并行处理与体系结构

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1、1,5 千兆位网络技术,一、问题的提出,1.机群系统,如下图,一个典型的计算机结构,2,1.机群系统,基本含义,5个体系结构概念融为一个机群，它是全体计算机(结点)的互连集。这些互连的 计算机能集体地工作，尤如一个单一系统，以提供不会被中断的(可用性)和有效 的(性能)服务。,简单解释,机群是全体计算机(结点)的集合，这些计算机由高性能网络或局域网(LAN)物理 地互连；,典型情况下，每个计算机结点是：,一台SMP服务器,一台工作站,一台PC计算机,所有机群结点必须能一起集体工作，如同一个单一集成的计算资源，除了满足由 交互用户单独地使用每个结点的协定任务之外。,3,2.特征,计算机机群特征（

2、一）,COW的每个结点是:,或是一台PC。,一个完整工作站，但没有某些外围设备(如监视器、键盘、鼠标等)。有时称这类 结点为“无头工作站”；,一个结点也可以是一台SMP（服务器）；,来实现互连，虽然在某些商用 机群中也使用专用网络。,结点通过低廉的商品化网络，如：,以太网,FDDI,光纤通道,ATM开关,COW： 工作站（机）群,MPP： 大规模并行处理机,4,计算机机群特征（二）,网络接口与结点中的I/O总线松耦合相连。与此相反，MPP中则用紧耦合网络 接口,它与处理结点的存储器总线连接；,总有一个局部磁盘，而在MPP结点中可能没有；,在每个结点上驻留有完整的操作系统，而在某些MPP的结点中

3、只有操作系统的 微核。,总之,COW的操作系统是相同的工作站UNIX，加上一个附加软件层以支持单一系统 映像、可用性、并行性、通信以及负载平衡;,IBM SP2被认为是一个MPP。但除了用作通信网络的专用高性能开关之外， 它是机群体系结构。,现在MPP和COW之间的界限正变得日益模糊;,与MPP相比，机群具有许多成本/性能优点。机群化正成为开发可扩展并行计算 机的趋向。,工作站UNIX,附加软件层,单一系 统映像,负载 平衡,可用性,并行性,通信,5,二、千兆位的光纤通道和FDDI环,1.通道和网络,2.光纤通道,ANSI X3T11指出光纤通道(FC)是通道和网络标准的集成，目的是为了在 工

4、作站、主机、超级计算机、存储设备和显示器之间进行联网、存储和数 据传输。,FC能提供联网、存储和数据传输标准。,光纤通道企图组合最好的通道和通信方法到一个新的I/O接口，以满足 通道用户和网络用户的需求。,“通道” 在通信设备之间提供一种直接的或点到点交换的连接。通道是偏向 硬件的，传输数据速率高，开销非常低。通道操作只在预先编址的少量设 备中进行。,网络是分布结点（如工作站、文件服务器或外围设备）的聚集，用自己的 网络协议支持结点间的交互作用。网络开销相对较高，因为它是偏向软件 的，因此比通道速度要慢。,“网络”处理的任务的范围要比“通道” 大得多，因为网络操作不是在固定 连接的环境中进行；

5、,较好的网络标准包括IEEE802、TCP/IP、ATM协议。,6,3.光纤通道技术,基本介绍,光纤通道可以是共享介质，也可是一种交换技术。光纤通道操作速度范围是： 100到133，200，400和800Mbps。,光纤通道除了在局域网应用中提供客户服务器解决办法或集线器（hub）解 决办法之外，已支持点对点、环路和交换星型等连接。,性能介绍,光纤通道使用STP铜线可达50米之长，速率是100Mbps；,使用单模光纤可达10公里；,使用多模光纤的光纤通道局域网可跨越2公里，速率是200Mbps；,当前在大部分光链路的实现中，由于有很高的软件驱动器开销， 限制了光纤通道的最高性能小于255Mbp

