CN101335704B - 三维torus网中的无死锁自适应路由方法 - Google Patents
三维torus网中的无死锁自适应路由方法 Download PDFInfo
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Abstract
三维torus网络无死锁的自适应路由方法属于分布式高性能容错计算技术领域，其特征在于，将每条物理通道中分为两条虚拟通道，允许不同虚拟子网之间共享某些虚拟通道，这两条通道均为两向通道，并分配到三维torus网络的四个虚拟子网中，利用转弯模型避免了各子网内以及各子网间可能形成的死锁，并达到更高的自适应性。本发明与传统的Duato协议和GOAL方法相比，当标准化输入负载和网络中故障节点数提高时，我们的方法明显可以提高网络实际流量，并降低传输延迟，从而提高整个网络的传输性能。
Description
技术领域
三维torus网中的无死锁自适应路由方法属于分布式高性能容错计算技术领域。
背景技术
在当今的实验用及商用的多计算机系统中，torus网是一种被广泛利用的拓扑结构。k元n维torus网是指一个n维的网格结构，在每一维上有k个节点，其中每两个相邻节点由物理通道联通，每一维上两个边界节点有一条边界通道联通。多计算机系统的性能在最大程度上取决于系统中点到点的通讯方法的性能。因此，很有必要提出一些应用于torus网的高性能的路由方法。
对于自适应的容错路由方法，通常需要将每条物理通道划分为一定数量的虚拟通道来实现死锁避免方法，通道上的物理资源(如缓存、带宽)会分配到各个虚拟通道之上。因此，实现死锁避免所需要虚拟通道个数成为影响路由方法资源利用效率的重要因素，使用更少的虚拟通道，可以使每条虚拟通道分配到更多的资源，提高方法效率，尤其是在物理资源比较有限的情况下；但是，更少的虚拟通道也会使得设计死锁避免方法的难度增加。
Linder和Harden将虚拟通道的概念扩展为虚拟子网，并将其用于实现自适性、容错性以及死锁避免。不同的虚拟子网中分配不同的虚拟通道，对于高维的torus网所需的虚拟通道个数就变得相当大。Wu改进了torus网中的虚拟子网方法，虚拟通道的个数等于torus网的维数。相比前面的方法，虚拟通道个数已经大为减少。
Duato提出了基于虚拟通道分配的Duato协议以避免可能产生的死锁，其中需要三条虚拟通道；后来又对Duato协议进行了扩展，实现了torus网中的无死锁完全自适应容错路由。
Glass和Ni提出的转弯模型是一个具有重要意义的部分自适应的路由方法。基于转弯模型，路由方法可以通过限制某些转弯消除通道间的环相关，达到避免死锁的效果，而不必添加额外的虚拟通道。基于转弯模型也可以扩展出具有容错性能的方法。
Chien和Kim提出了另一个具有重要意义的部分自适应路由方法——平面自适应路由(Planar Adaptive Routing)，此方法将路由限制在一系列连续的平面内，只需三条虚拟通道就可以在任何维数的网络内避免死锁。
Gomez提出了一种通过选择中间节点而实现的两阶段路由方法，从源节点到中间节点和从中间节点到目标节点分别使用不同的虚拟子网，在每一子网内部使用Duato的完全自适应协议，两个子网使用相同的自适应虚拟通道，但使用不同的逃逸通道，也就是说，共需要三条虚拟通道。
Dally提出一种新的GOAL算法，在避免死锁的同时，利用计算各维度上的拥挤程度来决定消息优先路由的维度，从而达到更高的适应性。
对于自适应的容错路由方法，通常需要将每条物理通道划分为一定数量的虚拟通道来实现死锁避免方法，通道上的物理资源(如缓存、带宽)会分配到各个虚拟通道之上。因此，实现死锁避免所需要虚拟通道个数成为影响路由方法资源利用效率的重要因素，使用更少的虚拟通道，可以使每条虚拟通道分配到更多的资源，提高方法效率，尤其是在物理资源比较有限的情况下；但是，更少的虚拟通道也会使得设计死锁避免方法的难度增加。
一个k元三维torus网有k3个节点，其中两个节点(a3a2a1)和(b3b2b1)之间有连接当且仅当两节点坐标有且只有一位不同，并且|ai-bi|＝1或者|ai-bi|＝k-1。
维序路由方法给出了一个简单的用于三维torus网的死锁避免方法，每条物理通道需要两条虚拟通道。下面我们以三维的torus网为例来说明Duato协议的方法。路由消息在平面内可沿任意方向路由，并提供单独的第三条虚拟通道作为逃离通道来避免死锁。平面中的虚拟通道分配方案如下：虚拟子网中x方向不需要经过边界通道时使用虚拟通道c1，需要经过边界通道时使用虚拟通道c2，y、z方向同理。
GOAL方法在路由消息时，先计算个维度上的拥挤度，优先选择最空闲的维度进行路由，这样提高了路由的自适应性；其中使用的虚拟通道分配方案与Duato协议相同。
发明内容
