波長分離器的高性能計算機光互連網絡體系的性能分析
  首先,胖樹拓撲結構的采用以及光互連代替電互連鏈路,使得有足夠的點到達點鏈路帶寬,可以充分的發揮出胖樹拓撲結構的優點;層次式結構可以在不增加整個系統的波長信道的總數的前提下也可獲得優良的可擴展的性能;底層超葉結點的設計 可以大幅度的節省信息的傳遞時間,減輕了網絡的負擔。
  其次,互聯網的延遲性能良好。波長分離器的特殊設計以及波長路由的尋址實現使得數據傳輸的速率可視為光速,因而延遲性能良好。
  再次,采用空分復用技術和波分復用技術增強了整個系統的可擴展性。波長分離器允許同一層次的波長通道的重復使用,因而大幅度的減少了整個系統所需的波長信道的數量,因而系統的可擴展性增強了。
  最后,雙模態特性不必采用可調光收發器,也不浪費專用的控制信道,從而實現了低延遲和沒有沖突的處理器之間的通信。
參考文獻
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