3. Структура связей в параллельных вычислительных системах
3.1. Межпроцессорные связи в вычислительных системах и сетях и их классификация
Если рассмотреть связи для обмена информацией между процессорами на уровне оборудования, обеспечивающие соединение каждого процессора с любым другим в вычислительных системы и сетях, то можно построить схему классификации и структурную схему межпроцессорных связей, изображенную на рис. 21. Схема имеет пять уровней, первый из которых является исходным, второй определяет стратегию организации обмена информацией, третий - метод управления соединением трактов обмена, четвертый -структуру путей передачи информации, а пятый уровень определяет соответствующие типы структур вычислительных систем и сетей.
Первый уровень - исходный, он включает внутренние связи для обмена информацией. Второй уровень включает прямые и косвенные (непрямые) тракты обмена. В первом случае осуществляется прямая передача информации, когда передатчик выбирает путь, а приемник распознает предназначающиеся для него сообщения. При этом в канале связи никакой логики не предусмотрено, за исключением, возможно, буферных устройств и устройств повторения сообщений. Во втором случае осуществляется непрямая передача информации, когда между передатчиком и приемником предусматривается логика выбора одного из нескольких альтернативных путей передачи на промежуточных пунктах, а также, в некоторых случаях, дополнительное преобразование информации.
Управление соединением трактов обмена может быть централизованным и децентрализованным (третий уровень). При прямой передаче альтернатив не существует и не требуется управления соединением трактов обмена. Непрямая передача при помощи централизованного управления характеризуется тем, что все сообщения передаются через что осуществляется выбор одного из нескольких пунктов передачи информации.
Пятый уровень включает различные типы структур вычислительных систем и сетей (Шаг 1, 2,... 10).
Прямой передаче по раздельным путям соответствует кольцевая структура процессорных элементов без коммутаторов (№ IX каждый элемент которой имеет соседа-предшественника и соседа-преемника. Передача инициируется данным предшественником, после чего каждый последующий элемент проверяет адрес сообщения и, в случае необходимости, передает его по индивидуальному пути дальше своему преемнику. Передача прекращается в пункте назначения. Такая структура отличается логической простотой и обладает явно выраженной модульностью, но она не обладает высокой надежностью, а скорость передачи в ней ограничена из-за последовательного характера передачи информации по кольцу. В качестве примера можно указать кольцевую версию САМАС.
Другим типом структуры при прямой передаче по раздельным путям является структура с полным набором связей (№ 2.). В этом случав каждый источник имеет пути ко всем приемникам. Такая структура не отличается модульностью построения и характеризуется высокой стоимостью системы при большом числе элементов, но она обеспечивает высокую скорость обмена информацией при сравнительно простой логике организации этого обмена. Структуру с полным набором связей имеет вычислительная сеть MERIT, в которой соединены CDC 6500 и две машины IBM 360/67.
Прямой передаче с общим путем соответствует классическая многопроцессорная структура с общей основной памятью (№ 3). В таких системах все сообщения передаются через основную память. При этом обеспечивается очень высокая пропускная способность, поскольку обмен фактически представляет собой запись в оперативную память и чтение из нее. Если такая память используется также и для обработки данных, что является типичным случаем, то она оказывается нередко узким местом системы.
Другим типом структуры при прямой передаче с общим путем является структура с общей шиной (магистралью передачи), используется для связи со всеми системными элементами в режиме разделения ее времени (№ 4). Такие структуры часто применяются в авиационно-космических системах и системах военного) назначения, а также при построении автоматизированных систем в промышленности и научных лабораториях. Они отличаются простотой и явно выраженной модульностью, однако при их использовании требуется тщательное планирование занятия времени шины в целях повышения производительности всей системы. В качестве примера рассматриваемой структуры можно привести соответствующую конфигурацию САМАС.
Непрямой передаче по раздельным путям при централизованном управлении соответствует структура в виде звезды (№ 5). При передаче сообщения проходят через центральный коммутатор. Такая структура часто реализуется на основе матричного коммутатора, однако в некоторых случаях применяется также процессор как центральный элемент системы. Она отличается простотой логики работы, но не имеет высокой надежности.
В качестве примера можно указать вычислительную сеть ЮМ Network/440.
Другим типом структуры при непрямой передаче по раздельным путям при централизованном управлении является кольцевая структура процессорных элементов с центральным коммутатором (№ 6). Такая структура сочетает в себе особенности кольцевой структуры (№ 1) и структуры в виде звезды (Jfe 5). Пересылка сообщений осуществляется по кольцу через центральный коммутатор или же пересылка ведется по кольцу под управлением центрального коммутатора, который осуществляет адресацию пересылок. В качестве примера можно отметить экспериментальную систему обмена информацией SPIDER.
