【文章內(nèi)容簡介】 理論分析結(jié)果，給出了在一定的網(wǎng)絡總規(guī)模下網(wǎng)絡性能達到最優(yōu)時其拓撲結(jié)構(gòu)應該滿足的條件。模擬結(jié)果顯示，該模型正確反映了 BOIN 網(wǎng)絡的性能特征，為網(wǎng)絡的優(yōu)化設計提供了分析依據(jù)。 BOIN 網(wǎng)絡是為了實現(xiàn)高性能計算機內(nèi)部的高速互連而設計的一種光電互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此如何采取有效的方法，切實提高其互連性能，是本文的研 究重點之一。文中著重研究了 BOIN 網(wǎng)絡的性能優(yōu)化技術，包括避免結(jié)點餓死的路由算法，以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的 BOIN2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。采用 BOIN2 網(wǎng)絡結(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。文中研究了 BOIN2 網(wǎng)絡的路由算法，證明了其與標準 BOIN 網(wǎng)絡相類似，同樣具有無死鎖 /無活鎖以及有限傳輸延時上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術能夠有效地提升 BOIN 互連網(wǎng)絡的性能，為大規(guī)模并行計算機的設計打下良好的基礎。 在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡中，容錯性能的高低是對網(wǎng)絡整體性能進行評 價的重要指標。在本文中，針對大規(guī)模BOIN 網(wǎng)絡中可能存在的結(jié)點失效問題，提出了一種 FTBOIN 容錯光互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分析了在 FTBOIN 網(wǎng)絡中結(jié)點間的可達關系及其性質(zhì)，給出了兩個結(jié)點間存在可達路徑的充要條件，并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯性能和復雜度的容錯路由算法。實驗結(jié)果表明 FTBOIN 網(wǎng)絡具有良好的容錯能力，當網(wǎng)絡中發(fā)生結(jié)點失效時，能夠在可達結(jié)點之間實現(xiàn)無阻塞的路由。 本文面向高性能計算機內(nèi)部計算結(jié)點間的高速互連，對無緩存的 BOIN 光互連網(wǎng)絡進行了全面的研究，在其拓撲結(jié)構(gòu)、鏈路協(xié)議、路由算法 以及性能模型等方面都進行了深入的探索，并且根據(jù)性能模型對 BOIN 網(wǎng)絡進行了優(yōu)化設計，同時還對 BOIN 網(wǎng)絡中的容錯路由技術進行了研究。上述研究成果對高性能計算機內(nèi)部互連網(wǎng)絡中遇到的實際問題給出了有效的解決方案，對并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和互連網(wǎng)絡的設計具有一定的理論意義和應用價值。 作為解決大規(guī)模計算問題的重要手段，高性能計算機被越來越廣泛地應用到科學與工程的各個領域。隨著高性能計算技術的發(fā)展，高性能并行計算機的規(guī)模不斷擴大，對系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當前，提高大規(guī)模并行計算機的性能主要從兩個方面著手：單個計算結(jié) 點性能的提高以及連接各計算結(jié)點的高速互連網(wǎng)絡的優(yōu)化與改進。隨著并行計算機規(guī)模的不斷增大，需要在更多的計算結(jié)點之間實現(xiàn)高效的互連，這對其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡提出了更高的要求。如何設計大規(guī)模并行計算機內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時的互連網(wǎng)絡，提高結(jié)點互連的效率和性能，已成為高性能計算機體系結(jié)構(gòu)研究領域中亟待解決的重點和難點問題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，以銅導線為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡存在帶寬低，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)絡性能進一步提高的瓶頸。光互連技術作為一種新的互連方式，具 有帶寬高、功耗低、延時小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點，成為并行計算機高速互連網(wǎng)絡的研究熱點之一。但是，在當前技術條件下，由于無法有效地實現(xiàn)光信號的緩存和邏輯處理，在一般的光互連系統(tǒng)中，需要在網(wǎng)絡中間結(jié)點上將到達的光信號轉(zhuǎn)換為電信號再進行路由判斷和緩存，這勢必引入額外的傳輸延時。