【正文】 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文 [精品論文 ] 高性能計(jì)算機(jī)無(wú)緩存光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究 關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算機(jī) 光互連網(wǎng)絡(luò) 互連技術(shù) 性能分析 路由算法 容錯(cuò)技術(shù) 摘要：作為解決大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題的重要手段，高性能計(jì)算機(jī)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到科學(xué)與工程的各個(gè)領(lǐng)域。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，高性能并行計(jì)算機(jī)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當(dāng)前，提高大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的性能主要從兩個(gè)方面著手：?jiǎn)蝹€(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)性能的提高以及連接各計(jì)算結(jié)點(diǎn)的高速互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與改進(jìn)。隨著并行計(jì)算機(jī)規(guī)模的不斷增大，需要在更多的計(jì)算結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高效的互連，這對(duì)其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何設(shè)計(jì)大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時(shí)的互連網(wǎng)絡(luò)，提高結(jié)點(diǎn)互連的效率和性能，已成為高 性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，以銅導(dǎo)線(xiàn)為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡(luò)存在帶寬低，功耗高，抗干擾能力差，互連密度小等不足，成為制約并行互連網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)一步提高的瓶頸。光互連技術(shù)作為一種新的互連方式，具有帶寬高、功耗低、延時(shí)小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為并行計(jì)算機(jī)高速互連網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一。但是，在當(dāng)前技術(shù)條件下，由于無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的緩存和邏輯處理，在一般的光互連系統(tǒng)中，需要在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)上將到達(dá)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再進(jìn)行路由判斷和緩存，這勢(shì)必引入額 外的傳輸延時(shí)。本文以降低光互連的額外開(kāi)銷(xiāo)，提高互連網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能為目標(biāo)，針對(duì)當(dāng)前光互連技術(shù)遇到的障礙，研究了高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部無(wú)緩存的高速光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種不需要在中間結(jié)點(diǎn)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的無(wú)緩存的光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BOIN(BufferlessOpticalInterconnectionNetwork)，研究了其路由算法及其容錯(cuò)技術(shù)，同時(shí)對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了建模分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文的主要研究成果包括以下幾個(gè)方面： 針對(duì)當(dāng)前光互連網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法進(jìn)行有效的光緩存以及直接邏輯判斷的不足，提出了一種不需要 在中間結(jié)點(diǎn)上將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行緩存排隊(duì)和路由選擇的 BOIN 光互連結(jié)構(gòu)。在 BOIN 網(wǎng)絡(luò)中，光數(shù)據(jù)報(bào)文始終在光鏈路上傳輸，其在中間結(jié)點(diǎn)上的路由判斷與選擇由與其同步傳輸?shù)碾娍刂茍?bào)文實(shí)現(xiàn)，從而避免了對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。在文中研究了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的鏈路協(xié)議及端口沖突解決技術(shù)，提出了無(wú)死鎖 /無(wú)活鎖的路由算法，證明了路由算法的可達(dá)性，指出采用該路由算法， BOIN 網(wǎng)絡(luò)中的任何報(bào)文都必定在有限的時(shí)間內(nèi)由源結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點(diǎn)，并給出了這個(gè)由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模所決定的傳輸延時(shí)上限。 為了準(zhǔn)確地刻畫(huà)和評(píng)價(jià) BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能， 本文運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，分析了網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)方向鏈路上的流量特征，并為其建立了數(shù)學(xué)模型，得到了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和負(fù)載一定的情況下，其報(bào)文傳輸平均延時(shí)和平均吞吐率等性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。同時(shí)根據(jù)理論分析結(jié)果，給出了在一定的網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到最優(yōu)時(shí)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該滿(mǎn)足的條件。模擬結(jié)果顯示，該模型正確反映了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能特征，為網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析依據(jù)。 BOIN 網(wǎng)絡(luò)是為了實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高速互連而設(shè)計(jì)的一種光電互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此如何采取有效的方法，切實(shí)提高其互連性能，是本文的研究重點(diǎn)之一。文中 著重研究了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化技術(shù)，包括避免結(jié)點(diǎn)餓死的路由算法，以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在只需要增加少許硬件資源的條件下，可以獲得明顯的性能增長(zhǎng)。