并行計算機的互連網絡

宋玉艷

東北空管局通信網絡中心（沈陽 110000）

并行計算機的互連網絡

宋玉艷

東北空管局通信網絡中心（沈陽 110000）

并行計算機系統是當前計算機技術的綜合，是計算機領域的發展前沿，其中的關鍵技術是互連網絡，是影響著系統性能的瓶頸，因而對并行計算機的互連網絡的研究是具有重要意義的。

并行計算機 互連網絡

1 傳統的分類方法

傳統的并行機互連網絡，主要是進行處理器、存儲器和I/O設備之間的互連，傳統的分類方法是：靜態互連網絡和動態互連網絡，機群作為現代并行機系統的一種重要類型，其互連網絡主要連接獨立的完整的計算機節點，通常采用高速商用網絡。

1.1 靜態互連網絡

所謂靜態網絡（Static NetWorks）是指處理單元間有著固定連接的一類網絡，在程序執行期間，這種點和點的連接保持不變。典型的靜態網絡有一位線形陣列、二維網孔、樹連接、超立方網格、立方環、洗牌交換網、蝶形網絡。

1.2 動態互連網絡

動態網絡（Dynamic NetWorks）是用交換開關構成的，可按照應用程序的要求動態地改變連接組態。三個著名的動態連接是總線、交叉開關和多級互連網絡。這些互連具有200 Mb/s 和100 Gb/s的數據傳輸速率。

1.3 機群中的互連網絡

在機群系統中，特別是在工作站機群中，一般采用商用的網絡來進行節點間的互連，如Myrinet、Hippi、光纖通道和FDDI環、ATM、可擴展一致性接口SCI以及以太網。以下分別簡單介紹。

（1）Myrinet是由Myricom公司設計的千兆位包交換網絡，目的是為了構筑計算機機群，使系統互連成為成為一種商業產品。它能假設任意拓撲結構，不必限定為開關網孔或者任何規則的機構。Myrinet支持計算機機群的應用有很大的潛力，但是，與總線縣相關的主機接口在將許多各異的主機連接到Myrinet時仍有限制。

（2）HiPPI是Los Alamos國家實驗室于1987年提出的一個標準，其目的是試圖統一來自不同產商生產的所有大型機和超級計算機的接口，在大型機和超級計算機工業界，HiPPI作為短距離的系統到系統以及系統到外設連接的高速I/O通道。

現在，超級HiPPI技術早已開發成功，由于它提供完全不同的實現方式，因而缺乏和傳統的HiPPI通道的向后兼容。

（3）光纖通道和FDDI環

光纖通道和FDDI是在多個處理器之間和處理器和外圍設備之間的兩種類型，兩者都是為了開發光纖技術。

（4）ATM（Asynchronous Transfer Mode）

由成立于1991年的ATM論壇和ITU標準定義，起源于Telecom公司，在因特網主干線上以MAN和WAN形式出現。是一種獨立于介質的消息傳輸協議，目的是將實時和突發數據的傳輸合并為單一的網絡技術，支持LAN和WAN的需求。目前，大多數計算機公司都有各自的ATM組網技術，以支持企業和局域網。

ATM網絡在數字電話、事務處理、分布式多媒體處理等各個方面都有很廣泛的應用，尤其在電信工業，ATM實現了許多寬帶ISDN服務。

（5）SCI（Scalable Coherence Interface）

它是一種既保持了總線的優點又具有傳統網絡空間的擴展性的標準互連結構，它將通常的底板總線擴展到全雙工、點到點的互連結構，并提供分布共享存儲器一致的高速緩存映像。

2 并行計算機互連網絡有待研究的內容

由于并行計算機用戶數量的局限，雖然互連網絡走過了幾十年的歷程，但是發展依舊緩慢，尚有很多課題內容供我們發掘研究，包括：

（1）互連網絡拓撲結構的應用開發 主要包括對已有拓撲結構的應用研究、研究新的變形結構和開發新的拓撲結構

（2）新型開關模塊的研究 主要包括了開關模塊的結構研究和新型材料開關的研究

（3）互連代數的研究 屬于理論研究，是一項現代技術，互連函數為了表示互連網絡中終點和源點之間的關系。

3 并行計算機互聯網絡的發展趨勢

隨著通信技術的發展，全光網作為一種新興的光纖通信網技術，引起學術界廣泛的關注。在這種網絡中，數據由源節點到目的節點的傳輸和交換過程都在光域內進行，中間不存在任何光電之間的轉換，從而避免了由電子器件產生的“電子瓶頸”現象．全光網具有高帶寬、信號透明、兼容性好、可擴放、可重構、結構簡單、可靠性高等優點。從而使得這種新興技術成為構建互連網絡的關鍵技術。全光互連網絡也成為并行計算機的重要發展方向。

光網絡是利用光纖作為傳輸媒介，利用光信號傳輸來進行信息交換的網絡。光網絡備受矚目，是因為它擁有許多優點。其中大多數優點是由于采用光纖作為通信介質的緣故。具體有①較大的帶寬；②較好的信號質量；③布署和維護容易；④安全性好。

全光網是在光網絡的基礎上發展起來的光纖通信網技術。全光網絡中，數據由源節點到目的節點的傳輸和交換都在光域內完成，中間不使用任何光電轉換器。全光網具有高帶寬、信號透明、兼容性好、可擴放、可靠性高等優點。為了充分利用全光網中的高帶寬，在光纖中根據波長的不同將光纖的帶寬分成多個不重疊的波長通道，任兩個相鄰的通道間留有一定的間隔頻段以避免信號間的串擾。每個波長通道的傳輸速率與電子設備和光傳輸器/接收器的速率相匹配。這就是波分復用（wavelength division multiplex，簡稱WDM）。盡管現在基于波分復用技術的全光網還沒有達到完全實用化，但是基于WDM技術的全光網己成為了通信網絡研究的重要方向。

雖然采用波分復用技術的全光網中存在多個不同波長的通信信道，但是由于受到目前技術的限制，一根光纖中可以容納的波長數是有限的，所以波長就成為光網中的一種重要的資源。如何充分利用已有的波長仍是全光網研究中的一個重要問題。

[1]陳國良,吳俊敏,章鋒等.并行計算機體系結構.北京:高等教育出版社,2002.

[2]Jose ,Duato Sudhakar Yalamanchili,Lionel Ni 并行計算機互連網絡技術——一種工程方法.北京:電子工業出版社,2004.

[3]李文兵,裴偉東,馬燕.大規模并行處理機的互連網絡初探.天津師大學報,2000（3）.

文婷）