本文以降低光互連的額外開銷，提高互連網(wǎng)絡的實際性能為目標，針對當前光互連技術遇到的障礙，研究了高性能計算機內(nèi)部無緩存的高速光互連網(wǎng)絡技術，提出了一種不需要在中間結(jié)點進行光電轉(zhuǎn)換的無緩存的光互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)BOIN(BufferlessOpticalInterconnectionNetwork)，研究了其路由算法及其容錯技術，同時對 BOIN 網(wǎng)絡的性能進行了建模分析和優(yōu)化設計。論文的主要研究成果包括以下幾個方面： 針對當前光互連網(wǎng)絡中無法進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)點上將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進行緩存排隊和路由選擇的 BOIN 光互連結(jié)構(gòu)。在 BOIN 網(wǎng)絡中，光數(shù)據(jù)報文始終在光鏈路上傳輸，其在中間結(jié)點上的路由判斷與選擇由與其同步傳輸?shù)碾娍刂茍笪膶崿F(xiàn)，從而避免了對光信號進行光電轉(zhuǎn)換。在文中研究了 BOIN 網(wǎng) 絡的鏈路協(xié)議及端口沖突解決技術，提出了無死鎖 /無活鎖的路由算法，證明了路由算法的可達性，指出采用該路由算法， BOIN 網(wǎng)絡中的任何報文都必定在有限的時間內(nèi)由源結(jié)點傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點，并給出了這個由網(wǎng)絡規(guī)模所決定的傳輸延時上限。 為了準確地刻畫和評價 BOIN 網(wǎng)絡的性能，本文運用數(shù)學工具，分析了網(wǎng)絡在各個方向鏈路上的流量特征，并為其建立了數(shù)學模型，得到了 BOIN 網(wǎng)絡在規(guī)模和負載一定的情況下，其報文傳輸平均延時和平均吞吐率等性能指標的解析表達式。同時根據(jù)理論分析結(jié)果，給出了在一定的網(wǎng)絡總規(guī)模下網(wǎng)絡性能達到最優(yōu)時其拓撲結(jié)構(gòu)應該滿足的條件。模擬結(jié)果顯示，該模型正確反映了 BOIN 網(wǎng)絡的性能特征，為網(wǎng)絡的優(yōu)化設計提供了分析依據(jù)。 BOIN 網(wǎng)絡是為了實現(xiàn)高性能計算機內(nèi)部的高速互連而設計的一種光電互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此如何采取有效的方法，切實提高其互連性能，是本文的研究重點之一。文中著重研究了 BOIN 網(wǎng)絡的性能優(yōu)化技術，包括避免結(jié)點餓死的路由算法，以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的 BOIN2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。采用 BOIN2 網(wǎng)絡結(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。文中研究了 BOIN2 網(wǎng)絡的路由算法，證明了其與標準 BOIN 網(wǎng)絡相類似，同樣具有無死鎖 /無活鎖以及有限傳輸延時上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術能夠有效地提升 BOIN 互連網(wǎng)絡的性能，為大規(guī)模并行計算機的設計打下良好的基礎。 在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡中，容錯性能的高低是對網(wǎng)絡整體性能進行評價的重要指標。在本文中，針對大規(guī)模BOIN 網(wǎng)絡中可能存在的結(jié)點失效問題，提出了一種 FTBOIN 容錯光互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分析了在 FTBOIN 網(wǎng)絡中結(jié)點間的可達關系及其性質(zhì)，給出了兩個結(jié)點間存在可達路徑的充要條件，并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯性能和復雜度的容錯路由算法。實驗結(jié)果表明 FTBOIN 網(wǎng)絡具有良好的容錯能力，當網(wǎng)絡中發(fā)生結(jié)點失效時，能夠在可達結(jié)點之間實現(xiàn)無阻塞的路由。 本文面向高性能計算機內(nèi)部計算結(jié)點間的高速互連，對無緩存的 BOIN 光互連網(wǎng)絡進行了全面的研究，在其拓撲結(jié)構(gòu)、鏈路協(xié)議、路由算法以及性能模型等方面都進行了深入的探索，并且根據(jù)性能模型對 BOIN 網(wǎng)絡進行了優(yōu)化設計，同時還對 BOIN 網(wǎng)絡中的容錯路由技術進行了研究。上述研究成果對高性能計算機內(nèi)部互連網(wǎng)絡中遇到的實際問題給出了有效的解決方案，對并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和互連網(wǎng)絡的設計具有一定的理論 意義和應用價值。 作為解決大規(guī)模計算問題的重要手段，高性能計算機被越來越廣泛地應用到科學與工程的各個領域。隨著高性能計算技術的發(fā)展，高性能并行計算機的規(guī)模不斷擴大，對系統(tǒng)性能的要求也不斷提高。當前，提高大規(guī)模并行計算機的性能主要從兩個方面著手：單個計算結(jié)點性能的提高以及連接各計算結(jié)點的高速互連網(wǎng)絡的優(yōu)化與改進。