无缓冲光互连网络的延时性能分析及优化
第３６卷Ｖ０１．３６第５期
Ｎｏ．５
计算机工程
ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１０年３月
Ｍａｒｃｈ２０１０
?博士论文?文章编号；ｌｏｏｏ一３４２８（２０ｌｏＪ０５—帅１２．－０３文献标识码ｌＡ中图分类号：ＴＰ３０３无缓冲光互连网络的延时性能分析及优化
齐星云，窦强，冯权友，陈永煞，窦文华
（国防科技大学计算机学院，长沙４１００７３）
攮要：针对当前高性能计算机光互连网络中光缓冲不易实现的问题，提出一种无缓冲的光互连网络结构ＢＯＩＮ，在对网络结构进行建模和分析的基础上，研究网络的传输延时随不同输入负载和网络规模而变化的规律，给出在一定互连总规模和输入负载下，网络延时达到最小值时网络拓扑结构所必须满足的条件。模拟实验证明了该结果的正确性。
关健诃：高性能计算机系统；处理器间互连；无缓冲光互连；网络传输延时；网络拓扑优化
Ａｄ３＂ａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＤｅｌａｙ
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ＢｕｆｆｅｒｌｅｓｓＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ
ＱＩＸｉｎｇ?ｙｕｎ，ＤＯＵＱｉａｎｇ，ＦＥＮＧＱｕａｎ－ｙｏｕ，ＣＨＥＮＹｏｎｇ－ｒａｎ，ＤＯＵＷｅｎ－ｈｕａ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００７３）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｂｕｆｆｅｒｓｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｈｉ【曲ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｅｒｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉｆｆｉｃｕｌｔｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｂｕｆｆｅｒｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｎａｍｅｄＢｕｆｆｅｒｌｅｓｓＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ（ＢＯＩＮ）．Ｂａｓｅｄｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｄｅｌａｙａｎｄｔｈｅｏｆｆｅｒｅｄｌｏａｄｓａｓｗｅｌｌａｓｎｅｔｗｏｒｋｓｉｚｅｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｍｉｎｉｍａｌｄｅｌａｙｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｉｎａｆｉｘｅｄｏｆｆｅｒｅｄＬｏａｄｓａｎｄｔｏｔａｌｎｕｍｂｅｒｏｆｎｏｄｅｓｉｓｇｉｖｅｎｏｕｔ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｒｉｇｈｔ．
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓｌｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｉｎｔｅｒ－ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｂｕｆｆｅｒｌｅｓｓｏｐｔｉｃａｌｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｅｌａｙ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙ
在高性能计算机系统中，采用光互连技术实现各处理单元之问的高速互连已经成为一种趋势１１－３１０然而，在当前技术条件下，实现系统的全光互连还存在２大技术障碍：缺乏有效的光缓冲技术以及不能有效地直接对光数据信号进行逻辑处理。这造成了高性能计算机互连网络性能的很大损失。针对这种问题，本文提出了一种不需要对光数据信号进行光电转换并缓存的光互连结构ＢＯＩＮ（ＢｕｆｆｅｒｌｅｓｓＯｐｔｉｃａｌＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ），并在此基础上研究了如何进一步提高网络的传输延时。
１ＢＯＩＮ光互连网络结构
一个规模为ｍｘｎ的ＢＯＩＮ网络１４１由ｍｎ个网络节点组成，通过相互问的光链路组成一个ｍｘｎ的单向Ｔｏｒｕｓ网络结构。每个网络节点Ｎ（ｘ，Ｙ）（Ｏａｘ＜ｍ一１，Ｏ≤ｙ≤ｎ－１）由３个２×２的光开关及１个处理单元组成，３个２ｘ２的光开关根据在节点内部所处的位置和功能不同，分别记为Ｓ（ｘ，ｙ，的，ｓ（ｘ，Ｙ，ｙ）和Ｓ（ｘ，ｙ，Ｄ，如图１所示。
团光开关●处理单元
圈１ＢＯＩＮ同络节点
Ｓ（ｘ，Ｙ，Ｄ负责将从节点的ｘ一方向端口和ｙ＿方向端１３到达的数据转发到节点的ｎ方向或ｙ＋方向的端Ｅｌ；Ｓ（ｘ，Ｙ，ｘ）负责
将从Ｓ（ｘ，Ｙ，Ｄ和处理单元Ｐ（ｘ，ｙ）到来的数据报文送至节点的
ｘ＋端口；Ｓ（ｘ，ｙ，ｙ）负责将从Ｓ（ｘ，ｙ，Ｄ到来的数据送至节点的ｙ＋
端口或处理单元Ｐ（ｘ，ｙ）。每个光开关都具有２个状态：直通（／３和交叉（ｏ，当处于直通状态时，从水到达的信号送达．ｎ，从ｙ－到达的信号送达ｙ＋；当处于交叉状态时，从．）（一到达的信号送达ｎ，从ｙ．到达的信号送达ｘ＋。
ｒ／Ｉｎ个网络节点在ｘ方向和ｙ方向分别互相连接，组成一个ｍ×ｎ的ＢＯＩＮ网络，如图２所示。在ＢＯＩＮ网络中，任何相邻２个节点之间的光链路都是等长的，设其长度为Ｌ。
同时设光数据信号在链路上传输的带宽为曰，前进速率为Ｃ。同时令网络中传输的每个数据报文的长度为Ｄ＝吆，这样，每个数据报文从一个节点上发出的时间％恰好等于光信号在Ｌ长的链路上的传输时间钐。令ＡＴ＝％＝钐，称△ｒ为
，Ｌ，…
ＢＯＩＮ网络中的一个单位时间片。一个数据报文在一个ＡＴ的开始时刻由某个节点发出，经过ＡＴ时间，到下一个ＡＴ的开始时刻，该报文的最后一位刚好发送完成，同时第一位已经经过长度为Ｌ的链路，到达下一个节点入口。这样，整个报文相当于缓存在网络链路上，不需要在每个节点处对数据进基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０６０３０６４，６０６０３０６１）
作者筒介：齐星云（１９７９一），男，博士研究生，主研方向：高性能计
算机体系结构，高速互连网络；窦强，副研究员、博士；冯权友。博士研究生；陈永然，博士；窦文华，教授、博士生导师
收藕日捆：２００９—１０—２０Ｅ．．ｍａｉｌ：ｑｉ＿ｘｉｎｇｙｕｎ＠ｎｕｄｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
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