该发明的目的在于设计了一种三维torus网中的无死锁自适应路由方法，允许节点之间的每条物理通道被划分为两条虚拟通道，并分配到torus网中各平面的四个虚拟子网中，利用虚拟通道分配策略避免了可能形成的死锁，同时达到了更高的自适应性。
本发明的特征在于，所述方法在每一维上有k个节点的三维torus网上依次按步骤实现的：
步骤(1)：初始化
对于三维torus网络，连接每一维两个边界之间的物理通道称为边界通道；把每条物理通道被划分为两条虚拟通道：c1和c2，这两条通道均为两向通道，c1通道分为c1+和c1-两个方向的通道，c2通道分为c2+和c2-两个方向的通道，“+”和“-”表示消息传输的正负方向；
将三维torus网划分为划分为如下八个虚拟子网：x+y+z+、x+y+z-、x+y-z+、x+y-z-、x-y+z+、x-y+z-、x-y-z+、x-y-z-，x+、x-即表示在x轴上的正、负方向的路由，对于y轴、z轴同理；
把上述八个虚拟子网两两合并，从而得到以下四个虚拟子网：x+y+z*(x(c1+)，y(c1+)，z(c1))，x+y-z*(x(c2+)，y(c1-)，z(c1))，x-y*z+(x(c1-)，y(c2)，z(c2+))，x-y*z-(x(c2-)，y(c2)，z(c2-))，括号中的标号表示分配到每个虚拟子网中的虚拟通道，“+”和“-”表示消息传输的正负方向，“*”表示正负任意方向，x+y+z*和x+y-z*在z方向上共享c1通道，x-y*z+和x-y*z-在y方向上共享c2通道，从而在x，y，z三个方向上，每条物理通道都只用到了两条虚拟通道，当消息在y方向和z方向之间转弯时，消息跳转到不同于原分配通道的另外一条虚拟通道，以避免死锁；
步骤(2)：对于每个消息依次按以下步骤分配到所属虚拟子网：
设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，VN表示虚拟子网分配；
当A≥0且B≥0时，
如果A＜k/2，B≥k/2，VN＝x+y-z*；
如果A＜k/2，B＜k/2，VN＝x+y+z*；
当A≥0且B＜0时，
如果A＜k/2，B≥-k/2，VN＝x+y-z*；
如果A＜k/2，B＜-k/2，VN＝x+y+z*；
当A＜0且B≥0时，
如果A≤-k/2，B≥k/2，VN＝x+y-z*；
如果A≤-k/2，B＜k/2，VN＝x+y+z*；
当A＜0且B＜0时，
如果A＜-k/2，B＜-k/2，VN＝x+y+z*；
如果A＜-k/2，B＞-k/2，VN＝x+y-z*；
当A≥0且C≥0时，
如果A＞k/2，C≥k/2，VN＝x-y*z-；
如果A＞k/2，C＜k/2，VN＝x-y*z+；
当A≥0且C＜0时，
如果A＞k/2，C≥-k/2，VN＝x-y*z+；
如果A＞k/2，C＜-k/2，VN＝x-y*z-；
当A＜0且C≥0时，
如果A＞-k/2，C≥k/2，VN＝x-y*z-；
如果A＞-k/2，C＜k/2，VN＝x-y*z+；
当A＜0且C＜0时，
如果A＞-k/2，C＜-k/2，VN＝x-y*z+；
如果A＞-k/2，C＞-k/2，VN＝x-y*z-；
步骤(3)：消息在三维平面上消息依次按以下步骤路由：
步骤(3.1)：如果消息在x+y+z*虚拟子网中：
如果A≥0，B≥0，则选择通道x(c1+)，y(c1+)，z(c1)；
如果A＜0，B≥0，则选择通道x(c2+)，y(c1+)，z(c1)；
如果A≥0，B＜0，则选择通道x(c1+)，y(c2+)，z(c1)；
如果A＜0，B＜0，则选择通道x(c2+)，y(c2+)，z(c1)；
步骤(3.2)：如果消息在x+y-z*虚拟子网中：
如果A≥0，B≥0，则选择通道x(c2+)，y(c2-)，z(c1)；
如果A＜0，B≥0，则选择通道x(c1+)，y(c2-)，z(c1)；
如果A≥0，B＜0，则选择通道x(c2+)，y(c1-)，z(c1)；
如果A＜0，B＜0，则选择通道x(c1+)，y(c1-)，z(c1)；
步骤(3.3)：如果消息在x-y*z+虚拟子网中：
如果A≥0，C≥0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c2+)；
如果A＜0，C≥0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c2+)；
如果A≥0，C＜0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c1+)；
如果A＜0，C＜0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c1+)；
步骤(3.4)：如果消息在x-y*z-虚拟子网中：
如果A≥0，C≥0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c1-)；