隨著并行計算機規(guī)模的不斷增大，需要在更多的計算結(jié)點之間實現(xiàn)高效的互連，這對其內(nèi)部的高速互連網(wǎng)絡提出了更高的要求。如何設計大規(guī)模并行計算機內(nèi)部的高帶寬、高吞吐率、低延時的互連網(wǎng)絡，提高結(jié)點互連的效率和性 能，已成為高性能計算機體系結(jié)構(gòu)研究領域中亟待解決的重點和難點問題。 在高速數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境下，以銅導線為傳輸介質(zhì)的的電互連網(wǎng)絡存在帶寬低，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)絡性能進一步提高的瓶頸。光互連技術作為一種新的互連方式，具有帶寬高、功耗低、延時小、抗干擾等許多電互連不可比擬的優(yōu)點，成為并行計算機高速互連網(wǎng)絡的研究熱點之一。但是，在當前技術條件下，由于無法有效地實現(xiàn)光信號的緩存和邏輯處理，在一般的光互連系統(tǒng)中，需要在網(wǎng)絡中間結(jié)點上將到達的光信號轉(zhuǎn)換為電信號再進行路由判斷和緩存， 這勢必引入額外的傳輸延時。本文以降低光互連的額外開銷，提高互連網(wǎng)絡的實際性能為目標，針對當前光互連技術遇到的障礙，研究了高性能計算機內(nèi)部無緩存的高速光互連網(wǎng)絡技術，提出了一種不需要在中間結(jié)點進行光電轉(zhuǎn)換的無緩存的光互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)BOIN(BufferlessOpticalInterconnectionNetwork)，研究了其路由算法及其容錯技術，同時對 BOIN 網(wǎng)絡的性能進行了建模分析和優(yōu)化設計。論文的主要研究成果包括以下幾個方面： 針對當前光互連網(wǎng)絡中無法進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)點上將光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進行緩存排隊和路由選擇的 BOIN 光互連結(jié)構(gòu)。在 BOIN 網(wǎng)絡中，光數(shù)據(jù)報文始終在光鏈路上傳輸，其在中間結(jié)點上的路由判斷與選擇由與其同步傳輸?shù)碾娍刂茍笪膶崿F(xiàn)，從而避免了對光信號進行光電轉(zhuǎn)換。在文中研究了 BOIN 網(wǎng)絡的鏈路協(xié)議及端口沖突解決技術，提出了無死鎖 /無活鎖的路由算法，證明了路由算法的可達性，指出采用該路由算法， BOIN 網(wǎng)絡中的任何報文都必定在有限的時間內(nèi)由源結(jié)點傳輸?shù)侥康慕Y(jié)點，并給出了這個由網(wǎng)絡規(guī)模所決定的傳輸延時上限。 為了準確地刻畫和評價 BOIN 網(wǎng)絡的性能，本文運用數(shù)學工具，分析了網(wǎng)絡在各個方向鏈路上的流量特征，并為其建立了數(shù)學模型，得到了 BOIN 網(wǎng)絡在規(guī)模和負載一定的情況下，其報文傳輸平均延時和平均吞吐率等性能指標的解析表達式。同時根據(jù)理論分析結(jié)果，給出了在一定的網(wǎng)絡總規(guī)模下網(wǎng)絡性能達到最優(yōu)時其拓撲結(jié)構(gòu)應該滿足的條件。模擬結(jié)果顯示，該模型正確反映了 BOIN 網(wǎng)絡的性能特征，為網(wǎng)絡的優(yōu)化設計提供了分析依據(jù)。 BOIN 網(wǎng)絡是為了實現(xiàn)高性能計算機內(nèi)部的高速互連而設計的一種光電互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此如何采取有效的方法，切實提高其互連性能，是本文的研究重 點之一。文中著重研究了 BOIN 網(wǎng)絡的性能優(yōu)化技術，包括避免結(jié)點餓死的路由算法，以及具有高吞吐率和高鏈路利用率的 BOIN2 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。采用 BOIN2 網(wǎng)絡結(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。文中研究了 BOIN2 網(wǎng)絡的路由算法，證明了其與標準 BOIN 網(wǎng)絡相類似，同樣具有無死鎖 /無活鎖以及有限傳輸延時上限等性質(zhì)。模擬結(jié)果表明這些性能優(yōu)化技術能夠有效地提升 BOIN 互連網(wǎng)絡的性能，為大規(guī)模并行計算機的設計打下良好的基礎。 在大規(guī)模并行互連網(wǎng)絡中，容錯性能的高低是對網(wǎng)絡整體性能進行評價的 重要指標。在本文中，針對大規(guī)模BOIN 網(wǎng)絡中可能存在的結(jié)點失效問題，提出了一種 FTBOIN 容錯光互連網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，分析了在 FTBOIN 網(wǎng)絡中結(jié)點間的可達關系及其性質(zhì)，給出了兩個結(jié)點間存在可達路徑的充要條件，并根據(jù)該條件研究了幾種具有不同容錯性能和復雜度的容錯路由算法。實驗結(jié)果表明 FTBOIN 網(wǎng)絡具有良好的容錯能力，當網(wǎng)絡中發(fā)生結(jié)點失效時，能夠在可達結(jié)點之間實現(xiàn)無阻塞