高阶互连网络拓扑结构的设计与分析

摘要

信息化概念深入人心的今天，数据传输速度快、网络规模大、系统性能好已成为人们对高性能计算最迫切的要求。路由芯片的带宽和链路技术随着微电子技术的迅猛发展不断提高，传统的高性能互连网络成为制约高性能计算系统性能进一步提升的关键因素。为了更好的应对性能和规模的挑战，人们提出使用高阶路由器解决传统的高性能互连网络的制约。但是，随着路由芯片端口数的增加，传统的互连网络拓扑结构已经不能满足系统的需求，人们不得不进一步考虑互连网络拓扑结构的设计问题。因此，基于高阶路由芯片的高性能互连网络，如何充分利用高阶路由器提供的丰富链路端口，设计带宽扩展均衡、网络直径小、对称性好、互连成本低的拓扑结构是高阶互连网络发展的关键。基于上述问题，本文的研究内容从以下四个方面展开：
　　1.深入了解高阶路由芯片和互连网络的发展现状，对高阶路由芯片及高阶互连网络拓扑结构进行了深入研究，分析总结了高阶路由器对互连网络拓扑结构设计的影响和低阶互连网络拓扑结构使用高阶路由器的局限性，为设计高阶互连网络拓扑结构奠定了基础。
　　2.针对调研高阶互连网络拓扑结构现状的结果着重分析了三个典型高阶互连网络拓扑结构Fat tree、Flattened Butterfly和Dragonfly，这三种拓扑结构均不同程度地利用了高阶路由器和传统低阶互连网络拓扑结构的特点，如k元n立方体、Butterfly等，在理论分析的基础上通过互连网络模拟器xNetSim进行评测。结果表明这三种拓扑结构不仅能够支持更大规模的网络而且有效减少了网络直径，降低了网络延迟。但是在扩展性、二分带宽、成本开销等方面仍然存在不足。
　　3.针对典型高阶互连网络拓扑结构存在的不足，提出了一种新的可扩展高阶互连网络拓扑结构SuperStar，不仅对SuperStar的基本结构进行理论分析而且研究了结构的拓展变形，并针对SuperStar网络实现了两种路由算法。通过xNetSim模拟器平台进行了SuperStar与其他高阶拓扑结构的性能比较以及SuperStar在不同路由算法下的性能比较。
　　4.在OMNeT++开发平台上，设计和实现了支持大规模微片级互连网络的模拟器xNetSim。深入了解了基于OMNeT++离散事件开发平台的层次化设计方法，并根据测评需要，主要完成路由计算和拓扑生成以及通信模式等部分的实现。
　　根据理论分析和基于离散事件模拟平台OMNeT++开发的大规模微片级互连网络模拟器xNetSim的测评结果表明，本文提出的SuperStar拓扑结构具有较优的可扩展性和较低网络延迟等性能指标。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 论文主要工作与贡献

1.3 论文组织结构

第二章 高阶互连网络研究现状

2.1 互连网络背景知识

2.2 高阶路由器微体系结构

2.3 高阶路由器对互连网络拓扑结构设计的影响

2.4 本章小结

第三章 典型高阶互连网络拓扑结构性能分析与研究

3.1 Fat tree

3.2 Flattened Butterfly

3.3 Dragonfly

3.4 性能比较

3.5 本章小结

第四章 SuperStar：一种可扩展高阶互连网络拓扑结构

4.1 SuperStar

4.2 路由算法

4.3 性能比较

4.4 本章小结

第五章 基于OMNeT++开发的模拟器xNetSim

5.1 OMNeT++简介

5.2 xNetSim结构设计

5.3 模拟数据的收集

5.4 本章小结

第六章 结束语

6.1 工作总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果