Непрямой передаче по общему пути при централизованном управлении соответствует структура с общей шиной и центральным коммутатором (№ 7). Такая структура в функциональном отношении эквивалентна структуре в виде звезды (№> 5). При этом главное отличие первой состоит в том, что процессоры связываются друг с другом не через индивидуальные тракты, соединяемые центральным коммутатором, а при помощи общей шины и организации доступа к ней.
При передаче информации процессорный элемент посылает сообщение через общую шину 'к центральному коммутатору, который переправляет его к процессорному элементу -приемнику данного сообщения. На время передачи сообщений между каким-либо процессорным элементом и центральным коммутатором шина занята этой передачей и другие процессорные элементы не имеют к ней доступа, т. е. заблокированы по входу и по выходу. Рассматриваемая структура сочетает в себе качества экономичности и логической простоты, но при ее применении приходится преодолевать некоторые трудности, связанные с невысокой степенью модульности и сравнительно невысокой надежностью.
Непрямой передаче по раздельным индивидуальным трактам при децентрализованном управлении соответствует регулярная структура (№ 8). Каждый процессорный элемент связан с ближайшим соседом слева, справа, сверху и снизу, причем регулярный характер связи сохраняется и для крайних процессорных элементов, которые соединяются с соответствующими им крайними процессорными элементами на противоположной стороне. Сообщения проходят через сеть от одного элемента к другому соседнему, причем каждый из процессорных элементов выбирает тракт для отсылки сообщения. Можно считать, что кольцевая структура без центрального коммутатора (№ 1) есть частный случай регулярной структуры, когда в последней каждый элемент имеет два связанных с ним соседних элемента и когда не принимается решений о выборе тракта для отсылки сообщения.
Модульность и высокие характеристики надежности определяются регулярным характером рассматриваемой структуры. Вместе с тем, такая структура требует сложной логики организации работы, выдвигает проблемы полной загрузки узлов сети и соединяющих их линий и другие. В настоящее время такие структуры представляют интерес, скорее, с точки зрения исследовании, однако перспективы их применения на практике представляются очень обнадеживающими.
Другим типом структуры при непрямой передаче по раздельным индивидуальным трактам и децентрализованном управлении является нерегулярная структура (№ 9). Она становится все более распространенной в таких системах, в которых процессоры и связи между ними имеют высокую стоимость. Здесь не требуется связь процессора с каждым соседним процессором, что усложняет логику переключений при передаче сообщений, но упрощает межпроцессорные связи. При использовании нерегулярной структуры достигается довольно высокая надежность системы и, одновременно, возможность ее наращивания новыми модулями.
Основное применение нерегулярная структура находит в вычислительных сетях с географически разнесенными узлами, пример - сеть АRРА.
Непрямой передаче по общему тракту при децентрализованном управлении соответствует структура с общей шиной и комбинированным подключением к ней коммутаторов и процессорных элементов (№ 10). Такая структура подобна нерегулярной структуре с точки зрения характеристик модульности и возможностей наращивания. Однако, она обладает более низкими характеристиками надежности и меньшими возможностями реконфигурации, поскольку процессорные элементы и коммутаторы используют единственный тракт передачи информации.
Структуры с общей шиной при комбинированном подключении к ней коммутаторов и процессорных элементов становятся все более распространенными, в особенности, в универсальных вычислительных системах на базе мини-ЭВМ В качестве примера системы с такой структурой можно отметить систему PLURIRUS, предназначенную для выполнения функций связи в узлах сети АRРА.
Направления дальнейшего развития и применений рассмотренных структур будут в значительной степени связаны с распределенными вычислительными системами и сетями.
Среди структур можно выделить по совокупности их основных характеристик четыре «доминирующие» структуры, а именно:
• кольцевую структуру (№ I),
• структуру с общей шиной (№ 4),
• структуру в виде звезды с коммутатором в центре и процессорными элементами в концах лучей (№ 5)
• нерегулярную структуру (№ 9).
Проведенный анализ показывает, что эта классификация или какая-либо подобная ей представляет собой полезный инструмент для выбора структуры системных связей и количественной оценки выбранной системы по нескольким основным показателям. Одно из достоинств классификации состоит в возможности систематического перебора и сравнения всех, вариантов. Рассмотренная классификация, как обычно, обладает определенной степенью условности. Некоторые существующие вычислительные системы и сети не могут быть однозначно отнесены к тому или иному виду структур и сочетают в себе признаки структур более чем одного типа.