如果A＜0，C≥0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c1-)；
如果A≥0，C＜0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c2-)；
如果A＜0，C＜0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c2-)。
平面自适应路由方法对于可能遇到的死锁，，其特征在于，在进行所述消息自适应路由时，按以下步骤避免死锁：
对于从z+方向上转弯到y-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道(c1或c2)的另外一条虚拟通道(c2或c1)；
对于从z-方向上转弯到y-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道(c1或c2)的另外一条虚拟通道(c2或c1)；
对于从y-+方向上转弯到z-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道(c1或c2)的另外一条虚拟通道(c2或c1)；
对于从y+方向上转弯到z-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道(c1或c2)的另外一条虚拟通道(c2或c1)。
与传统的Duato协议和GOAL方法相比，当标准化输入负载和网络中故障节点数提高时，本方法明显可以提高网络实际流量，并降低传输延迟，从而提高整个网络的传输性能。
附图说明
图1，二维torus网络中的限制转弯模型：
(a)yz平面 (b)xy平面 (c)yz平面 (d)xz平面
图2，32x32无故障torus网uniform模式(任意点间路由)标准化输入负载对性能的影响：
(a)标准化输入负载对传输延迟的影响 (b)标准化输入负载对标准化实际流量的影响节点缓存：144微片 故障个数：0
图3，32x32无故障torus网tanspose(消息从坐标(i，j)路由至(31-j，31-i))模式标准化输入负载对性能的影响：
(a)标准化输入负载对传输延迟的影响(b)标准化输入负载对标准化实际流量的影响节点缓存：144微片 故障个数：0
图4，32x32无故障torus网hotspot(消息从任意点路由到网络中心的两个目标节点)模式标准化输入负载对性能的影响：
(a)标准化输入负载对传输延迟的影响(b)标准化输入负载对标准化实际流量的影响节点缓存：144微片 故障个数：0
图5，三维torus网中的无死锁自适应路由方法流程图。
具体实施方式
一个物理网络可以被划分为若干个虚拟子网。插入网络的消息被限制在某一个虚拟子网中进行路由。只要在每一个虚拟子网中不存在死锁，并且各虚拟子网间不会形成死锁，就可以保证整个网络中不会出现死锁。本文中提出的划分方法主要针对三维torus网，这种方法也可以被扩展而用于更高维的网络。
三维torus网划分为划分为如下八个虚拟子网：x+y+z+、x+y+z-、x+y-z+、x+y-z-x-y+z+、x-y+z-、x-y-z+、x-y-z-，x+、x-即表示在x轴上的正、负方向的路由，对于y轴、z轴同理；把上述八个虚拟子网两两合并，从而得到以下四个虚拟子网：x+y+z*(x(c1+)，y(c1+)，z(c1))，x+y-z*(x(c2+)，y(c1-)，z(c1))，x-y*z+(x(c1-)，y(c2)，z(c2+))，x-y*z-(x(c2-)，y(c2)，z(c2-))，括号中的标号表示分配到每个虚拟子网中的虚拟通道，“+”和“-”表示消息传输的正负方向，“*”表示正负任意方向，x+y+z*和x+y-z*在z方向上共享c1通道，x-y*z+和x-y*z-在y方向上共享c2通道，从而在x，y，z三个方向上，每条物理通道都只用到了两条虚拟通道。根据前面提到的虚拟子网划分方法，任何一个虚拟子网内都不可能存在通道的环相关。绕行路由的消息有形成死锁的可能性，我们通过这样的方法来避免虚拟子网内可能形成的死锁：对于在x方向、y方向或z方向上使用边界通道路由的消息，使用不同于原分配虚拟通道(c1或c2)的另外一条虚拟通道(c2或c1)，不经过边界通道路由时再换回到原分配虚拟通道。
对于各虚拟子网之间可能形成的死锁，当消息在y方向和z方向之间转弯时，消息跳转到不同于原分配通道的另外一条虚拟通道，以避免死锁。
下面给出了平面中各个虚拟子网的路由方法：
方法route(x+y+z*)：
