CN102090027B

CN102090027B - 分级无源网络

Info

Publication number: CN102090027B
Application number: CN200880130271.1A
Authority: CN
Inventors: P.科尔尼洛维奇
Original assignee: 惠普开发有限公司
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: JP2011520382A; JP5309211B2; KR20110015622A; EP2286553A4; US8521023B2; KR101389587B1; EP2286553A1; CN102090027A; EP2286553B1; WO2009136934A1; US20110097084A1

Abstract

本发明描述一种通信网络，其中若干计算节点（12）处于逻辑多维阵列（22）中并且由通信线缆（14）链接。通信线缆承载将每个节点与阵列中的所有其他节点连接的管道16，从而直接物理连接存在于阵列中的每对计算节点之间。一种在通信网络中的节点之间提供互连的方法包括将计算节点布置和连接成上文所述的阵列，其中每个节点将管道无源地重新引导至阵列中的列和行。

Description

分级无源网络

背景技术

包括服务器、局部网络或者区域和全球网络的计算系统经常需要互连许多计算单元。例如，诸如服务器的一些电子系统包括放入刀片服务器或者机架服务器中的许多印刷电路板。这些板通常配备有连接器，所述连接器允许它们附着到底板上的对应连接器。在板之间的电互连由此由底板提供，从而允许在板之间交换信息。

然而这一方式具有它的限制。随着在服务器、刀片或者卡之间需要的数据带宽的增加，能够容纳它们的底板变得不仅更昂贵而且更复杂、并且因此稳健性和可靠性更低。其它这样的复杂平台包括多核计算机、计算机群集和超级计算机。这些应用中的每一个需要在计算单元（处理器核、处理器或者处理器平台）之间的快速、高带宽互连，这也顾及到能够支持高速计算的输入/输出架构。这样的布置可能涉及到数以千计的单独计算节点。

在这样的大型网络中引导数据可能涉及到海量的耗费时间和资源的路由步骤。例如，分组交换可能涉及到与排队有关的延迟。另一方面，光学互连为很高的带宽提供了可能，而同时提供一般比电互连更少的电磁干扰生成和敏感性。然而，在单元之间的光学通信一般涉及到将数据从电信号转换成光信号和从光信号转换回电信号。为了使路由和数据转换的限制最小化而又维持高度的互连，希望将网络中的尽可能多的单元直接连接到尽可能多的其它单元。遗憾的是，对于较大的网络，这可能需要大量光缆，从而增加成本并且使系统难以维持。

附图说明

图1是在所有节点之间提供成对连接的节点的线性链式网络的图示；

图2图示了根据一个实施例的计算节点的二维阵列；

图3是图示了根据一个实施例的在16节点的二维网络中的输出端口和输入端口的布置的图；

图4是在表示为（0，0）并且用于阵列（比如图2中的阵列）中的节点中的一组连接器、输入和输出的图；以及

图5是根据本实施例的将每单元的管道数目与网络中的分级级别数目相关的函数的绘图。

具体实施方式

在描述本发明的实施例时将使用以下术语。

除非上下文清楚地另有指明，则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。因此，例如，对“部件表面”的引用包括对一个或者多个这样的表面的引用。

如这里所用，术语“大约”意味着尺寸、大小、公式表示、参数、形状以及其它量和特征并非而且无需准确、而是可以按照需要为近似的和/或更大或者更小，从而反映容差、转换因子、取舍、测量误差等以及本领域技术人员已知的其它因素。

现在将参照图示的示例实施例并且这里将使用具体言语来描述它们。然而，将理解并不意欲由此限制本发明的范围。

可能希望连接许多计算节点，从而直接物理连接存在于每对节点之间。如这里所用，术语“节点”、“计算节点”或者简称“单元”可互换地指代可以连接到其它这样的单元并且与其它这样的单元一起工作的处理单元，所述单元包括电路板（比如刀片服务器中的刀片）和计算机（比如服务器和/或客户端）。一种提供这样的互连的方式是使用承载多个通信管道的通信线缆以线性布置链接所有单元。在系统使用光学互连的情况下，管道可以是在成束线缆或者带状线缆内的光纤或者其它光学波导结构。在更一般的意义上，术语“管道”可以指代任何如下结构，数据信号可以通过该结构在配置成容纳该信号的系统中从点到点行进，所述结构包括光纤、电线、双绞线线缆、同轴线缆和机械通道。甚至更一般的术语“路径”不仅包括管道而且包括可以从点到点传输信号（比如在自由空间光学器件系统中）的其它方式。尽管以下描述具体指代通过管道的连接，但是将理解可以设想其中使用其它路径的本发明的变化。

