宋玉艷

東北空管局通信網(wǎng)絡(luò)中心（沈陽(yáng) 110000）

并行計(jì)算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)

宋玉艷

東北空管局通信網(wǎng)絡(luò)中心（沈陽(yáng) 110000）

并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合，是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展前沿，其中的關(guān)鍵技術(shù)是互連網(wǎng)絡(luò)，是影響著系統(tǒng)性能的瓶頸，因而對(duì)并行計(jì)算機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)的研究是具有重要意義的。

并行計(jì)算機(jī) 互連網(wǎng)絡(luò)

1 傳統(tǒng)的分類(lèi)方法

傳統(tǒng)的并行機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)，主要是進(jìn)行處理器、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間的互連，傳統(tǒng)的分類(lèi)方法是：靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)，機(jī)群作為現(xiàn)代并行機(jī)系統(tǒng)的一種重要類(lèi)型，其互連網(wǎng)絡(luò)主要連接獨(dú)立的完整的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，通常采用高速商用網(wǎng)絡(luò)。

1.1 靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)

所謂靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)（Static NetWorks）是指處理單元間有著固定連接的一類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，在程序執(zhí)行期間，這種點(diǎn)和點(diǎn)的連接保持不變。典型的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)有一位線形陣列、二維網(wǎng)孔、樹(shù)連接、超立方網(wǎng)格、立方環(huán)、洗牌交換網(wǎng)、蝶形網(wǎng)絡(luò)。

1.2 動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)

動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)（Dynamic NetWorks）是用交換開(kāi)關(guān)構(gòu)成的，可按照應(yīng)用程序的要求動(dòng)態(tài)地改變連接組態(tài)。三個(gè)著名的動(dòng)態(tài)連接是總線、交叉開(kāi)關(guān)和多級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)。這些互連具有200 Mb/s 和100 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

1.3 機(jī)群中的互連網(wǎng)絡(luò)

在機(jī)群系統(tǒng)中，特別是在工作站機(jī)群中，一般采用商用的網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的互連，如Myrinet、Hippi、光纖通道和FDDI環(huán)、ATM、可擴(kuò)展一致性接口SCI以及以太網(wǎng)。以下分別簡(jiǎn)單介紹。

（1）Myrinet是由Myricom公司設(shè)計(jì)的千兆位包交換網(wǎng)絡(luò)，目的是為了構(gòu)筑計(jì)算機(jī)機(jī)群，使系統(tǒng)互連成為成為一種商業(yè)產(chǎn)品。它能假設(shè)任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不必限定為開(kāi)關(guān)網(wǎng)孔或者任何規(guī)則的機(jī)構(gòu)。Myrinet支持計(jì)算機(jī)機(jī)群的應(yīng)用有很大的潛力，但是，與總線縣相關(guān)的主機(jī)接口在將許多各異的主機(jī)連接到Myrinet時(shí)仍有限制。

（2）HiPPI是Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1987年提出的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其目的是試圖統(tǒng)一來(lái)自不同產(chǎn)商生產(chǎn)的所有大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)的接口，在大型機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)工業(yè)界，HiPPI作為短距離的系統(tǒng)到系統(tǒng)以及系統(tǒng)到外設(shè)連接的高速I(mǎi)/O通道。

現(xiàn)在，超級(jí)HiPPI技術(shù)早已開(kāi)發(fā)成功，由于它提供完全不同的實(shí)現(xiàn)方式，因而缺乏和傳統(tǒng)的HiPPI通道的向后兼容。

（3）光纖通道和FDDI環(huán)

光纖通道和FDDI是在多個(gè)處理器之間和處理器和外圍設(shè)備之間的兩種類(lèi)型，兩者都是為了開(kāi)發(fā)光纖技術(shù)。

（4）ATM（Asynchronous Transfer Mode）

由成立于1991年的ATM論壇和ITU標(biāo)準(zhǔn)定義，起源于Telecom公司，在因特網(wǎng)主干線上以MAN和WAN形式出現(xiàn)。是一種獨(dú)立于介質(zhì)的消息傳輸協(xié)議，目的是將實(shí)時(shí)和突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸合并為單一的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持LAN和WAN的需求。目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)公司都有各自的ATM組網(wǎng)技術(shù)，以支持企業(yè)和局域網(wǎng)。

ATM網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字電話、事務(wù)處理、分布式多媒體處理等各個(gè)方面都有很廣泛的應(yīng)用，尤其在電信工業(yè)，ATM實(shí)現(xiàn)了許多寬帶ISDN服務(wù)。

