电子商务网站功能模块,如何申请一个网站,营销策略国内外文献综述,北京住房建设厅网站A Simple Interconnection Network 一个简单的互连网络 2.1 网络规范和约束2.2 拓扑2.3 路由2.4 流量控制2.5 路由器设计性能分析 A Simple Interconnection Network 一个简单的互连网络 我们将研究简单互连网络的架构和设计#xff0c;以提供全局视图。我们将研究最简单的…A Simple Interconnection Network 一个简单的互连网络 2.1 网络规范和约束2.2 拓扑2.3 路由2.4 流量控制2.5 路由器设计性能分析 A Simple Interconnection Network 一个简单的互连网络 我们将研究简单互连网络的架构和设计以提供全局视图。我们将研究最简单的网络具有下降流量控制的蝶形网络。尽管最终的网络成本高昂但它强调了互连网络设计的许多关键方面。在后面的章节中我们将学习如何创建更高效​​、更实用的网络。 2.1 网络规范和约束 与所有工程设计问题一样网络设计从一组描述我们希望构建的规范和一组限制潜在解决方案范围的约束开始。 表 2.1 总结了本章示例网络的规格。这些规格包括网络的大小64 个端口和每个端口所需的带宽。如表中所示峰值和平均带宽相等这意味着输入以 0.25 GB/s 的速率连续注入消息。 这些规格包括网络的大小64 个端口和每个端口所需的带宽。如表中所示峰值和平均带宽相等这意味着输入以 0.25 GB/s 的速率连续注入消息。 随机流量其中每个输入以相同的概率发送到每个输出预计消息大小为 4 到 64 字节。 此外服务质量和可靠性规范允许丢弃数据包。也就是说并非每个数据包都需要成功传送到目的地。正如我们将看到的丢弃数据包的能力将简化我们的流量控制实现。 我们的示例网络设计的约束如表 2.2 所示。这些约束指定了每个包装级别的容量和成本。我们的网络由组装在电路板上的芯片组成电路板上又通过电缆连接。这些约束指定了可以通过每个级别的模块接口传递的信号数量1以及每个模块的成本。对于电缆约束还指定了在不减少电缆带宽的情况下可以通过的最长距离。 2.2 拓扑 我们的示例网络具有蝶形拓扑。从单个输入端口的角度来看蝴蝶看起来像一棵树。 参见图 2.1。树的每一层都包含交换节点与终端节点不同交换节点不发送或接收数据包而仅传递数据包。此外每个通道都是单向的如箭头所示从输入流向输出节点图中从左到右。 我们还必须决定网络的加速确定蝴蝶的基数并确定如何将拓扑映射到封装级别。网络的加速比是网络总输入带宽与网络理想容量的比率。容量被定义为假设完美的路由和流量控制网络在给定流量模式下可以实现的最佳吞吐量。加速比为 1 的设计意味着输入的需求与网络传输流量的理想能力完全匹配。提供更多的加速可以增加设计的余量并允许实现中的非理想情况。 对于蝶形网络将每个网络通道的大小设置为与单个输入端口具有相同的带宽可实现 1 的加速。要看到这一点请考虑随机流量下对任何特定通道的需求 - 将每个输入的流量比例相加通过该通道发送的请求始终等于输入端口带宽。 在设计的网络中相当于设计带宽为 0.25 GB/s 的通道。我们选择加速比为8。对加速比的选择以及封装限制决定了每个开关节点的输入和输出数量称为蝶形基数。例如图2.1中的蝶形设计的基数为2。每个开关节点都在单个芯片上实现因此通道总数输入和输出乘以通道宽度不得超过每个芯片的信号150的限制。 为了实现 8 的加速我们需要 8 × 0.25 2 Gbytes/s 的网络通道带宽这需要 16 个信号每个信号以 1 Gbit/s 的速度运行。考虑到 2 个额外的开销信号通道有 18 个信号宽我们只能在芯片上安装 150/18 ≈ 8 个通道。因此我们选择基 4 蝶形每个开关节点有 4 个输入通道和 4 个输出通道总共 8 个通道。 为了将每个输入端口连接到所有 64 个输出端口我们的蝶形需要 log4 64 3 级或级的开关节点。因此我们的网络将是一个基数 4、3 级蝶形网络或简称为 4 元 3-fly。该网络的完整拓扑如图 2.2 所示。 设计拓扑的最后一步是对其进行封装。我们已经做出了一项封装决定即为每个芯片放置一个交换节点。通过选择网络基数以满足每个芯片的限制我们知道开关节点是在我们的设计限制内封装的。这些芯片必须安装在电路板上并且为了最小化成本我们希望在电路板上安装尽可能多的开关芯片。 2.3 路由 我们简单的蝴蝶网络采用目的地标签路由destination-tag routing其中目的地地址的位用于选择网络每一级的输出端口。在我们的 64 节点网络中目标地址是 6 位。每级交换机使用 2 个地址位来选择 4 个交换机输出中的 1 个将数据包定向到剩余节点的适当四分之一。例如考虑将数据包从输入 12 路由到输出节点 35 100011。请注意交换机输出选择的顺序完全独立于数据包的输入端口。例如从节点 51 到输出 35 的路由遵循相同的选择顺序。 2.4 流量控制 网络的通道每个周期传输 16 位宽的物理数字或 phits 数据。但是我们指定网络必须传送包含 32 到 512 位数据的整个数据包。因此我们使用一个简单的协议如图 2.4 所示将 phits 组装成数据包。如图所示每个数据包都包含一个标头 phit后跟零个或多个有效负载 phit。