專利名稱：帶寬可擴展的互連網(wǎng)絡(luò)以及在其中傳送數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多計算機系統(tǒng)中的互連網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及其中包括控制平面和數(shù)據(jù)平面的并且該數(shù)據(jù)平面的帶寬是可擴展的互連網(wǎng)絡(luò)以及在該互連網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)的方法。
由于結(jié)構(gòu)問題和物理限制，常規(guī)馮·諾伊曼計算機的性能是有限的。為了克服這樣的限制把不同的計算機互連起來以允許并行處理。即，連接多個單處理機或者多個對稱的多處理機(SMP)以并行處理并實現(xiàn)高性能計算機系統(tǒng)。采用這種多計算機并行處理方法的系統(tǒng)包括預(yù)定數(shù)量的節(jié)點和一個用于在節(jié)點之間傳送報文的互連網(wǎng)絡(luò)。
在這種情況下，系統(tǒng)的總性能取決于每個節(jié)點的性能以及連接各節(jié)點的該互連網(wǎng)絡(luò)的性能。互連網(wǎng)絡(luò)的性能是用節(jié)點間的帶寬和等待時間確定的。從而，為了在短時間內(nèi)從一個源節(jié)點向目的地節(jié)點發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，互連網(wǎng)絡(luò)必須提供寬的帶寬和小的等待時間。尤其，例如決策支持系統(tǒng)(DSS)和多媒體系統(tǒng)的新領(lǐng)域需要在節(jié)點之間傳送大量的數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用造成需要改進(jìn)互連網(wǎng)絡(luò)的性能。
圖1表示多計算機系統(tǒng)中互連網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點的總結(jié)構(gòu)。互連網(wǎng)絡(luò)提供通過其節(jié)點可互相通信的通路。它們可以具有不同的結(jié)構(gòu)，例如環(huán)、Banyan樹、樹、超立方體、網(wǎng)和環(huán)面。上述的結(jié)構(gòu)各具有優(yōu)點和缺點。常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)的公共特性將參照網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)說明。
圖2表示具有普通二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。在圖2中，各個交叉點代表一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。節(jié)點包括計算部件(CU)和路由器。路由器和其它相鄰節(jié)點連接并且當(dāng)把互連網(wǎng)絡(luò)和CU考慮成獨立元素時構(gòu)成部分互連網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)要在節(jié)點之間傳送報文時必須首先建立通路。從線路交換方法。包交換方法、蛀洞(wormhole)路由方法以及虛擬開鑿方法中選出的一種適當(dāng)方法可用來設(shè)定通路。通常，在設(shè)計路由器時確定通路設(shè)定方法。因為在確定互連網(wǎng)絡(luò)的等待時間中通路的設(shè)定是很重要的，在選擇設(shè)定通路的方法之前必須全面考慮各種因素，例如系統(tǒng)的最終使用、報文的長度和傳送頻率。
通常，一個路由器為了設(shè)定通路、管理互連網(wǎng)絡(luò)以及檢測網(wǎng)絡(luò)錯誤需要和其它相鄰的路由器交換特定目的的信息。在常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)中，這些信息和普通的數(shù)據(jù)一起共享互連網(wǎng)絡(luò)的相同鏈路。但是，在這種情況下不能有效地構(gòu)造互連網(wǎng)絡(luò)的鏈路。即，在常規(guī)的互連網(wǎng)絡(luò)里，當(dāng)必須經(jīng)常傳送大量的數(shù)據(jù)時，用于設(shè)定通路或管理互連網(wǎng)絡(luò)的控制信號和要傳送的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)的鏈路，從而在它們之間產(chǎn)生不可避免的干擾。從而，損害有效帶寬和等待時間。另外，因為必須同時處理控制信號和傳送數(shù)據(jù)，路由器的設(shè)計變得麻煩并且確定通路所需的時間變得更長。
而且，當(dāng)在諸如NCR公司的BYNET、Tandem公司的服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)和IBM公司的HPS的常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計互連網(wǎng)絡(luò)的路由器時，路由器之間的鏈路的帶寬是確定的。這樣，在為了用于下一代應(yīng)用需要改進(jìn)互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬和等待時間的情況下，常規(guī)的互連網(wǎng)絡(luò)不提供進(jìn)行改進(jìn)的適宜機制。
