Redes Estáticas

Universidade Federal do Rio de Janeiro
Pós-Graduação em I nformática
DCC/ I M - NCE/ UFRJ
Arquiteturas de Sistemas de
Processamento Paralelo
Redes de Interconexão
Gabriel P. Silva
Re de s de I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Topologia s
Un idim e n sion a is e Bidim e n sion a is
Tr idim e n sion a is e H ipe r cú bica s
Té cn ica s de Ch a ve a m e n t o
Ch a ve a m e n t o por pa cot e ( st or e - a n dfor w a r d)
Ch a ve m e n t o por cir cu it o
Vir t u a l Cu t - Th r ou gh
W or m h ole
Algor it m os de Rot e a m e n t o
D e t e r m in íst ico
Ada pt a t ivo
Gabriel P. Silva
Re de s de I n t e r con e x ã o Est á t ica s
N or m a lm e n t e u t iliza da s e m
a r qu it e t u r a s pa r a le la s por t r oca de
m e n sa ge n s ( m u lt icom pu t a dor e s) .
Re de s de in t e r con e x ã o e st á t ica s sã o
r e de s com t opologia ba se a da e m
gr a fos, on de ca da n ó é u m e le m e n t o
pr oce ssa dor e ca da a r e st a do gr a fo
r e pr e se n t a u m “lin k ” e n t r e dois
e le m e n t os pr oce ssa dor e s.
Gabriel P. Silva
Topologia s de Re de s de
I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Lin h a
Ca da pr oce ssa dor e st á con e ct a do a os se u s
vizin h os da e squ e r da e da dir e it a .
A m e n sa ge m é r e pe t ida m e n t e pa ssa da pa r a o
pr óx im o n ó a t é ch e ga r a o se u de st in o.
Bi- dim e n sion a l
An e l
Qu a n do o pr im e ir o e ú lt im os n ós da t opologia
e m lin h a e st ã o in t e r con e ct a dos
Est r e la
Um n ó a t u a com o n ó de con t r ole a o qu a l t odos
de m a is n ós e st ã o con e ct a dos
Por m a n ipu la r t oda a com u n ica çã o e n t r e os
n ós, o n ó ce n t r a l é o ga r ga lo do sist e m a .
Gabriel P. Silva
Topologia s de Re de s de
I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Bi- dim e n sion a l
Ár vor e
Um a á r vor e bin á r ia de pr ofu n dida de d
t e m 2 d - 1 n ós.
As r e de s e m á r vor e sofr e m de u m
ga r ga lo de com u n ica çã o n os n íve is
m a is a lt os da á r vor e bin á r ia .
Est e pr oble m a pode se r r e solvido
a u m e n t a n do a ca pa cida de de
com u n ica çã o dos “lin k s” qu e e st ã o
m a is pe r t o da r a iz. Est e r e de é
ch a m a da de “Ár vor e Gor da ”.
Gabriel P. Silva
Topologia s de Re de s de
I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Bi- dim e n sion a l
M a lh a Bi- dim e n sion a l
Ca da pr oce ssa dor t e m qu a t r o vizin h os
a os qu a is e st á con e ct a do por u m
“lin k ”.
A m a lh a bidim e n sion a l é u m a
e x t e n sã o do ve t or lin e a r .
Se a s du a s dim e n sõe s da m a lh a n ã o
for e m igu a is, t e m os u m a m a lh a
r e t a n gu la r .
Gabriel P. Silva
Topologia s de Re de s de
I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Gabriel P. Silva
Topologia s de Re de s de
I n t e r con e x ã o Est á t ica s
Gabriel P. Silva
I nt e r con e x ã o Est á t ica
Tr i- dim e n sion a l
Tor o ( M a lh a Con e ct a da n a s 2 dim e n sõe s )
Cu bo 3 - D
3 - cu be - con n e ct e d cycle
Tot a lm e n t e con e ct a da
Todos os n ós e st ã o con e ct a dos e n t r e si
por u m “lin k ” dir e t o.
O n ú m e r o de a r e st a s do gr a fo
t ot a lm e n t e con e ct a do é da do por :
d = n( n- 1 ) / 2
Est e t ipo de r e de é m u it o pou co u t iliz a do
de vido a os a lt os cu st os de com u n ica çã o.