设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，如果A≥0，B≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1+)，y(c1+)，z(c1)))；如果A＜0，B≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2+)，y(c1+)，z(c1))；如果A≥0，B＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1+)，y(c2+)，z(c1))；如果A＜0，B＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2+)，y(c2+)，z(c1))。
方法route(x+y-z*)：
设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，如果A≥0，B≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2+)，y(c2-)，z(c1))；如果A＜0，B≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1+)，y(c2-)，z(c1))；如果A≥0，B＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2+)，y(c1-)，z(c1))；如果A＜0，B＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1+)，y(c1-)，z(c1))。
方法route(x-y*z+)：
设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，如果A≥0，C≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2-)，y(c2)，z(c2+))；如果A＜0，C≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1-)，y(c2)，z(c2+))；如果A≥0，C＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2-)，y(c2)，z(c1+))；如果A＜0，C＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1-)，y(c2)，z(c1+))。
方法route(x-y*z-)：
当设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，如果A≥0，C≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1-)，y(c2)，z(c1-))；如果A＜0，C≥0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2-)，y(c2)，z(c1-))；如果A≥0，C＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c1-)，y(c2)，z(c2-))；如果A＜0，C＜0，则选择通道Channel：＝Select(x(c2-)，y(c2)，z(c2-))。
Claims (2)
1.三维torus网中的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述方法是在每一维上有k个节点的三维torus网上依次按步骤实现的：
步骤(1)：初始化
对于三维torus网络，连接每一维两个边界之间的物理通道称为边界通道；把每条物理通道被划分为两条虚拟通道：c1和c2，这两条通道均为两向通道，c1通道分为c1+和c1-两个方向的通道，c2通道分为c2+和c2-两个方向的通道，“+”和“-”表示消息传输的正负方向；将x轴正方向的虚拟通道c1+表示为x(c1+)，将x轴负方向的虚拟通道c1表示为x(c1-)，y轴和z轴上的虚拟通道的表示方式与x轴上的虚拟通道的表示方式相同；
将三维torus网划分为划分为如下八个虚拟子网：x+y+z+、x+y+z-、x+y-z+、x+y-z-、x-y+z+、x-y+z-、x-y-z+、x-y-z-，x+、x-即表示在x轴上的正、负方向的路由，对于y轴、z轴同理；
把上述八个虚拟子网两两合并，从而得到以下四个虚拟子网：x+y+z*(x(c1+)，y(c1+)，z(c1))，x+y-z*(x(c2+)，y(c1-)，z(c1))，x-y*z+(x(c1-)，y(c2)，z(c2+))，x-y*z-(x(c2-)，y(c2)，z(c2-))，括号中的标号表示分配到每个虚拟子网中的虚拟通道，“+”和“-”表示消息传输的正负方向，“*”表示正负任意方向，x+y+z*和x+y-z*在z方向上共享c1通道，x-y*z+和x-y*z-在y方向上共享c2通道，从而在x，y，z三个方向上，每条物理通道都只用到了两条虚拟通道，当消息在y方向和z方向之间转弯时，消息跳转到不同于原分配通道的另外一条虚拟通道，以避免死锁；
