Δίκτυα Διασύνδεσης. Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ. και Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Υπολογιστικών Συστημάτων

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχ. και Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Υπολογιστικών Συστημάτων Δίκτυα Διασύνδεσης 9 ο Εξάμηνο

2 Δίκτυα Διασύνδεσης E E E n Δίκτυο Διασύνδεσης M M k E/E E/E r Δίκτυα Διασύνδεσης για επικοινωνία μεταξύ: Processors, Memory Modules, I/O Disk Arrays

3 Τοπολογίες δικτύων διασύνδεσης: Στατικά δίκτυα (π.χ. Mesh, Hypercube,...) δημιουργούνται με σημείο προς σημείο (point-to-point) απευθείας συνδέσεις που δεν αλλάζουν κατά τη διάρκεια εκτέλεσης ενός προγράμματος, Δυναμικά δίκτυα (i.e., Bus, Crossbar Switches, Multistage,...) υλοποιούνται με διακοπτόμενα κανάλια επικοινωνίας (switched channels), που δημιουργούνται δυναμικά ανάλογα με τις ανάγκες επικοινωνίας ενός προγράμματος

4 Δίκτυα διασύνδεσης στο top (Νov. )

5 Χαρακτηριστικά συνδεσμολογιών Βαθμός κόμβου (node degree) d: αριθμός συνδέσμων σε ένα κόμβο πρέπει να είναι μικρός (λόγω κόστους) σταθερός (για επεκτασιμότητα) Indegree, Outdegree Διάμετρος δικτύου D: μέγιστο ελάχιστο μονοπάτι μεταξύ δύο οποιωνδήποτε κόμβων Όσο μικρότερη, τόσο καλύτερη η χειρότερη περίπτωση επικοινωνίας Εύρος τομής (bisection width) b: ο ελάχιστος αριθμός ακμών που κόβουμε, χωρίζοντας το δίκτυο στα δύο Αποτελεί ένα καλό δείκτη του μέγιστου εύρους ζώνης επικοινωνίας σε ένα δίκτυο

6 Χαρακτηριστικά συνδεσμολογιών Χρόνος αρχικής απόκρισης καθυστέρησης (network latency): μέγιστη καθυστέρηση για τη μεταφορά ενός μηνύματος μοναδιαίου μεγέθους Εύρος ζώνης (bandwidth): μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων-χωρητικότητα καναλιού

7 Χαρακτηριστικά συνδεσμολογιών Επεκτασιμότητα (scalability): δυνατότητα επέκτασης ενός δικτύου με χρήση των ίδιων στοιχείων Λειτουργικότητα (functionality): υποστήριξη του δικτύου σε λειτουργίες όπως δρομολόγηση, συλλογική επικοινωνία, συγχρονισμός, μονόπλευρή επικοινωνία, συνέπεια

8 Γραμμικό: Ν κόμβοι Ν- σύνδεσμοι Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Βαθμός d= για τους εσωτερικούς κόμβους Διάμετρος D=Ν- Εύρος τομής b= Δεν είναι συμμετρικό Επεκτάσιμο Διαφορά από το διάδρομο: διαφορετικά κανάλιασύνδεσμοι μπορούν να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα

9 Ορθογωνικό: Ν * Ν κόμβοι (Ν -) * (Ν -) σύνδεσμοι Βαθμός d= για τους εσωτερικούς κόμβους Διάμετρος D= (Ν -) + (Ν -) Εύρος τομής Ν ή Ν Δεν είναι συμμετρικό Επεκτάσιμο Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Διαφορά από το διάδρομο: διαφορετικά κανάλια-σύνδεσμοι μπορούν να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα

10 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Αστεροειδές: Ν κόμβοι Ν- σύνδεσμοι Βαθμός κεντρικού κόμβου d=n- Διάμετρος D= Εύρος τομής: N b Δεν είναι συμμετρικό

11 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Πλήρες: Ν κόμβοι Ν(Ν-)/ σύνδεσμοι Βαθμός κόμβου d=n- Διάμετρος D= Εύρος τομής b=(n/) Είναι συμμετρικό

12 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Δακτύλιος: Ν κόμβοι Ν σύνδεσμοι Βαθμός κόμβων d= Διάμετρος: N D Εύρος τομής b= Είναι συμμετρικό Element Interconnect bus (Cell B/E Interconnect)

13 Δένδρο (Δυαδικό δένδρο): N= k - κόμβοι Ν- σύνδεσμοι Βαθμός κόμβου d= (επεκτάσιμο) Διάμετρος: D=(k-) Εύρος τομής b= (bottleneck) Δεν είναι συμμετρικό Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης fat tree

14 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Mesh: N=n k κόμβοι k-διάστατο mesh με n κόμβους ανά διεύθυνση βαθμός κόμβου d=k διάμετρος δικτύου D=k(n-) Για ένα -διάστατο mesh: N=n κόμβοι Ν-n=n -n σύνδεσμοι Βαθμός εσωτερικών κόμβων d= Διάμετρος D=(n-) Εύρος τομής b=n Δεν είναι συμμετρικό

