Diseño De Una Red De Interconexión

Una red de interconexión en una máquina paralela que transfiere la información de cualquier nodo de origen a cualquier nodo de destino deseado. Esta tarea debe realizarse con la menor latencia posible. Debes permitir que un gran número de esas transferencias se efectúen simultáneamente. Además, debe ser barata en comparación con el costo del resto de la máquina.

La red está compuesta de enlaces y conmutadores, lo que ayuda a enviar la información del nodo de origen al nodo de destino. Una red se especifica por su topología, algoritmo de enrutamiento, estrategia de conmutación y mecanismo de control de flujo.

Estructura organizativa

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Las redes de interconexión están compuestas por los siguientes tres componentes básicos -

• Enlaces - Un enlace es un cable de una o más fibras ópticas o cables eléctricos con un conector en cada extremo conectado a un interruptor o puerto de interfaz de red. A través de esto, una señal analógica es transmitida desde un extremo, recibida en el otro para obtener el flujo de información digital original.
• Conmutadores - Un conmutador se compone de un conjunto de puertos de entrada y salida, una "barra cruzada" interna que conecta todas las entradas con todas las salidas, un buffer interno y una lógica de control para efectuar la conexión entrada-salida en cada momento. Generalmente, el número de puertos de entrada es igual al número de puertos de salida.
• Interfaces de red - La interfaz de red se comporta de manera muy diferente a los nodos de conmutación y puede conectarse mediante enlaces especiales. La interfaz de red da formato a los paquetes y construye la información de enrutamiento y control. Puede tener un búfer de entrada y salida, en comparación con un conmutador. Puede realizar una verificación de errores de extremo a extremo y un control de flujo. Por lo tanto, su costo se ve influido por la complejidad de su procesamiento, la capacidad de almacenamiento y el número de puertos.

Red de interconexión

Las redes de interconexión están compuestas por elementos de conmutación. La topología es el patrón para conectar los interruptores individuales con otros elementos, como procesadores, memorias y otros interruptores. Una red permite el intercambio de datos entre procesadores en el sistema paralelo.

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• Redes de conexión directa - Las redes directas tienen conexiones punto a punto entre nodos vecinos. Estas redes son estáticas, lo que significa que las conexiones punto a punto son fijas. Algunos ejemplos de redes directas son los anillos, las mallas y los cubos.
• Redes de conexión indirecta - Las redes indirectas no tienen vecinos fijos. La topología de comunicación puede cambiarse dinámicamente en función de las demandas de la aplicación. Las redes indirectas pueden subdividirse en tres partes: redes de bus, redes multietapa y conmutadores de barras transversales.
• Redes de bus - Una red de bus está compuesta por un número de líneas de bits a las que se conectan una serie de recursos. Cuando los buses utilizan las mismas líneas físicas para los datos y las direcciones, las líneas de datos y las de direcciones se multiplexan en el tiempo. Cuando hay varios maestros de bus conectados al bus, se requiere un árbitro.
• Redes multietapa - Una red multietapa consiste en múltiples etapas de conmutadores. Se compone de conmutadores "axb" que se conectan utilizando un patrón de conexión entre etapas (ISC) particular. Los pequeños elementos de conmutación 2x2 son una elección común para muchas redes multi-etapa. El número de etapas determina el retardo de la red. Al elegir diferentes patrones de conexión entre etapas, se pueden crear varios tipos de redes multi-etapa.
• Conmutadores de barra transversal - Un conmutador de barra transversal contiene una matriz de elementos de conmutación simples que pueden encenderse y apagarse para crear o romper una conexión. Al encender un elemento interruptor en la matriz, se puede realizar una conexión entre un procesador y una memoria. Los interruptores de barra cruzada no tienen bloqueo, es decir, todas las permutaciones de comunicación pueden realizarse sin bloqueo.

Evaluación de las compensaciones de diseño en la topología de la red

Si la principal preocupación es la distancia de la ruta, entonces hay que maximizar la dimensión y hacer un hipercubo. En el enrutamiento de almacenamiento y retransmisión, suponiendo que el grado de conmutación y el número de enlaces no sean un factor de coste significativo, y que el número de enlaces o el grado de conmutación sean los costes principales, la dimensión tiene que ser minimizada y se debe construir una malla.

En el peor de los casos, el patrón de tráfico de cada red es preferible tener redes de gran dimensión en las que todos los trayectos sean cortos. En los patrones en los que cada nodo se comunica sólo con uno o dos vecinos cercanos, se prefiere tener redes de baja dimensión, ya que sólo se utilizan realmente algunas de las dimensiones.