6、s。,某些千兆位局域网是基于“光纤通道技术”,价值,屏蔽双绞线(Shielded Twisted-Pair),7,4.FC标准的五层,光纤通道体系结构包括五个标准层,如下表所示：,物理介质和传输速率(FC-0),针对各种数据通道和网络标准的高层协议和应用接口(FC-4),数据编码和解码方案(FC-1),帧协议和流控制(FC-2),普通服务和特点选择(FC-3),光纤通道的优点在于具有同一链路上可同时传输通道 和网络协议的灵活性。,它为通道和网络数据通信提供了一个通用接口，它也 能和FDDI、串行HiPPI、SCSI、IPI(智能外设接口)、 IP(互连网协议)、IEEE802.2等一起工作。,

7、光纤通道的优点,（即“网络标准”）,偏向硬件,偏向软件,8,5.光纤通道拓朴结构,联网拓朴结构的灵活性是光纤通道的优势，它支持：,点到点,仲裁环,交换光纤连接,点到点,仲裁环,交换光纤连接,能够以3种拓扑结构最高 可能的带宽连接计算机和 计算机，或计算机和磁盘,在令牌驱动的环中，可连 接多至126个设备。这对 于大量存储设备互连是非 常好的，所有设备共享许 可的带宽。,这种环的优点是价格低， 因为不需交换开关。,提供最大的吞吐量，许 多不同速度设备能连接 到中央光纤交换开关上。,9,能够以3种拓扑结构最高可能的带宽连接计算机和计算机，或计算机和磁盘,在令牌驱动的环中，可连接多至126个 设备。

8、这对于大量存储设备互连是非常好 的，所有设备共享许可的带宽。这种环的 优点是价格低，因为不需交换开关。,提供最大的吞吐量，许多不同速度设备 能连接到中央光纤交换开关上。,10,为了匹配最大的带宽，每个输入端口,首先从FIFO队列中并行化8个数据片， 使之成一个数据块，然后在1个周期内写整个64位的数据块到中央队列中。,这种“交换光纤拓扑”结构中也使用了“带缓存的虫蚀寻径技术”,如果不存在冲突,如果不存在冲突，一个88的交叉开关使8个报元（称数据片）以每140s 的周期通过交换开关；,当存在热点冲突,当存在热点冲突时，每次只允许1个交叉点开关工作，被阻塞的数据片缓存在 中央队列中。,这种缓冲使得

9、输入端口可以从前1个交换阶段解脱出来以接收后续的数据片。,中央队列是用双端口的RAM加以实现的，它能在每个时钟周期内执行一次读 和一次写。,6.光纤通道物理结构,光线通道的基本结构是与输入和输出端口连接的一个交叉式交换机。,11,6.FDDI,Digital Equipment公司开发了共享介质的FDDI(fiber distributed data interface)技术,FDDI使用双光纤令牌环在工作站之间提供100-200Mbps的传输速率。为了可靠性的目的 ，使用两个相反方向的旋转环来提供冗余通路。FDDI具有互连大量设备的能力。,12,参数,如果用铜线可达100米;,用多模光纤可达

10、2公里;,用单模光纤可达60公里；,双连接多模光纤FDDI环不用重复器或网桥也可扩展到200公里远。,容错能力,FDDI环在容错方面也是先进的。FDDI集中器通过隔离故障使得网络 非常可靠;,紧急任务服务器也能连接两个集中器以提供更高的容错能力.,FDDI缺陷,FDDI的缺陷是没有能力支持多介质传输，因为传统的FDDI仅以异步 方式操作，这可能削弱FDDI同ATM技术的竞争。但是，同步的FDDI 产品已经出现，它可用来处理时间要求严格的传输;,这使得FDDI在将来的应用中保留了一定的用户团体。Digital公司的 FFDI技术使得以全双工模式应用的FDDI变得可能，这也增加了FDDI 的竞争力

11、。,13,三.快速以太网和千兆位以太网,1.以太网的代别,100Mbps以太网首先在1982年出现，已不再能满足当前多计算机机群或因特网应用 中的带宽需求；,1994年两种100Mbps快速以太网(100BaseT和100VG AnyLAN)开发成功；,IEEE8023工作组于1997年宣布1千兆位以太网已经可能。,14,2.电缆的连接距离,以太网,根据使用的电缆技术， 以太网跨越的最长距离 可达25公里；,以太网多半假设是总线 或星形拓扑结构。,百兆位以太网,100Base-T其工作速率 为100Mbps；,单模光纤-20公里,全双工多模光纤-2公里,铜线-100米,快速以太网（即百兆以 太