Gabriel P. Silva
I nt e r con e x ã o Est á t ica
Tr i- dim e n sion a l
Gabriel P. Silva
Re de s de I n t e r con e x ã o
H ipe r cú bica
Um h ipe r cu bo é u m a m a lh a
m u lt idim e n sion a l de n ós pr oce ssa dor e s
com e x a t a m e n t e dois n ós e m ca da
dim e n sã o.
Um h ipe r cu bo com dim e n sã o d possu i u m
t ot a l de n = 2 * * d pr oce ssa dor e s:
d = 0 é u m h ipe r cu bo de dim e n sã o ze r o, com
a pe n a s u m n ó;
d = 1
n = 2 , u m h ipe r cu bo com 2 n ós
con e ct a dos por u m “lin k ”;
Um h ipe r cu bo de dim e n sã o d+ 1 con sist e de dois
h ipe r cu bos de dim e n sã o d.
Gabriel P. Silva
Pr opr ie da de s da Re de
H ipe r cú bica
1 . D ois n ós e st ã o con e ct a dos por u m “lin k ” se
su a n u m e r a çã o bin á r ia dife r e a pe n a s de
u m “bit ”.
2 . Ca da n ó e st á dir e t a m e n t e con e ct a do a
ou t r os d pr oce ssa dor e s .
3 . O n ú m e r o t ot a l de posiçõe s de bit s
dife r e n t e s e n t r e dois n ós é ch a m a da de
D ist â n cia de H a m m in g, H D , e n t r e e le s.
Est a dist â n cia é ca m in h o m a is cu r t o pa r a
u m a m e n sa ge m t r a fe ga r e n t r e e sse s dois
n ós. Por e x e m plo, a H D e n t r e o n ó 3 ( 0 1 1 )
e o nó 5 ( 1 0 1 ) é 2 .
Gabriel P. Silva
ht t p:/ / w w w .e se - m e t z.fr / m e t z/ pe r sonne l/ via lle / noe / N OE- H ype r Cube - 3 / j a va / hype r cube .ht m l
Gabriel P. Silva
Pr opr ie da de s da s Re de s de
I nt e r con e x ã o Est á t ica s
1 ) Gr a u do n ó: N ú m e r o de ca n a is qu e
in cide m e m u m n ó da r e de .
2 ) D iâ m e t r o: é a dist â n cia m á x im a e n t r e
qu a isqu e r dois n ós da r e de .
3 ) Con e ct ivida de : é a m e dida da
m u lt iplicida de de ca m in h os e n t r e dois n ós
qu a isqu e r .
4 ) La r gu r a da Bise çã o: é de fin ida com o o
n ú m e r o m ín im o de “lin k s” de
com u n ica çã o qu e n e ce ssit a m se r
r e m ovidos pa r a pa r t icion a r a r e de e m
du a s m e t a de s igu a is.
Gabriel P. Silva
Pr opr ie da de s da s Re de s de
I nt e r con e x ã o Est á t ica s
5 ) La r gu r a de Ba n da da Bise çã o: é de fin ido
com o o volu m e m ín im o de com u n ica çã o
e n t r e du a s m e t a de s da r e de com igu a l
n ú m e r o de n ós.
6 ) La r gu r a do Ca n a l: n ú m e r o de bit s de ca da
“lin k ” físico de com u n ica çã o.
7 ) Ta x a do Ca n a l: t a x a de pico de
t r a nsm issã o dos bit s a t r a vé s de ca da
“lin k ” físico.
8 ) Cu st o: O cu st o de u m a r e de pode se r
a va lia do pe la con t a ge m do n ú m e r o de
“lin k s” r e qu e r idos por t oda a r e de de
in t e r con e x ã o.
Gabriel P. Silva
Pa r â m e t r os de D e se m pe n h o
•
•
•
Ba n da Pa ssa n t e :
– Ta x a m á x im a com qu e a r e de é ca pa z
de t r a n sm it ir a in for m a çã o.
La t ê n cia :
– I n t e r va lo de t e m po ga st o por u m a
m e n sa ge m pa r a a t r a ve ssa r a r e de ;
– La t ê n cia = ove r h e a d + ( t a m . m e n sa ge m
/ ba n da pa ssa n t e ) .