通常，為了增加帶寬，必須采用高速半導(dǎo)體技術(shù)或者增加半導(dǎo)體芯片的引腳數(shù)量。但是，這些方法需要已經(jīng)達(dá)到的半導(dǎo)體集成技術(shù)中的許多成果，并且在許多情況中需要它的最突出成果。并行地重疊多個互連網(wǎng)絡(luò)是一種提高有效總帶寬的替代辦法。利用這種辦法有可能增加可經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)同時傳送的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的吞吐量。但是，這不能得到可以通過提高路由器中的鏈路的帶寬得到的各種好處。即，在采用二個重疊的互連網(wǎng)絡(luò)的情況下，有可能同時傳送二條報文，但是不可能減少傳送一條報文所需的時間。
在圖3中，對按照常規(guī)技術(shù)重疊互連網(wǎng)絡(luò)的情況和增加鏈路的帶寬的情況進(jìn)行比較。假設(shè)要發(fā)送的報文的長度為M并且常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬為W。報文傳輸時間為M/W，因為在二個獨立的互連網(wǎng)絡(luò)情況下選擇網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2中的一個。同時，在加倍帶寬的情況下，有可能把報文傳輸時間減小到M/2W。因此，重疊互連網(wǎng)絡(luò)的一個重要原因?qū)嶋H上是通過冗余提供錯誤容限而不是擴大帶寬。此外，因為常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)通常不能提供加倍帶寬的作用，為了擴大帶寬，必須重新設(shè)計路由器。
下面將參照


常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)共有的結(jié)構(gòu)問題。假定互連網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖4A至4C表示根據(jù)常規(guī)技術(shù)的網(wǎng)狀平面內(nèi)的報文傳送過程。在圖4A至4C中，A、B和C代表源節(jié)點，而A’、B’和C’代表對應(yīng)的目的地節(jié)點。可以采用線路交換方法、包交換方法和蛀洞路由方法中的任一方法。首先，在圖4A中，已把報文的通路設(shè)定為從A到A’并正傳送數(shù)據(jù)。B和C處于設(shè)定通路的處理之中。此時，因為A已經(jīng)使用B和C所需使用的通路的一部分，由B傳送的報文的標(biāo)題和由C傳送的報文的標(biāo)題必須分別在(1，1)節(jié)點和(2，1)節(jié)點中待用，直至A完成報文的傳送并且釋放它所使用的通路。當(dāng)A完成報文的傳送時，在(1，1)節(jié)點待用的B的報文標(biāo)題和在(2，1)節(jié)點待用的C的報文標(biāo)題可以著手設(shè)定到達(dá)它們各自的目的地節(jié)點的通路。圖4B表示這樣的過程。如圖4C中所示，B和C完成設(shè)定通路并且可以沿著設(shè)定的通路向各自的目的地節(jié)點傳送報文。從而，當(dāng)一條報文的標(biāo)題被別的報文阻塞時，在常規(guī)互連網(wǎng)絡(luò)中，由于設(shè)定通路的處理，等待時間變長。因為其它的節(jié)點在源節(jié)點和目的地節(jié)點釋放阻塞的通路之前不能設(shè)定通路。
本發(fā)明的一個目的是提供一種多計算機系統(tǒng)中的互連網(wǎng)絡(luò)，在該系統(tǒng)中該互連網(wǎng)絡(luò)里的帶寬是可擴展的并且要求相同的等待時間而不管數(shù)據(jù)的長度及頻率，其中通過在互連網(wǎng)絡(luò)中附加地包括一個控制平面和一個數(shù)據(jù)平面來設(shè)定通路并且該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬是可擴展的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種在上述互連網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)的方法。
為了達(dá)到第一個目的，提供一種其帶寬可擴展的互連網(wǎng)絡(luò)，用于在構(gòu)成一個多計算機系統(tǒng)的預(yù)定數(shù)量的處理機之間發(fā)送和接收報文，其包括一個控制平面和一個或更多的數(shù)據(jù)平面，控制平面包括和處理機連接的用于交換控制信息及生成與為在處理機之間傳送的報文設(shè)定通路有關(guān)的信息的若干控制路由器，以及一條用于把控制路由器按預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起的控制線，每個數(shù)據(jù)平面包括若干個和處理機連接的用于利用由控制路由器產(chǎn)生的報文上的通路信息發(fā)送和接收報文的數(shù)據(jù)路由器，以及一條用于把數(shù)據(jù)路由器和控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起的數(shù)據(jù)線。
為達(dá)到第二個目的，提供一種在由一個控制平面和一個或多個具有和控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)平面構(gòu)成的互連網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)的方法，其包括步驟從源節(jié)點向目的地節(jié)點沿著一條根據(jù)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中間節(jié)點的通路傳送帶有目的地節(jié)點地址的標(biāo)題信息，從而建立橫跨控制平面?zhèn)魉蛨笪牡囊粭l通路；在橫跨控制平面的該通路上向數(shù)據(jù)平面?zhèn)魉托畔ⅲ瑥亩⒁粭l橫跨數(shù)據(jù)平面用于傳送報文的通路；釋放該已建立的橫跨控制平面的通路以便傳送其他報文，并且沿著已建立的橫跨數(shù)據(jù)平面的通路向目的地節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。