文中研究了 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)的路由算法，證明了其與標(biāo)準(zhǔn) BOIN 網(wǎng)絡(luò)相類(lèi)似，同樣具有無(wú)死鎖 /無(wú)活鎖以及有限傳輸延時(shí)上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術(shù)能夠有效地提升 BOIN 互連網(wǎng)絡(luò)的性能，為大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。 在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡(luò)中，容錯(cuò)性能的高低是對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。在 本文中，針對(duì)大規(guī)模BOIN 網(wǎng)絡(luò)中可能存在的結(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題，提出了一種 FTBOIN 容錯(cuò)光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了在 FTBOIN 網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)間的可達(dá)關(guān)系及其性質(zhì)，給出了兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間存在可達(dá)路徑的充要條件，并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯(cuò)性能和復(fù)雜度的容錯(cuò)路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 FTBOIN 網(wǎng)絡(luò)具有良好的容錯(cuò)能力，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生結(jié)點(diǎn)失效時(shí)，能夠在可達(dá)結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞的路由。 本文面向高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部計(jì)算結(jié)點(diǎn)間的高速互連，對(duì)無(wú)緩存的 BOIN 光互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面的研究，在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路協(xié)議、路由算法以及性能模型等方 面都進(jìn)行了深入的探索，并且根據(jù)性能模型對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)中的容錯(cuò)路由技術(shù)進(jìn)行了研究。上述研究成果對(duì)高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)中遇到的實(shí)際問(wèn)題給出了有效的解決方案，對(duì)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 正文內(nèi)容 作為解決大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題的重要手段，高性能計(jì)算機(jī)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到科學(xué)與工程的各個(gè)領(lǐng)域。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，高性能并行計(jì)算機(jī)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當(dāng)前，提高大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的性能主要從兩個(gè)方面著手：?jiǎn)?個(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)性能的提高以及連接各計(jì)算結(jié)點(diǎn)的高速互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與改進(jìn)。隨著并行計(jì)算機(jī)規(guī)模的不斷增大，需要在更多的計(jì)算結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高效的互連，這對(duì)其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何設(shè)計(jì)大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時(shí)的互連網(wǎng)絡(luò)，提高結(jié)點(diǎn)互連的效率和性能，已成為高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，以銅導(dǎo)線(xiàn)為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡(luò)存在帶寬低，功耗高，抗干擾能力差，互連密度小等不足，成為制約并行互連網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)一步提高的瓶頸。光互連技術(shù)作為一種新的互連 方式，具有帶寬高、功耗低、延時(shí)小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為并行計(jì)算機(jī)高速互連網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一。但是，在當(dāng)前技術(shù)條件下，由于無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的緩存和邏輯處理，在一般的光互連系統(tǒng)中，需要在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)上將到達(dá)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再進(jìn)行路由判斷和緩存，這勢(shì)必引入額外的傳輸延時(shí)。本文以降低光互連的額外開(kāi)銷(xiāo)，提高互連網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際性能為目標(biāo)，針對(duì)當(dāng)前光互連技術(shù)遇到的障礙，研究了高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部無(wú)緩存的高速光互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了一種不需要在中間結(jié)點(diǎn)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的無(wú)緩存的光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BOIN(BufferlessOpticalInterconnectionNetwork)，研究了其路由算法及其容錯(cuò)技術(shù)，同時(shí)對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行了建模分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文的主要研究成果包括以下幾個(gè)方面： 針對(duì)當(dāng)前光互連網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法進(jìn)行有效的光緩存以及直接邏輯判斷的不足，提出了一種不需要在中間結(jié)點(diǎn)上將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行緩存排隊(duì)和路由選擇的 BOIN 光互連結(jié)構(gòu)。在 BOIN 網(wǎng)絡(luò)中，光數(shù)據(jù)報(bào)文始終在光鏈路上傳輸，其在中間結(jié)點(diǎn)上的路由判斷與選擇由與其同步傳輸?shù)碾娍刂茍?bào)文實(shí)現(xiàn)，從而避免了對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。在文中研究了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的鏈路協(xié)議及端口沖突解決技術(shù)，提出了無(wú)死鎖 /無(wú)活鎖的路由算法，證明了路由算法的可達(dá)性，指出采用該路由算法， BOIN 網(wǎng)絡(luò)中的任何報(bào)文都必定在有限的時(shí)間內(nèi)由源結(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點(diǎn)，并給出了這個(gè)由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模所決定的傳輸延時(shí)上限。 