12、网）更多地支持星形拓 扑结构；,千兆位以太网,千兆位以太网是2公里；,千兆位以太网应用对象 是要求更大带宽的校园 或楼宇大厦；,千兆位以太网并不要求 改变早期以太网产品的 网络基本结构、管理和 应用。,100VG-AnyLAN其工作 速率为100Mbps；,双绞线- 100150米,光纤电缆- 4公里,单模光纤,15,3.千兆位以太网未来变迁,其保留了以太网的CSMA/CD存取协议。硅技术和数字信号处理技术的发展，使 得将来的千兆位以太网可有效地支持使用5类UTP连线。,概述,一个千兆位以太局域网主干线：,下图中，展示了如何将一个交换式快速以太网主干线升级成千兆位局域网主干线。高性 能服务器农

13、庄可用千兆位Internet NIC直接连接到千兆位网络主干线上。对因特网用户来 说，这种升级可以提高多服务器机群的吞吐量。,例 题,千兆位以太网标准IEEE 802.3z；,所有以太网各代的产品都使用MAC(media access control)协议：CSMA/CD。,在物理层，可利用光纤通道和双绞线两种 技术。,（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect） 载波监听多路访问/冲突检测,16,四、Myrinet网,Myrinet是Myricom公司设计的千兆位报文交换网络。,Myricom公司的目的是为了构造计算机机群，使系统互连成一种

14、商业产品。,Myrinet是基于加州理工学院开发的多计算机和VLSI技术，以及在南加州大 学开发的ATOMICLAN技术。,它被设计用来构造柜式SAN计算机机群，或者构造基于LAN的桌面主机 和服务器农庄。,Myrinet假设任意拓朴结构，不必限定交换开关为网格或任何规则的结构。,基 本 简 介,SAN,17,（1）Myrinet网交换开关,SAN,Myrinet交换开关中使用了阻塞的直通(虫蚀)寻径机制；,在任意网络拓朴结构中，多端口的交换开关通过链路和其它交换开关 或单端口的主机接口相连；,每个交换开关内部是流水式的交叉开关，具有流控和输入缓存功能。,Myrinet 网 交换开关,18,（

15、2）Myrinet网主机接口,SAN,主机接口是一个32位的用户定制的VLSI处理器，称作LANai芯片，带有 Myrinet接口、报文接口、DMA引擎和快速静态RAM。而SRAM则用来 存储Myrinet控制程序(MCP)和报文缓存；,这种微体系结构在一般的总线和Myrinet链路之间提供了一种灵活和高 速的接口。,Myrinet 网 主机接口,这种“主机接口”可以理解为“网卡”；,MCP软件在接口处理器上运行，避免了OS的开销；但是，设备驱动程序和OS仍在 主机上运行。,理解,主 机,接 口,19,Myrinet网连接的LANCluster配置,SAN,例题,上图 说明,上图中展示了用4个

16、Myrinet交换开关构造一个Myrinet局域网，该网连接 了桌面工作站、PC机和柜内多计算机机群和单板多处理机群。,在多计算机柜中，由2个交换开关形成一个SAN。,网络RAM和磁盘阵列也接到Myrinet网上。,Myrinet网支持计算机机群的应用方面有很大的潜力。,评价,20,五、HiPPI和超级HiPPI,1.HiPPI技术,高性能并行接口(HiPPl)是由Los.Alamos国家实验室于1987年提出的 一标准，目的是统一来自不同厂商生产的所有主机和超级计算机的接口。,在主机和超级计算机工业界，HiPPI被接收为短距离,系统到系统以及 系统到外设连接的高速IO通道。,1993年，ANSI X3T9.3委员会认可了HiPPI标准，该标准覆盖了物理和 数据链路层。在这两层之上的任何规定取决于用户（即高层由用户来决定！）,HiPPI是个单工的点到点接口，以800Mbps到1.6Gbps的速率传输数据。,HiPPI和ATM具有互操作性，再加光纤通道和Sonet已经研制成功，由 HiPPI可以完成高速组网；,2.接口和敷设电缆要求,基本的接口是50位宽，其中32位是数据，18位是控制信