图1提供了这样的布置的图示，其中具有数目为N个的节点12的菊花链网络10可以使用N个通信线缆14将节点连接成逻辑环，其中每个线缆包括管道16，每个节点通过所述管道连接到环中的每个其它节点。在这一环中，连接性（并且因此信息）从左向右并且从每个节点的输出端口18向下游节点上的输入端口20传递。为了在所有节点之间实现完全成对连接性，每个节点必须发起N-1个连接。在这一布置中，将上游节点链接到下游节点的每个线缆承载一个连接这两个节点的管道以及N-2个将上游节点连接到其它节点的光纤、和(N-2)*(N-1)/2个直通（pass-through）光纤，环中的其它节点通过这些直通光纤来相互连接。每个通信线缆承载共计至少N*(N-1)/2个管道。

这一菊花链布置在所有节点之间提供直接成对连接，而无需在除了信号的起点和终点之外的点处诉诸于分组交换或者（在光纤通信的情况下）电光转换。然而，每线缆的管道数目随着节点数目增加而成二次地增加。例如，其中N=1000的网络在每个线缆中需要多达~500,000个管道。即使以光纤为管道，承载这样多的光纤的线缆可能仍然难以制作和维护。

本系统和方法可以将计算机布置为分级网络，从而可实现大型网络而没有光纤数目的同样增长。本系统的一个效果在于减缓与网络大小增长相伴的每线缆的管道数目的增长。实现这一点，同时仍然在N个计算机/单元之间提供直接连接而无需诉诸于分组交换或者中间流光电转换。照此，分组交换和额外转换步骤在使用本系统来构建网络时变成可选工具。因此可以省略两个方案以减少资源和维护要求，或者任一个可以与本发明的系统一起运用以进一步增加灵活性和带宽能力。

根据本系统，代替线性逻辑链，将节点布置成具有维度分级的多维逻辑阵列。图2提供了根据本发明一个实施例的计算节点12的二维阵列22的图示。为了便于描述，可以使用x、y坐标系23来标记每个节点，其中感兴趣的节点24表示为（0，0）。然而，应当注意本系统的操作无需这样的表示系统或者实际上无需任何系统。每个单独节点通过连接它们的网格移位矢量来区分其它节点，例如作为（1，1）邻居、（-1，0）邻居等。沿着两个方向均假设周期边界条件。例如，在图2中所示阵列中，表示为（1，2）的节点的最上面的邻居为（1，-1）节点。应当理解，周期边界条件对于本系统的运转并非必需的。在周期边界条件之下，所有节点在网络内处于等效位置，从而可以使用具有基本上相同连接架构的节点。在不存在周期边界条件时，所有节点位置并非等效；并且因此将需要修改通信方案。也应当理解，尽管这里使用维度要素的常用惯例（如“行”和“列”）来讨论阵列，但是使用这些是为了便于描述而并非使本发明限于二维实施例。

为了在所有节点对之间提供直接成对连接性，每个节点必须被配备成发送（N-1）个输出并且类似地接收（N-1）个输入。每个输入或者输出与特定邻居唯一地关联。因此数据信号的起点可以由数据信号到达哪个输入端口确定。类似地，可以简单地通过激活对应输出端口来向特定节点发送数据。给定节点应当拥有它标识输入和输出端口（并且因此标识它们去往/来自的节点）的方法。然而，这样的方法可以与端口容置于其中的连接器中的位置一样简单。

图3示出了图示根据一个实施例的在节点中的输出端口18和输入端口20的布置的图。在这一布置中，端口布置成组。例如，存在如下组：组26，该组提供到相同行中的其它节点的连接；组28，该组提供到相同列中的其它节点的连接；以及组30-32，用于与分别处于从当前节点迁移一列、两列和三列的节点的连接。

