ТСвИС / архитектура вычислительных систем. arebook

6

волоконные каналы передачи информации, классифицируемые, в соответствии с режимом передачи данных, на следующие типы:

-симплексный канал, передающий биты только в одном направлении;

-полудуплексный канал, передающий информацию в обоих направлениях, но в режиме разделения времени (не одновременно);

-дуплексный канал, передающий биты в обоих направлениях одновременно.

Коммутатор – это устройство с несколькими входными и выходными портами, распределяющее поступающие на входные порты пакеты сообщений по выходным портам на основании анализа определенных фрагментов передаваемой информации.

Сеть межсоединений характеризуется своей топологией, стратегией коммутации каналов и алгоритмом определения маршрута доставки сообщений в пункт назначения.

Топология сети межсоединений определяет взаимное расположение каналов связи и коммутаторов. Ее можно представить в виде графа, дуги которого соответствуют каналам связи , а вершины – коммутаторам. Такое представление позволяет использовать основные положения, модели и методы теории графов в сочетании с методами дискретной оптимизации для формализации и решения задач выбора оптимальной (оптимальнокомпромиссной) топологии сети межсоединений. При этом критериями выбора могут быть производительность вычислительной системы, ее отказоустойчивость, стоимость и некоторые другие показатели.

Критерий производительности напрямую связан с такой характеристикой сети межсоединений, как ее диаметр. Это выраженное числом дуг расстояние между наиболее отдаленными друг от друга узлами сети. Чем меньше диаметр, тем меньше задержка передачи сообщений, а значит выше производительность системы.

7

Другой характеристикой, влияющей на производительность системы, является пропускная способность сети, измеряемая количеством данных, которое может быть передано по ней в секунду. Часто рассматривают так называемую бисекционную пропускную способность. Она определяется как минимальная общая пропускная способность дуг, пересекающих сечение сети, делящее ее на две, равные по числу узлов части.

Отказоустойчивость вычислительной системы существенно зависит от степеней (коэффициентов разветвления) узлов сети межсоединений. Большая степень узла обеспечивает больше вариантов маршрута передачи от него сообщений. Поэтому при выходе из строя какого-либо канала всегда находится обходной маршрут.

Примеры конкретных топологий сети межсоединений, отличающихся своими характеристиками, приведены на рис. 6.3.

На рис. 6.3 а) представлена топология «звезда», в которой взаимодействие процессоров, подключенных к окончаниям «звезды» (внешним узлам), осуществляется через центральный коммутатор. Такая схема отличается простотой, но проигрывает по производительности и отказоустойчивости (основная нагрузка по передаче сообщений сосредоточена в одном месте – центральном коммутаторе).

Топология «кольцо», изображенная на рис. 6.3 б), более удачна с точки зрения отказоустойчивости, но время передачи сообщений в ней растет пропорционально числу закольцованных процессоров.

Узким местом топологии «дерево», представленной на рис. 3.6 в), являются каналы верхнего уровня, по которым проходит большой поток информации, и пропускной способности обычного канала оказывается недостаточно. Для компенсации этого недостатка пропускную способность верхних каналов увеличивают.

8

Рис. 6.3. Примеры топологий сети межсоединений

9

Топология «решетка» (рис. 6.3 г)) отличается регулярностью. Ее диаметр увеличивается пропорционально корню квадратному из числа узлов, поэтому она применима для построения систем большого размера.

«Двойной тор» отличается от решетки соединенными между собой крайними противоположными узлами (рис. 6.3 д)). Это повысило отказоустойчивость системы и уменьшило диаметр сети межсоединений.

Топология «куб» - это трехмерная структура, представленная на рис. 6.3 е). Чтобы получить четырехмерный куб, надо продублировать трехмерный куб и соединить все его вершины с соответствующими вершинами дубля. Пятимерный куб получается дублированием и соответствующим соединением вершин четырехмерного куба и т.д. n-мерный куб (гиперкуб) получается дублированием и соединением соответствующих вершин (n-1)-мерного гиперкуба.

Топология «гиперкуб» широко применяется в вычислительных системах параллельного действия. Ее диаметр равен размерности гиперкуба, что обеспечивает быструю передачу сообщений. Однако, с увеличением размерности коэффициенты разветвления вершин и число каналов растут, усложняя аппаратуру сети межсоединений, а значит повышая стоимость вычислительной системы.

«Полное межсоединение» (рис. 6.3 ж)) - это топология,

каждый узел в которой непосредственно связан с каждым из других узлов. Эта топология характеризуется минимальным диаметром и очень высокой отказоустойчивостью. Однако, она требует реализации чрезвычайно большого числа каналов (в случае систем больших размеров), что на практике оказывается неприемлемым.

Возможные стратегии коммутации в сети межсоединений рассмотрим на примере квадратной решетки, изображенной на рис. 6.4. Четыре коммутатора в узлах решетки имеют по 4 входных и 4 выходных порта. С каждым коммутатором может быть связано

10

несколько процессоров (два из них, P1 и P2, показаны на рисунке). Функция коммутатора состоит в приеме пакета сообщений, поступившего на любой входной порт, и отправке его из соответствующего выходного порта. Каждый выходной порт коммутатора, не задействованный на процессор, связан с входным портом другого коммутатора последовательным или параллельным каналом, обозначенным на рисунке пунктирной линией.