15 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Torrus : υποδιπλασιάζεται η διάμετρος για έναν n n δυαδικό torus (k=): Ν=n κόμβοι Ν σύνδεσμοι βαθμός κόμβου d= διάμετρος D Εύρος τομής n Είναι συμμετρικό n

16 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Torrus : Αναδίπλωση συνδέσεων για την εξισορρόπηση του μήκους των καλωδίων

17 Υπερκύβος: ή δυαδικός n-κύβος N= n κόμβοι nn/ σύνδεσμοι Βαθμός κόμβου d=n Διάμετρος D=n Εύρος τομής b=n/ Είναι συμμετρικό Άμεσος προσδιορισμός διαδρομής Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης

18 Αναδρομική Κατασκευή Υπερκύβων

19 Hypercube Routing Οι διευθύνσεις γειτονικών κόμβων διαφέρουν κατά bit

20 Hypercube Routing

21 Hypercube Routing

22 Hypercube Routing

23 Hypercube Routing

24 Παράδειγμα Προσδιορισμού Διαδρομής source destination

25 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Γενίκευση: k-δικός n-κύβος: N=k n κόμβοι nn σύνδεσμοι Βαθμός κόμβου d=n Διάμετρος: D k n Εύρος τομής b=kn- Είναι συμμετρικό

26 Στατικά Δίκτυα Διασύνδεσης Cube Connected Cycles: Αντικαθιστούμε στο δυαδικό k-κύβο κάθε κόμβο ( k σύνολο) με δακτύλιο k κόμβων (k ) Ν=k k (k-ccc) κόμβοι Ν/ σύνδεσμοι k k- k k- Βαθμός κόμβου d= ανεξάρτητα από διάσταση Διάμετρος D=k + k/ - Εύρος τομής b=n/(k) Είναι συμμετρικό

27 Χαρακτηριστικά συνδεσμολογιών Τύπος Δικτύου Κόμβοι Σύνδεσμοι Βαθμός κόμβου Διάμετρος δικτύου Εύρος τομής Συμμετρία Γραμμικό Ν Ν- Ν- Όχι Δακτύλιος Ν Ν Ναι Πλήρες Ν Ν(Ν-)/ Ν- (Ν/) Ναι N / Δυαδικό δένδρο Ν= k - Ν- (k-) Όχι Αστεροειδές Ν Ν- Ν- Όχι D-Mesh N=n N-n (n-) n Όχι Iliac Mesh N=n N N- n Όχι n / D-Torus N=n N n Ναι Υπερκύβος Ν= n nn/ n n N/ Ναι CCC N=k k N/ N/(k) Ναι k k / N / k-δικός n-κύβος n k / Ν=k n nn n k n- Ναι

28 BlueGene/Q : D torus BlueGene/P : binary tree, D torus K computer: 6D torus Infiniband configuration: fat tree Δίκτυα εμπορικών συστημάτων Historical note (987): Connection Machine CM-, 89 nodes, hypercube

29 Δυναμικά Δίκτυα Διασύνδεσης Διάδρομος time sharing ή contention bus χρειάζεται: διαιτησία του διαδρόμου χειρισμός των interrupts πρωτόκολλο συνάφειας επεξεργασία των transactions (π.χ. split-transaction) πλεονεκτήματα: χαμηλό κόστος μειονεκτήματα: μη επεκτάσιμο περιορισμένο εύρος ζώνης master: παράγουν αιτήσεις για έλεγχο του bus slave: π.χ. μνήμες. κάρτες δικτύου, περιφερειακά

30 Δυναμικά Δίκτυα Διασύνδεσης Διάδρομος P C P C P C I/O system Memory Disks

31 Δυναμικά Δίκτυα Διασύνδεσης Δίκτυα πολλαπλών βαθμίδων Δίκτυα με σταυρωτούς διακόπτες

32 Δίκτυο διασύνδεσης με σταυρωτούς διακόπτες n διακόπτες για n μονάδες E M M E/E E/E E E E

33 Δίκτυο πολλαπλών βαθμίδων Switch (switching network- dynamic topology): Είσοδοι επεξεργαστών Έξοδοι επεξεργαστών log N βαθμίδες N/ διακόπτες/βαθμίδα λιγότεροι από Ν, αλλά πιο αργοί

34 ε Τύποι διακοπτών ε ε

35 Δίκτυο γενικευμένου κύβου Είσοδος Έξοδος Βαθμίδες xor-tag routing

36 Αναδρομική κατασκευή

37 Δίκτυο omega (shuffle) xor-tag routing destination-tag routing

38 Δίκτυο πεταλούδας βαθμίδες η η

39 Principles and Practices of Interconnection Networks (The Morgan Kaufmann Series in Computer Architecture and Design),William James Dally Interconnection Networks: An Engineering Approach (Hardcover) Jose Duato, Sudhakar Yalamanchili, Lionel M. Ni