标头 phit 表示新数据包的开始并且还包含我们的路由算法使用的目标地址。有效负载 phits 保存数据包的实际数据分为 16 位块。给定数据包的 phits 必须是连续的、无中断的。 该字段描述了每个16位字是标头H、有效载荷P还是空N字。数据包的长度可以是任意的但始终由一个H字后跟零个或多个P字然后依次跟随零个或多个N字组成。使用正则表达式表示流经链接的零个或多个数据包可以描述为(H P ∗N ∗)∗。 主要的流量控制工作为数据包分配资源。为简单起见我们的蝴蝶网络使用丢弃流量控制。如果数据包到达交换机时所需的输出端口正在使用中那么数据包将被丢弃丢弃。流量控制假定某种高级别的端到端错误控制协议最终会重新发送丢弃的数据包。丢弃数据包是最糟糕的流量控制方法之一因为它具有较高的数据包丢失率并且会浪费通道带宽因为最终会丢弃这些数据包。 2.5 路由器设计 我们的蝶形网络中的每个交换节点都是一个路由器能够在其输入上接收数据包根据路由算法确定其目的地然后将数据包转发到适当的输出。 单个路由器的框图如图2.5所示。路由器的数据路径由四个 18 位输入寄存器、四个 18 位 4:1 多路复用器、四个移位器用于移位标头 phits 的路由字段和四个 18 位输出寄存器组成。 Phits 在每个时钟周期到达输入寄存器并路由到所有四个多路复用器。在每个复用器处相关的分配器检查每个 phit 的类型和每个头 phit 的下一跳字段并相应地设置开关。来自所选输入的Phits接下来被路由到移位器。在分配器的控制下移位器将所有头位向左移动两位以丢弃当前路由字段并暴露下一个路由字段。顾名思义每个分配器将一个输出端口分配给四个输入端口之一。 分配器的第二级是一个四输入固定优先级仲裁器。仲裁器接受四个请求信号并生成四个授权信号。 我们经常使用 Verilog 寄存器传输语言RTL模型来描述硬件。 Verilog 模型是模块的文本描述描述其输入、输出和内部功能。 性能分析 我们通过三个指标来衡量一个互连网络成本、延迟和吞吐量。延迟和吞吐量都是性能指标延迟是数据包遍历网络所需的时间吞吐量是网络每秒从输入到输出可以传输的位数。 如图2.9所示数据包以λ的速率注入网络。不是用每秒位数来表示 λ而是将其标准化为 2 GB/s 的通道带宽因此 λ 1 对应于以通道允许的最大速率注入数据包。在数据包进入网络之前它们会与通过网络重新发送的数据包合并。这两个速率 p0 的总和就是注入网络第一阶段的数据包的总速率。在第一阶段可能会发生一些数据包冲突并且一小部分数据包 p1 将通过而不被丢弃。速率 p0 - p1 的差异表示已丢弃的数据包。如果要重新发送丢弃的数据包这些数据包将流回输入并重新注入。类似地第二阶段p2和第三阶段p3的输出速率将由于更多的冲突和丢包而继续下降。 因此对于网络的第i1阶段交换机的每个端口的输入速率为pi。由于速率已经被归一化它们也可以解释为在任何特定周期内到达输入端口的数据包的概率。然后离开特定输出端口的数据包的概率pi1等于不希望该输出端口的数据包的概率的补。由于流量模式是随机的每个输入将以pi/4的概率希望一个输出因此没有任何输入希望到达特定输出的概率就是(1 - pi/4)^4。(2.1) 因此第i1阶段的输出速率pi1为pi1 1 - (1 - pi/4)^4。(2.2) 应用方程2.2 n 3次分别用于网络的每个阶段并瞬时忽略重新发送的数据包p0 λ我们计算得到在输入占空比为λ 0.125对应于速度增益为8的情况下三个交换阶段的输出占空比分别为0.119、0.114和0.109。也就是说以0.125的流量占链路容量作为网络输入网络的接受流量或吞吐量仅为0.109。其余的0.01612.6%的数据包由于网络中的冲突而被丢弃。 图2.10绘制了我们示例网络的提供流量和吞吐量之间的关系。两个轴都归一化到网络的理想容量。我们可以看到在负载非常低时几乎所有的流量都通过了网络吞吐量等于提供的流量。然而随着提供的流量的增加丢弃很快就成为一个主要因素如果不重新发送数据包网络的吞吐量将远低于提供的流量。最终吞吐量达到饱和达到43.2%的渐近值。无论提供给网络多少流量我们都无法实现超过43.2%的通道容量的吞吐量无论数据包是否被重新发送。请注意我们可以将该网络的速度增益设置为低至2.5从而将最大注入速率限制为0.4。然而最初选择速度增益为8将在延迟方面带来好处我们将在之后看到。此外我们的网络实际上只实现了不到一半的容量这也是为什么几乎从不在实践中使用丢弃流控制的主要原因。在第12章中我们将看到如何构建流量控制机制使我们能够在不饱和的情况下使网络的运行速率超过90%的通道容量。 图2.11还显示了另一个延迟曲线它包含了队列时间的模型。随着吞吐量接近饱和延迟增长到无穷大的形状在互连网络中更为典型。 请务必记住公式 2.3 和图 2.11 给出了数据包的平均延迟。对于许多应用程序我们不仅对平均延迟感兴趣而且对延迟的概率分布感兴趣。特别是我们可能会担心最坏情况下的延迟或延迟的变化有时称为抖动。 对于蝶形网络来说这是最好的情况。正如我们将看到的对于某些流量模式例如位反转6网络的性能比此处描述的要差得多。蝶形网络对不良流量模式的敏感性很大程度上是由于从网络的每个输入到每个输出只有一条路径。我们将看到具有路径多样性的网络在困难的负载下表现得更好。