Одной из стратегий переключения коммутатора является так называемая коммутация каналов. Суть ее состоит в априорном (перед непосредственной передачей) резервировании маршрута пересылки пакета. При этом все задействованные ресурсы (порты, буферы, каналы) приводятся в состояние беспрепятственного доступа и обеспечивают непрерывную передачу пакета в пункт назначения. В качестве примера, на рис. 6.4 темной линией выделен один из возможных резервируемых маршрутов. Рассмотренная стратегия требует определенной предварительной подготовки, связанной с резервированием маршрута и блокированием всех остальных передач на время вплоть до окончания передачи.

В отличие от рассмотренной стратегии коммутации каналов,

стратегия коммутации с промежуточным хранением не предполагает предварительного резервирования маршрута. В соответствии с ней, пакет из источника целиком поступает в организованный по принципу очереди (FIFO) буфер (буферы) входного порта коммутатора 1, затем он передается в буфер входного порта коммутатора 2 и далее в буфер входного порта коммутатора 3, откуда поступает через соответствующий выходной порт в пункт назначения – процессор P2. Все указанные фазы процесса передачи пакета отмечены на рис. 6.5 затемненными буферами входных портов коммутаторов 1, 2 и 3.

12

Коммутатор

........................

P2

Рис. 6.5. Коммутация с промежуточным хранением (c буферизацией на входе)

13

Описанная и проиллюстрированная примером стратегия предусматривает буферизацию пакетов на входах коммутаторов. При этом возможны ситуации, когда пакет, стоящий в начале очереди нельзя передать из-за занятости нужного выходного канала коммутатора. За ним в очереди могут стоять пакеты, предназначенные для других выходных каналов коммутатора, которые в это время свободны. Эти пакеты оказываются блокированными. Решением такой проблемы является применение буферизации на выходах коммутаторов. Пакеты по мере поступления накапливаются в буфере нужного выходного порта и не блокируют пакеты, претендующие на другие выходные порты. В качестве примера, последовательные фазы передачи пакета отмечены на рис. 6.6 затемненными буферами выходных портов коммутаторов 1, 2, и 3.

Применение буферирования на входе или на выходе может сталкиваться с проблемой нехватки буферного пространства, из-за чего часть информации будет теряться. В связи с этим, возможна стратегия общей буферизации, предусматривающая динамическое распределение пакетов (коммутацию пакетов) по портам из единого буферного пула. Однако, такая схема отличается сложностью управления и не всегда срабатывает должным образом.

Отличаясь гибкостью и более высокой (по сравнению с методом коммутации каналов) эффективностью, стратегия коммутации с промежуточным хранением, тем не менее, теряет в скорости на поэтапных (с ожиданием) копированиях из буфера в буфер пакетов сообщений. Поэтому напрашивается применение комбинированного подхода, сочетающего в себе положительные стороны стратегий коммутации каналов и коммутации пакетов. Такой подход исключает априорное резервирование каналов передачи. Он предполагает деление пакета на достаточно малые части (блоки) и передачу этих частей в режиме свободной конкуренции за доступ к портам и буферам. Если первый блок гдето останавливается и ждет, то следующие блоки пакета

14

продолжают накапливаться в коммутаторе, и все сводится к варианту коммутации с промежуточных хранением. Как способ выхода из такой ситуации, рассматривается возможность посылки в источник сообщений сигнала об остановке передачи. Все это в

Входной порт

........................

........................

Коммутатор

........................

P2

Рис. 6.6. Коммутация с промежуточным хранением (c буферизацией на выходе)

15

определенной степени напоминает конвейерную организацию выполнения команд в процессоре.

Всети межсоединений может существовать множество возможных путей передачи сообщений от источника в пункт назначения. В связи с этим возникает проблема выбора конкретного пути, для решения которой используются специальные алгоритмы выбора маршрута. Правила, заложенные

вэтих алгоритмах, позволяют равномерно распределить нагрузку по каналам связи и тем самым максимально использовать пропускную способность сети. Кроме того, они позволяют избежать взаимных блокировок передач, предупредить возникновение тупиковых ситуаций.

Взависимости от используемой стратегии, различают алгоритмы выбора маршрута двух классов:

- алгоритмы маршрутизации от источника; - алгоритмы распределенной маршрутизации.

Алгоритмы маршрутизации от источника предполагают априорное планирование маршрута в виде списка номеров задействованных выходных портов коммутаторов, передаваемого вместе с информационным пакетом и сокращаемого на один номер после поступления пакета на соответствующий выходной порт.

Алгоритмы распределенной маршрутизации выбор очередного выходного порта поручают самому коммутатору. При этом, различают статическую маршрутизацию (когда пакеты, адресованные в один и тот же пункт назначения, посылаются коммутатором в один выходной порт) и адаптивную маршрутизацию (осуществляющую выбор выходного порта с учетом текущего трафика).

Особо следует выделить алгоритм пространственной маршрутизации, предназначенный для выбора маршрута в прямоугольных решетках любой размерности. Эта топология является обобщением двумерной решетки (рис. 6.3 г)) на случай пространства большей размерности. Для n-размерной решетки