浅论光互连并行处理系统中互连结构与路由算法研究

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1、华中科技大学博士学位论文光互连并行处理系统中互连结构与路由算法研究姓名：李非申请学位级别：博士专业：计算机系统结构指导教师：李之棠20031001摘要电互连网络存在着许多严重制约高性能并行计算机系统性能进一步提高的障碍而光互连来代替电导互连有着无庸置疑的先进性许多分析和定量研究以及一些技术权威们也都肯定了采用光互连所带来的先进之处,并行处理中的光互连技术也是当前计算机界和光电子界的热门研究领域传统的微小型计算机系统结构一般都是基于总线结构的而总线是一种共享通信介质连接在上面的每个通信对象只能得到总线的一部分带宽由于受到诸多物理参数的限制总线带宽的提高已变得越来越困难因此在高性能系统中总线已成为

2、系统通信的瓶颈而集中式的I/O管理策略不仅降低了应用程序运行效率同时也使得I/O设备利用率难以提高随着各种高速I/O设备数目的增长该瓶颈问题还将越来越严重基于光交换网络的并行PC系统结构能较好地克服了传统PC机系统结构的缺陷能有效解决I/O通信及控制瓶颈问题同时在其交换网络中使用了光互连技术使得系统能够突破电子瓶颈的限制从而有更高的互连带宽以满足系统内高速通信的需求使用面向对象的方法对并行PC系统结构的总体框架数据交换网络以及分布式独立I/O结构进行设计将传统的CPU及外部设备封装为通信端对象CTO将总线和交换网络封装为通信载体对象CCO光交叉开关为中心的交换网络结构为整个并行PC系统的核心在

3、此基础上进行了网络接口光交叉开关模块以及系统内部的精简通信协议的设计用排队论为系统建立了I/O通信模型并在此基础上分别对传统的总线结构单交叉开关的互连结构以及多交叉开关互连的交换网络的I/O通信性能分别进行了评价结果表明在系统负载很轻时使用总线单个交叉开关以及交换网络的通信性能十分接近但当系统负载比较重时总线系统的通信处理时间迅速增加而并行PC系统仍保持较好的性能其中单交叉开关结构性能最优但扩展性较差总线结构的性能最III差而使用多交换开关网络的系统的综合性能最佳用随机高级Petri网为系统建立了I/O结构模型并以此为基础分析基于总线的I/O结构和分布式独立I/O结构的性能结果显示与传统的基于

4、总线的I/O结构相比在分布式独立I/O结构下无论是I/O设备的利用率还是进程的执行效率均有显著提高并且在I/O设备及进程数增多的情况下分布式独立I/O仍然能表现出很好的性能并行PC系统的可扩展性与交换网络的拓扑结构密切相关扩展后的交换网络需要新的的网络管理模型和网络通讯协议互连网络结构直接影响到并行处理系统性能与硬件开销一种新的在NIN互连结构的基础上提出的互连拓扑结构在保持网络直径仍为常数的条件下大幅度降低了原结构的硬件复杂度所设计的相应的路由算法被证明是无死锁的偏转路由算法不需要中间节点的存储器是一种适用于光互连网络的路由算法而MS是一种常用的光互连拓扑结构该结构的某些特征使得它非常适合使

5、用偏转路由算法新的双通道MS互连网络结构继承了MS网的优点在此基础上设计了新的受限包优先的贪婪偏转路由算法用马尔可夫链方法对该路由算法进行性能分析结果表明双通道MS结构下的算法在网络吞吐率偏转概率等性能上均优于单通道MS网络将光互连技术应用了并行处理和微小型计算机系统中是未来的发展趋势目前光互连技术已经发展得越来越成熟在板级互连已经到了实用阶段而片内互连技术也已经开始研究电互连的电子极限终将会到来新的光互连技术将迎来新的光通讯时代关键词并行处理光互连并行PC交叉开关排队论Petri网性能评价偏转路由IVAbstractTherearemanydisadvantagesontraditional

6、electricalinterconnectionnetwork,whichlimitedimprovementofparallelcomputersystemperformance.Opticsoffermanybenefitsforinterconnectinglargenumbersofprocessingelements,butmayrequireustorethinkhowwebuildparallelcomputersystemsandcommunicationnetworks,andhowwewriteapplications.Fullyexploringthecapabilit

7、iesofopticalinterconnectionnetworksrequiresaninterdisciplinaryeffort.Traditionalmicro/minicomputersystemsarebasedonsharedbuswithlimitedcapabilityofscalability,thusthebusformsthebottleneckforthesystem’