Esca la bilida de
Gabriel P. Silva
Pr opr ie da de s da s Re de s de
I nt e r con e x ã o Est á t ica s
Topologia
Gr a u N ó
Lin h a
An e l
Est r e la
1 ou 2
N-1
2
N/ 2
1 ou
2
N-1
1 , 2 ou
2 log 2 *
3
( ( N+ 1) / 2)
2, 3,
2 ( N 1/ 2 – 1 )
ou 4
Ár vor e
Bin á r ia
M a lh a 2 D
D iâ m e t r o
Gabriel P. Silva
La r gu r a Cu st o
Bisse çã o ( Lin k s)
1
2
1
N-1
N
N-1
1
N–1
N 1/ 2
2( NN 1/ 2)
Pr opr ie da de s da s Re de s de
I nt e r con e x ã o Est á t ica s
Topologia
Tor o
Cu bo 3 - D
H ipe r cu bo
Com p.
Con e ct a da
Gr a u
Nó
D iâ m e t r o
La r gu r a
Bisse çã o
4
( N 1/ 2 – 1 )
2 * ( N 1/ 2)
2* N
3, 4, 5
ou 6
log 2 N
3 ( N 1/ 3 –
1)
log 2 N
N 2/ 3
N/ 2
N - 1
1
( N 2) / 4
2 ( NN 2/ 3)
( N log 2 N
) / 2
N( N-1)
/ 2
Gabriel P. Silva
Cu st o
( Lin k s)
Ex e m plos de Ar quit e t u r a s
com Re de s Est á t ica s
Cray T3-E: Torus 3-D, 600 Mbytes/ s por
link.
Cray T3-D: Torus 3-D, 300 Mbytes/ s
por link.
I ntel iPSC-2: Hipercubo, 2.8 Mbytes/ s
por link.
Chaos Router: Torus 2-D, 360 Mbytes/ s
por link.
MI T M-Machine: Malha 3-D, 800
Mbytes/ s por link.
Gabriel P. Silva
Nós: são os elementos ativos da rede,
que realizam a computação e o
roteamento das mensagens. São
compostos por:
I nterface de Rede
Roteador
Elemento Processador
Canais: conexões ponto-a-ponto por
onde trafegam as mensagens.
Gabriel P. Silva
Nó
Nó
Canal de
Comunicação
Nó
Gabriel P. Silva
Nó
Elemento
Processador
Roteador
I nterface
de Rede
Gabriel P. Silva
I nterface
de Rede
Como as mensagens são
transmitidas através da rede de
interconexão?
Existem dois métodos básicos:
Chaveamento de Pacotes
A mensagem é dividida em pacotes que
são enviados individualmente pela rede.
Chaveamento por Circuito
Um circuito físico é estabelecido entre o
destino e a origem para a transmissão da
mensagem. Gabriel P. Silva
Con h e cido t a m bé m com o “st or e - a n dfor w a r d”
A m e n sa ge m é dividida e m pa cot e s qu e
sã o e n via dos in de pe n de n t e m e n t e a t r a vé s
da r e de de con e x ã o
O pa cot e se r á t r a n sm it ido pa r a o n ó
vizin h o a pe n a s se h ou ve r e spa ço
dispon íve l pa r a o a r m a ze n a m e n t o
L = ( P/ B) * D
P
B
D
com pr im e n t o do pa cot e
la r gu r a de ba n da do ca n a l
dist â n cia e n t r e os n ós
A la t ê n cia é pr opor cion a l à dist â n cia
e n t r e os n ós
Gabriel P. Silva
Gabriel P. Silva
m e ssa ge m : A u n ida de de com u n ica çã o
do pon t o de vist a do pr ogr a m a dor . Se u
t a m a n h o é lim it a do a pe n a s pe lo e spa ço
n a m e m ór ia de u su á r io.
pa cot e : M e n or u n ida de de com u n ica çã o
de t a m a n h o fix o con t e n do in for m a çã o de
r ot e a m e n t o ( p. e x ., e n de r e ço de de st in o)
e de se qu e n cia m e n t o n o se u ca be ça lh o.
Se u t a m a n h o é da or de m de ce n t e n a s a
de ze n a s de byt e s ou pa la vr a s.