為了準(zhǔn)確地刻畫(huà)和評(píng)價(jià) BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能，本文運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，分析了網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)方向鏈路上的流量特征，并為其建立了數(shù)學(xué)模型，得到了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)在規(guī)模和負(fù)載一定的情況下，其報(bào)文傳輸平均延時(shí)和平均吞吐率等性能指標(biāo)的解析表達(dá)式。同時(shí)根據(jù)理論分析結(jié)果，給出了在一定的網(wǎng)絡(luò)總規(guī)模下網(wǎng)絡(luò)性能達(dá) 到最優(yōu)時(shí)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)該滿(mǎn)足的條件。模擬結(jié)果顯示，該模型正確反映了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能特征，為網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了分析依據(jù)。 BOIN 網(wǎng)絡(luò)是為了實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高速互連而設(shè)計(jì)的一種光電互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此如何采取有效的方法，切實(shí)提高其互連性能，是本文的研究重點(diǎn)之一。文中著重研究了 BOIN 網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化技術(shù)，包括避免結(jié)點(diǎn)餓死的路由算法，以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在只需要增加少許硬件資源的條件下，可以獲得明顯的性能增長(zhǎng)。文中研究了 BOIN2 網(wǎng)絡(luò)的路由算法 ，證明了其與標(biāo)準(zhǔn) BOIN 網(wǎng)絡(luò)相類(lèi)似，同樣具有無(wú)死鎖 /無(wú)活鎖以及有限傳輸延時(shí)上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術(shù)能夠有效地提升 BOIN 互連網(wǎng)絡(luò)的性能，為大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。 在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡(luò)中，容錯(cuò)性能的高低是對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。在本文中，針對(duì)大規(guī)模BOIN 網(wǎng)絡(luò)中可能存在的結(jié)點(diǎn)失效問(wèn)題，提出了一種 FTBOIN 容錯(cuò)光互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了在 FTBOIN 網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)間的可達(dá)關(guān)系及其性質(zhì)，給出了兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間存在可達(dá)路徑的充要條件，并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯(cuò)性能和 復(fù)雜度的容錯(cuò)路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 FTBOIN 網(wǎng)絡(luò)具有良好的容錯(cuò)能力，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生結(jié)點(diǎn)失效時(shí)，能夠在可達(dá)結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞的路由。 本文面向高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部計(jì)算結(jié)點(diǎn)間的高速互連，對(duì)無(wú)緩存的 BOIN 光互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面的研究，在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路協(xié)議、路由算法以及性能模型等方面都進(jìn)行了深入的探索，并且根據(jù)性能模型對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)還對(duì) BOIN 網(wǎng)絡(luò)中的容錯(cuò)路由技術(shù)進(jìn)行了研究。上述研究成果對(duì)高性能計(jì)算機(jī)內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)中遇到的實(shí)際問(wèn)題給出了有效的解決方案，對(duì)并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有一 定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 作為解決大規(guī)模計(jì)算問(wèn)題的重要手段，高性能計(jì)算機(jī)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到科學(xué)與工程的各個(gè)領(lǐng)域。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，高性能并行計(jì)算機(jī)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當(dāng)前，提高大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)的性能主要從兩個(gè)方面著手：?jiǎn)蝹€(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)性能的提高以及連接各計(jì)算結(jié)點(diǎn)的高速互連網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與改進(jìn)。隨著并行計(jì)算機(jī)規(guī)模的不斷增大，需要在更多的計(jì)算結(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)高效的互連，這對(duì)其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。如何設(shè)計(jì)大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時(shí)的互連網(wǎng)絡(luò)，提高結(jié)點(diǎn)互連的 效率和性能，已成為高性能計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中亟待解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，以銅導(dǎo)線(xiàn)為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡(luò)存在帶寬低，功耗高，抗干擾能力差，互連密度小等不足，成為制約并行互連網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)一步提高的瓶頸。光互連技術(shù)作為一種新的互連方式，具有帶寬高、功耗低、延時(shí)小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，成為并行計(jì)算機(jī)高速互連網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一。但是，在當(dāng)前技術(shù)條件下，由于無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的緩存和邏輯處理，在一般的光互連系統(tǒng)中，需要在網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)上將到達(dá)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再進(jìn)行路由判斷 和緩存，這勢(shì)