通過參照附圖對本發(fā)明的最佳實施方式的詳細(xì)說明本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點會更為清晰，附圖是圖1表示多計算機系統(tǒng)中互連網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點的總結(jié)構(gòu)；圖2表示按照常規(guī)技術(shù)的網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)；圖3對比按照常規(guī)技術(shù)的重疊互連網(wǎng)絡(luò)情況和增大鏈路的帶寬的情況；圖4A至4C表示按照常規(guī)技術(shù)網(wǎng)狀平面中的報文傳送過程；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的具有一維結(jié)構(gòu)的互連網(wǎng)絡(luò)；圖6是一個流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳送方法；圖7表示作為本發(fā)明的一種實施方式的二維網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)；圖8A至8C表示根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)狀平面中的報文傳送過程；以及圖9表示一種結(jié)構(gòu)，其中根據(jù)本發(fā)明的互連網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)平面的帶寬增至三倍。
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
在本發(fā)明中，由物理上獨立的網(wǎng)絡(luò)分別運送在節(jié)點之間傳送的數(shù)據(jù)和互連網(wǎng)絡(luò)為傳送數(shù)據(jù)所需的控制信號。傳送控制信號的網(wǎng)絡(luò)被稱為控制平面，而傳送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)被稱為數(shù)據(jù)平面。
如圖5中所示，按照本發(fā)明的互連網(wǎng)絡(luò)分離成控制平面和數(shù)據(jù)平面?？刂破矫嫱ㄟ^接口適配器570、572和574和構(gòu)成節(jié)點的處理機連接并且包括每個節(jié)點一個的控制路由器510、512和514，控制路由器用于交換設(shè)定報文通路的控制信息、管理互連網(wǎng)絡(luò)和檢測錯誤?？刂破矫孢€包括一條控制線540，用于按預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接控制路由器。數(shù)據(jù)平面通過接口適配器570、572和574和構(gòu)成節(jié)點的處理機連接，并且包括每個節(jié)點一個的用于設(shè)定處理機間傳送的報文通路的數(shù)據(jù)路由器520、522和524。數(shù)據(jù)平面還包括數(shù)據(jù)傳送線550，用于按和控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接數(shù)據(jù)路由器520、522和524。
數(shù)據(jù)平面可擴充成大于1的預(yù)定數(shù)量的平面。圖5表示可擴充的2號數(shù)據(jù)平面(包括數(shù)據(jù)路由器530、532和534以及數(shù)據(jù)傳送線560)，并且示出可擴充的數(shù)據(jù)平面的數(shù)量在接口適配器570、572和574所施加的限制之內(nèi)。
圖6是一個流程圖，表示根據(jù)本發(fā)明的一種傳送數(shù)據(jù)的方法。按照本發(fā)明，從源節(jié)點到目的地節(jié)點的通路是在控制平面中確定的(步驟600)。即，從源節(jié)點發(fā)送的標(biāo)題包含目的地節(jié)點的地址。接收該標(biāo)題的節(jié)點基于目的地節(jié)點的地址確定它的通路。當(dāng)在控制平面上完成通路的確定時，該通路上的每個控制平面路由器向數(shù)據(jù)平面上的對應(yīng)路由器給出通路信息(步驟610)。以這種方式在數(shù)據(jù)平面上構(gòu)造通過它可以從源節(jié)點向目的地節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的通路。在完成設(shè)定通路的處理時，在控制平面上朝著目的地節(jié)點傳送標(biāo)題，并且在各數(shù)據(jù)平面(第一數(shù)據(jù)平面、第二數(shù)據(jù)平面、…)上數(shù)據(jù)隨著標(biāo)題水平地移動。因此，本發(fā)明稱為Tornado路由方法(步驟620)。