Gabriel P. Silva
flit : Menor unidade de inform ação no
nível do “ link” , com o t am anho de um a
ou várias palavras. Os Flit s podem ser
de diversos t ipos e o prot ocolo para o
envio de um flit consom e diversos
ciclos.
phit : A m enor unidade de inform ação
no nível físico que é t ransferida at ravés
de um link físico em um ciclo.
Gabriel P. Silva
Todo u m ca m in h o é e st a be le cido pe lo
e n vio de u m a pe qu e n a m e n sa ge m de
“son da ” a n t e s do e n vio da m e n sa ge m
pr in cipa l.
Os ca n a is qu e con st it u e m o cir cu it o sã o
r e se r va dos e x clu siva m e n t e .
L = ( P/ B) * D + M / B
P
com pr im e n t o da m e n sa ge m de
“son da ”
M
com pr im e n t o da m e n sa ge m
Se P < < M , la t ê n cia in de pe n de da
dist â n cia
Gabriel P. Silva
Solu çã o de com pr om isso.
A m e n sa ge m é dividida e m pe qu e n a s
u n ida de s ch a m a da s “flow con t r ol digit s”
ou “flit s”.
Os flit s sã o e n via dos, e m m odo pipe lin e ,
e n qu a n t o os ca n a is e st ive r e m
dispon íve is. Se a lgu m ca n a l r e qu isit a do
e st ive r ocu pa do, os flit s sã o a r m a ze n a dos
n os n ós in t e r m e diá r ios .
L = ( H F/ B) D + M / B
HF
com pr im e n t o do flit de ca be ça lh o
Se H F < < M , e n t ã o in de pe n de da dist â n cia
Gabriel P. Silva
É u m ca so e spe cia l do “vir t u a l cu t - t h r ough”
on de a ca pa cida de de a r m a ze n a m e nt o nos
n ós in t e r m e diá r ios é igu a l a 1 flit .
Pode r e a liza r r e plica çã o de pa cot e s, e nvia n do
cópia s de flit s pa r a dive r sos ca n a is de sa ída
pa r a im ple m e n t a r “m u lt ica st ” e “br oa dca st ”.
Com o uso de m ú lt iplos “buffe r s” pa r a ca da
ca n a l, é possíve l im ple m e nt a r ca n a is vir t u a is,
pa r a que dive r sa s m e nsa ge ns possa m
com pa r t ilh a r o m e sm o ca n a l físico.
L = ( H F/ B) * D + M / B
HF
com pr im e n t o do flit de ca be ça lh o
Se H F < < M , e n t ã o in de pe n de da dist â n cia
Gabriel P. Silva
Gabriel P. Silva
Gabriel P. Silva
H e a d e r o r P ro b e
M essage Body
T a il
6
5
N ode
4
3
2
1
5
10
15
20
25
30
20
25
30
20
25
30
T im e
(a ) S to re -a n d -F o rw a rd P a c k e t S w itc h in g
6
5
N ode
4
3
2
1
5
10
15
T im e
(b ) C irc u it S w itc h in g
6
5
N ode
4
3
2
1
5
10
15
T im e
(c ) W o rm h o le R o u tin g o r V irtu a l C u t-T h ro u g h
Gabriel P. Silva
Roteamento – Canais Virtuais
Gabriel P. Silva
Roteamento – Canais Virtuais
Vantagens
Aumentam o “throughput” da rede
pela reduçã o do tempo de ociosidade
do canal físico
Evitam a ocorrê ncia de “deadlock”
Facilitam o mapeamento da topologia
de comunicaçã o dos processos em
uma topologia física específica
Podem garantir a largura da banda
para certas funções de sistemas,
como monitoramento e depuraçã o
Gabriel P. Silva
Roteamento – Deadlock
“Deadlock” é uma situação onde um subconjunto de
mensagens está mutuamente bloqueado, esperando por
um “buffer” ser liberado por alguma das outras
mensagens deste subconjunto
Métodos de resolução de deadlock, que são causados
pelo estabelecimento de ciclos fechados:
Preempção das mensagens por re-roteamento
Preempção das mensagens por descarte
Uso de canais virtuais.