Rutas

El algoritmo de enrutamiento de una red determina cuál de los posibles caminos desde el origen hasta el destino se utiliza como ruta y cómo se determina la ruta seguida por cada paquete en particular.

El enrutamiento de orden de dimensión limita el conjunto de caminos legales de modo que haya exactamente una ruta de cada fuente a cada destino. La que se obtiene recorriendo primero la distancia correcta en la dimensión de orden superior, luego la siguiente dimensión y así sucesivamente.

Mecanismos de enrutamiento

La aritmética, la selección de puertos basada en la fuente y la búsqueda de tablas son tres mecanismos que los conmutadores de alta velocidad utilizan para determinar el canal de salida a partir de la información del encabezamiento del paquete.

Todos estos mecanismos son más simples que el tipo de cálculos de enrutamiento general implementados en los enrutadores tradicionales de LAN y WAN. En las redes informáticas paralelas, el conmutador necesita tomar la decisión de enrutamiento para todas sus entradas en cada ciclo, por lo que el mecanismo debe ser simple y rápido.

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Enrutamiento determinístico

Un algoritmo de enrutamiento es determinante si la ruta que toma un mensaje está determinada exclusivamente por su origen y destino, y no por otro tráfico en la red. Si un algoritmo de enrutamiento sólo selecciona los trayectos más cortos hacia el destino, es mínimo, de lo contrario no es mínimo.

Libertad de bloqueo

El bloqueo puede ocurrir en varias situaciones. Cuando dos nodos intentan enviarse datos el uno al otro y cada uno comienza a enviar antes de recibir, puede producirse un bloqueo "frontal". Otro caso de bloqueo ocurre cuando hay múltiples mensajes compitiendo por recursos dentro de la red.

La técnica básica para demostrar que una red no está bloqueada consiste en eliminar las dependencias que pueden existir entre los canales como resultado de los mensajes que se mueven por las redes y mostrar que no hay ciclos en el gráfico general de dependencia de los canales; por lo tanto, no hay patrones de tráfico que puedan conducir a un bloqueo.

La forma común de hacerlo es numerar los recursos de los canales de manera que todas las rutas sigan una determinada secuencia creciente o decreciente, de modo que no surjan ciclos de dependencia.

Diseño del interruptor

El diseño de una red depende del diseño del interruptor y de cómo se conectan los interruptores. El grado del conmutador, sus mecanismos de enrutamiento interno y su amortiguación interna deciden qué topologías pueden ser soportadas y qué algoritmos de enrutamiento pueden ser implementados. Como cualquier otro componente de hardware de un sistema informático, un conmutador de red contiene la ruta de datos, el control y el almacenamiento.

Puertos

El número total de pines es en realidad el número total de puertos de entrada y salida multiplicado por el ancho del canal. A medida que el perímetro del chip crece lentamente en comparación con el área, los interruptores tienden a estar limitados por pines.

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Datapath interno

La ruta de datos es la conectividad entre cada uno de los puertos de entrada y cada puerto de salida. Generalmente se conoce como la barra cruzada interna. Una barra cruzada no bloqueante es aquella en la que cada puerto de entrada puede conectarse a una salida distinta en cualquier permutación simultáneamente.

Búferes de canal

La organización del almacenamiento intermedio dentro del interruptor tiene un impacto importante en el rendimiento del interruptor. Los routers e interruptores tradicionales tienden a tener grandes búferes SRAM o DRAM externos al tejido del interruptor, mientras que en los interruptores VLSI el búfer es interno al interruptor y sale del mismo presupuesto de silicio que la ruta de datos y la sección de control.

A medida que el tamaño y la densidad del chip aumenta, se dispone de más buffer y el diseñador de la red tiene más opciones, pero aún así el buffer inmobiliario es una elección primordial y su organización es importante.

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Control de flujo

Cuando múltiples flujos de datos en la red intentan utilizar al mismo tiempo los mismos recursos compartidos de la red, se debe tomar alguna medida para controlar esos flujos. Si no queremos perder ningún dato, algunos de los flujos deben ser bloqueados mientras que otros siguen adelante.

El problema del control de los flujos se plantea en todas las redes y a muchos niveles. Pero es cualitativamente diferente en las redes informáticas paralelas que en las redes locales y de área amplia. En las computadoras paralelas, el tráfico de la red debe ser entregado con una precisión similar a la del tráfico a través de un autobús y hay un número muy grande de flujos paralelos en una escala muy pequeña.

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