本發(fā)明可應(yīng)用于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，環(huán)、Banyan樹、樹、超立方體、網(wǎng)和環(huán)面。但是，在本發(fā)明的實施方式中，將說明二維網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的二維網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)。在圖7中所示的二維網(wǎng)狀平面結(jié)構(gòu)中，細(xì)線代表控制平面而粗線代表數(shù)據(jù)平面。在圖7中，數(shù)據(jù)平面只采用一個平面。但是，如圖9中所示，物理上分離的數(shù)據(jù)平面是可擴充的。在本發(fā)明中，控制平面和數(shù)據(jù)平面使用不同的路由器，它們分別稱為控制路由器和數(shù)據(jù)路由器。
圖8A至8C表示在根據(jù)本發(fā)明的網(wǎng)狀平面中傳送報文的過程。在圖8A中，來自A的報文已經(jīng)正在沿著一條設(shè)定的通路傳送，而來自B和C的報文必須使用由A的報文占據(jù)的通路上的節(jié)點。在本發(fā)明中，因為數(shù)據(jù)平面是和控制平面分離的并且通路是在控制平面上設(shè)定的，B和C的報文可以在不考慮報文A在數(shù)據(jù)平面上的路徑下進(jìn)行通路設(shè)定。一旦控制路由器在控制平面上設(shè)定通路，該通路信息被傳送給和該相同節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)路由器。接著，利用該通路信息，數(shù)據(jù)路由器要以開始沿著由控制平面確定的通路傳送報文。圖8B表示一種情況，其中B和C的報文的通路已經(jīng)設(shè)定，但A的報文仍阻塞這些通路。在A的通路釋放之前B和C的報文可以傳送到節(jié)點(1，1)和(2，1)。從而，因為已經(jīng)設(shè)定了B和C的通路，一旦A釋放通路可以立即傳送報文，沒有為了設(shè)定B和C的通路造成的延遲，如圖8C中所示。
圖9表示一種為了把帶寬增至三倍把數(shù)據(jù)平面的數(shù)量擴充二個的實施方式。請注意，該互連網(wǎng)絡(luò)的帶寬理論上是可擴展的。根據(jù)本發(fā)明，因為在這種互連網(wǎng)絡(luò)里控制平面和數(shù)據(jù)平面是分離的有可能任意地擴展僅數(shù)據(jù)平面的帶寬，并且因為設(shè)定通路時所消耗的等待時間與橫跨該互連網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)的長度和頻率無關(guān)有可能構(gòu)造高速互連網(wǎng)絡(luò)。因此，有可能構(gòu)造一種利用寬的帶寬和短的等待時間的適應(yīng)性強的多計算機系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種其帶寬要擴展的互連網(wǎng)絡(luò)，用于在預(yù)定數(shù)量的構(gòu)成一個多計算機系統(tǒng)的處理機之間發(fā)送和接收報文，包括一個控制平面，包括多個控制路由器和一條控制線，控制路由器和處理機連接并用于交換控制信息及生成與為在處理機之間傳送的報文設(shè)定通路有關(guān)的信息，控制線用于按預(yù)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)把控制路由器連接在一起；以及一個或多個數(shù)據(jù)平面，各包括若干數(shù)據(jù)路由器和一條數(shù)據(jù)傳送線，每個數(shù)據(jù)路由器和處理機連接并用于利用由控制路由器生成的報文上的通路信息傳送和接收報文，數(shù)據(jù)傳送線用于把數(shù)據(jù)路由器按和控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起。
2.一種在包括一個控制平面和一個或多個具有和該控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)平面的互連網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)的方法，包括下列步驟(a)從源節(jié)點到目的地節(jié)點沿著根據(jù)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)部節(jié)點的通路傳送帶有該目的地節(jié)點的地址的標(biāo)題信息，從而建立一條用于橫跨該控制平面發(fā)送報文的通路；(b)橫跨控制平面在該通路上向數(shù)據(jù)平面?zhèn)魉托畔?，從而建立一條橫跨數(shù)據(jù)平面用于發(fā)送報文的通路；(c)釋放已建立的橫跨控制平面的通路以便發(fā)送其他報文；以及(d)沿著已建立的橫跨數(shù)據(jù)平面的通路向目的地節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
全文摘要
具有分離的控制平面和數(shù)據(jù)平面且?guī)捒蓴U展的互連網(wǎng)絡(luò),包括一個控制平面和一個或多個數(shù)據(jù)平面,控制平面包括若干控制路由器和一條控制線,控制路由器用于交換控制信息及生成設(shè)定報文傳送通路的信息,各個數(shù)據(jù)平面包括若干數(shù)據(jù)路由器和一條數(shù)據(jù)傳送線,每個數(shù)據(jù)路由器用于利用控制路由器生成的報文上的通路信息發(fā)送和接收報文,數(shù)據(jù)傳送線用于把數(shù)據(jù)路由器按和控制平面相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接在一起。
文檔編號G06F15/177GK1191349SQ9810370
公開日1998年8月26日 申請日期1998年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月27日
發(fā)明者金甲英 申請人:三星電子株式會社