（5）SCI（Scalable Coherence Interface）

它是一種既保持了總線的優(yōu)點(diǎn)又具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)空間的擴(kuò)展性的標(biāo)準(zhǔn)互連結(jié)構(gòu)，它將通常的底板總線擴(kuò)展到全雙工、點(diǎn)到點(diǎn)的互連結(jié)構(gòu)，并提供分布共享存儲(chǔ)器一致的高速緩存映像。

2 并行計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)有待研究的內(nèi)容

由于并行計(jì)算機(jī)用戶數(shù)量的局限，雖然互連網(wǎng)絡(luò)走過(guò)了幾十年的歷程，但是發(fā)展依舊緩慢，尚有很多課題內(nèi)容供我們發(fā)掘研究，包括：

（1）互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用開(kāi)發(fā) 主要包括對(duì)已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究、研究新的變形結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

（2）新型開(kāi)關(guān)模塊的研究 主要包括了開(kāi)關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)研究和新型材料開(kāi)關(guān)的研究

（3）互連代數(shù)的研究 屬于理論研究，是一項(xiàng)現(xiàn)代技術(shù)，互連函數(shù)為了表示互連網(wǎng)絡(luò)中終點(diǎn)和源點(diǎn)之間的關(guān)系。

3 并行計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，全光網(wǎng)作為一種新興的光纖通信網(wǎng)技術(shù)，引起學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。在這種網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)由源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸和交換過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行，中間不存在任何光電之間的轉(zhuǎn)換，從而避免了由電子器件產(chǎn)生的“電子瓶頸”現(xiàn)象．全光網(wǎng)具有高帶寬、信號(hào)透明、兼容性好、可擴(kuò)放、可重構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。從而使得這種新興技術(shù)成為構(gòu)建互連網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。全光互連網(wǎng)絡(luò)也成為并行計(jì)算機(jī)的重要發(fā)展方向。

光網(wǎng)絡(luò)是利用光纖作為傳輸媒介，利用光信號(hào)傳輸來(lái)進(jìn)行信息交換的網(wǎng)絡(luò)。光網(wǎng)絡(luò)備受矚目，是因?yàn)樗鼡碛性S多優(yōu)點(diǎn)。其中大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)是由于采用光纖作為通信介質(zhì)的緣故。具體有①較大的帶寬；②較好的信號(hào)質(zhì)量；③布署和維護(hù)容易；④安全性好。

全光網(wǎng)是在光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的光纖通信網(wǎng)技術(shù)。全光網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)由源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸和交換都在光域內(nèi)完成，中間不使用任何光電轉(zhuǎn)換器。全光網(wǎng)具有高帶寬、信號(hào)透明、兼容性好、可擴(kuò)放、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。為了充分利用全光網(wǎng)中的高帶寬，在光纖中根據(jù)波長(zhǎng)的不同將光纖的帶寬分成多個(gè)不重疊的波長(zhǎng)通道，任兩個(gè)相鄰的通道間留有一定的間隔頻段以避免信號(hào)間的串?dāng)_。每個(gè)波長(zhǎng)通道的傳輸速率與電子設(shè)備和光傳輸器/接收器的速率相匹配。這就是波分復(fù)用（wavelength division multiplex，簡(jiǎn)稱WDM）。盡管現(xiàn)在基于波分復(fù)用技術(shù)的全光網(wǎng)還沒(méi)有達(dá)到完全實(shí)用化，但是基于WDM技術(shù)的全光網(wǎng)己成為了通信網(wǎng)絡(luò)研究的重要方向。

雖然采用波分復(fù)用技術(shù)的全光網(wǎng)中存在多個(gè)不同波長(zhǎng)的通信信道，但是由于受到目前技術(shù)的限制，一根光纖中可以容納的波長(zhǎng)數(shù)是有限的，所以波長(zhǎng)就成為光網(wǎng)中的一種重要的資源。如何充分利用已有的波長(zhǎng)仍是全光網(wǎng)研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。

[1]陳國(guó)良,吳俊敏,章鋒等.并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu).北京:高等教育出版社,2002.

[2]Jose ,Duato Sudhakar Yalamanchili,Lionel Ni 并行計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——一種工程方法.北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[3]李文兵,裴偉東,馬燕.大規(guī)模并行處理機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)初探.天津師大學(xué)報(bào),2000（3）.

文婷）