Desde que o número de canais virtuais seja suficiente, é
sempre possível quebrar os ciclos fechados nos
caminhos
de
transmissão
de
pacotes
e,
conseqüentemente, evitar a ocorrência de deadlocks.
Gabriel P. Silva
Roteamento – Deadlock
M e n sa ge m A
M e n sa ge m D
M e n sa ge m B
M e n sa ge m C
Gabriel P. Silva
Roteamento – Deadlock
Gabriel P. Silva
Roteamento – Multicast e Broadcast
Algumas redes de interconexão possuem
recursos de hardw are no roteamento de
mensagens para suportar diferentes tipos de
operações de comunicação.
Todas as redes suportam a comunicação
ponto-a-ponto ou “unicast”
Operações coletivas
“broadcasting” ( um nó origem envia uma mesma
mensagem para todos os outros)
“multicasting” ( um nó origem envia a mesma
mensagem para um grupo especificado de nós
destino) .
Gabriel P. Silva
Algu m a s r e de s de in t e r con e x ã o possu e m
r e cu r sos de h a r dw a r e n o r ot e a m e n t o de
m e n sa ge n s pa r a su por t a r dife r e n t e s t ipos
de ope r a çõe s de com u n ica çã o.
Toda s a s r e de s su por t a m a com u n ica çã o
pon t o- a - pon t o ou “u n ica st ”.
Ope r a çõe s cole t iva s:
“br oa dca st in g” ( u m n ó or ige m e n via
u m a m e sm a m e n sa ge m pa r a t odos os
ou t r os)
“m u lt ica st in g” ( u m n ó or ige m e n via a
m e sm a m e n sa ge m pa r a u m gr u po
e spe cifica do de n ós de st in o) .
Gabriel P. Silva
D e t e r m in íst icos
O ca m in h o é com ple t a m e n t e de t e r m in a do pe lo e n de r e ço dos n ós fon t e e
de st in o. Os n ós in t e r m e diá r ios, m e sm o
n o ca so de u m con ge st ion a m e n t o, n ã o
pode m r e dir e cion a r a s m e n sa ge n s.
Ada pt a t ivos
N o r ot e a m e n t o a da pt a t ivo os n ós
in t e r m e diá r ios le va m e m con t a o
e st a do a t u a l da r e de pa r a de t e r m in a r a
dir e çã o pa r a qu a l a m e n sa ge m de ve se r
e n via da .
Gabriel P. Silva
Algoritmos Determinísticos
Roteamento “street-sign”
Utilizado no roteamento do I w arp
Do tipo “Source routing”, ou seja, a informaçã o de
roteamento é montada no nó fonte.
Roteamento ordenado por dimensã o
Utilizado na “J-Machine”
Aplicado em Malhas N-dimensionais
Do tipo “Roteamento Distribuído”
Roteamento por tabela de busca
Do tipo “Roteamento Distribuído”
Em cada nó existe uma tabela indicando para qual
vizinho a mensagem deve ser roteada, de acordo com
o endereço destino
O I MS T9000 utiliza uma variante deste algoritmo
chamada de “interval labelling”.
Gabriel P. Silva
Algoritmos Adaptativos
Profitable
Seleciona apenas aqueles canais que garantidamente
levam a mensagem mais próxima do seu destino
Resultam em um caminho de menor comprimento
Não sofrem de “livelock”
São mais fáceis de demonstrar que são livres de
“deadlock”
Misrouting
Seleciona indistintamente qualquer dos canais
São vantajosos quando há canais defeituosos na rede
Gabriel P. Silva
Algoritmos Adaptativos
Progressivo
Mensagens não podem voltar no caminho
que elas já percorreram
Backtracking
As mensagens podem voltar e explorar
todas as opções entre os nós fonte e destino
Os cabeçalhos devem conter informação
para assegurar que não incorrerão em
“livelock”
São livres de “deadlock”
Não pode ser usado com “w ormhole”
I mplica em cabeçalhos muito longos e maior
latência
Gabriel P. Silva
Algoritmos Adaptativos
Os protocolos adaptativos podem ser
ainda completamente ou parcialmente
adaptativos
Exemplos:
“turn model”
parcialmente adaptatitvo,
progressivo, misrouting
“w est-first”
parcialmente adaptativo,
progressivo, misrouting
Gabriel P. Silva
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