步骤(2)：对于每个消息依次按以下步骤分配到所属虚拟子网：
设当前节点为curr，目的节点为dest，当前节点和目的节点在两维上的偏移量为A＝xd-xc，B＝yd-yc，C＝zd-zc，其中下标c、d分别代表当前节点和目的节点，VN表示消息所属的虚拟子网分配；
当A≥0且B≥0时，
如果A＜k/2，B≥k/2，VN＝x+y-z*；
如果A＜k/2，B＜k/2，VN＝x+y+z*；
当A≥0且B＜0时，
如果A＜k/2，B≥-k/2，VN＝x+y-z*；
如果A＜k/2，B＜-k/2，VN＝x+y+z*；
当A＜0且B≥0时，
如果A≤-k/2，B≥k/2，VN＝x+y-z*；
如果A≤-k/2，B＜k/2，VN＝x+y+z*；
当A＜0且B＜0时，
如果A＜-k/2，B＜-k/2，VN＝x+y+z*；
如果A＜-k/2，B＞-k/2，VN＝x+y-z*；
当A≥0且C≥0时，
如果A＞k/2，C≥k/2，VN＝x-y*z-；
如果A＞k/2，C＜k/2，VN＝x-y*z+；
当A≥0且C＜0时，
如果A＞k/2，C≥-k/2，VN＝x-y*z+；
如果A＞k/2，C＜-k/2，VN＝x-y*z-；
当A＜0且C≥0时，
如果A＞-k/2，C≥k/2，VN＝x-y*z-；
如果A＞-k/2，C＜k/2，VN＝x-y*z+；
当A＜0且C＜0时，
如果A＞-k/2，C＜-k/2，VN＝x-y*z+；
如果A＞-k/2，C＞-k/2，VN＝x-y*z-；
步骤(3)：消息在三维平面上消息依次按以下步骤路由：
步骤(3.1)：如果消息在x+y+z*虚拟子网中：
如果A≥0，B≥0，则选择通道x(c1+)，y(c1+)，z(c1)；
如果A＜0，B≥0，则选择通道x(c2+)，y(c1+)，z(c1)；
如果A≥0，B＜0，则选择通道x(c1+)，y(c2+)，z(c1)；
如果A＜0，B＜0，则选择通道x(c2+)，y(c2+)，z(c1)；
步骤(3.2)：如果消息在x+y-z*虚拟子网中：
如果A≥0，B≥0，则选择通道x(c2+)，y(c2-)，z(c1)；
如果A＜0，B≥0，则选择通道x(c1+)，y(c2-)，z(c1)；
如果A≥0，B＜0，则选择通道x(c2+)，y(c1-)，z(c1)；
如果A＜0，B＜0，则选择通道x(c1+)，y(c1-)，z(c1)；
步骤(3.3)：如果消息在x-y*z+虚拟子网中：
如果A≥0，C≥0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c2+)；
如果A＜0，C≥0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c2+)；
如果A≥0，C＜0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c1+)；
如果A＜0，C＜0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c1+)；
步骤(3.4)：如果消息在x-y*z-虚拟子网中：
如果A≥0，C≥0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c1-)；
如果A＜0，C≥0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c1-)；
如果A≥0，C＜0，则选择通道x(c1-)，y(c2)，z(c2-)；
如果A＜0，C＜0，则选择通道x(c2-)，y(c2)，z(c2-)。
2.根据权利要求1所述的在三维torus网中无死锁的自适应路由方法，其特征在于，在进行所述消息自适应路由时，按以下步骤避免死锁：
对于从z+方向上转弯到y-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道c1或c2的另外一条虚拟通道c2或c1；
对于从z-方向上转弯到y-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道c1或c2的另外一条虚拟通道c2或c1；
对于从y-+方向上转弯到z-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道c1或c2的另外一条虚拟通道c2或c1；
对于从y+方向上转弯到z-方向的消息，使用不同于原分配虚拟通道c1或c2的另外一条虚拟通道c2或c1。
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