通过按逐步的方式经过阵列发送信号来实现线缆中的光纤或者管道数目的节省。例如，一个实施例使用如下惯例，其中每个数据信号首先沿着它发起的节点行被发送直至它到达目的地节点所位于的列。然后，如果必要，则沿着该列发送数据信号以到达目的地节点。然而，将理解在一个替代实施例中，相反的惯例（先列后行）可以同样适用。可以简单地通过添加重新引导步骤来对于具有更多维度的阵列扩展这些惯例中的任一个。注意仍然无需分组交换来将数据信号路由至它的目的地。相反，在到达网格的适当列（第一步骤）后，沿着该列无源地重新引导该信号并且将其发送至最终目的地（第二步骤）。由于在两个或者更多步骤中发送信号，每个步骤沿着阵列的不同维度，所以这样的单元布置变成分级网络，其中阵列本身的结构提供路由逻辑。

图4是处于阵列22（比如图2中所示的N=16的二维网络）中的感兴趣的节点中的一组无源连接器34、输入、输出和直通的图。如下文将说明的那样，连接器可以用于根据管道组来组织引入和引出管道，每个管道组由它们被引导至的阵列的级别限定。基本构建块是一维管道组，该一维管道组提供线性网络（比如图1中所示网络）的基础。这一管道组在图4中由实线和圆表示并且包括链接沿着阵列的单个行或者列的节点的管道。由于在该二次阵列的每行和每列中有√N=4个节点，所以这一管道组将包括√N*(√N-1)/2=6个管道。这一管道组36通过图3中由圆示出的输出端口和输入端口链接到节点并且提供从（0，0）节点到该节点所在行或者列中的每个其它节点的连接。在该组中的用于连接其它成对节点的管道简单地穿过这一节点。端口划分成d个连接器，其中d为阵列中的维数。在所示二维阵列中，在两个连接器中发现端口；一个用来与沿着行的邻居（1，0）、（2，0）、（3，0）通信而另一个用来与沿着列的邻居（0，1）、（0，2）、（0，3）通信。

为了提供与行以外的节点的通信，将基本管道组重复N^(d-1)/d次。在例证的二维阵列中，基本管道组在二维阵列中重复√N次。然而，不同于一维管道组36，每个附加管道组38-42将（0，0）节点的所有行邻居连接到除了（0，0）节点所在行之外的行。

在图4所示的实施例中，管道组38（包括来自（0，0）的每个行邻居并且打算用于邻居（0，1）的管道）进入其中将它们重新引导至邻居（0，1）的节点。类似地，也来自（0，0）的行邻居的管道组40和42中的引入管道分别指向从（0，0）向上两行和三行的节点（即（0，2）和（0，3））。这说明了本发明提供的逐步路由逻辑。来自任何给定节点的信号首先沿着它们的行向下游发送（在这一实施例中从左到右）直至它们到达适当列中的行邻居。如果该行邻居为目的地节点，则信号终止于此（比如一维管道组36）。如果目的地节点落在该列的另一行中，则行邻居根据其逐行的轨迹重新引导该信号并且沿着列将该信号发送正确行数以到达目的地节点。

再次应当强调的是，通过在正确的列级别处重新引导数据信号来无源地实现本发明中的该数据信号的路由。不需要分组交换。重新引导可以通过无源重新引导结构实现，该重新引导结构被配置成改变数据信号或者承载它的管道的轨迹或者方向并且沿适当方向发送信号或者管道。在一种配置中，重新引导结构是管道本身中的弯曲或者角度。在其它方面中，其它结构可以用于重新引导信号，包括镜子、透镜和波导。

更具体而言，每个节点向右邻居发出管道组38水平光纤的引出始发管道，这些管道由（0，0）单元用来向第一顶部邻居行（即向（1，1）、（2，1）和（3，1）单元）发送信号。对应输出端口在图4中由三个填充方块示出。在接收侧，从底部邻居到达的管道组38光纤的引入连接由（0，0）单元用来从第一左邻居列（即从（-1，-1）、（-1，-2）和（-1，-3）单元）接收信号。对应输入端口在图4中由三个开放方块示出。类似地，导管组40由（0，0）用来向第二顶部行（即向（1，2）、（2，2）和（3，2）单元）发送信号并且从左侧第二邻居列（即（-2，-1）、（-2，-2）和（-2，-3）单元）接收信号。用于这些连接的输出端口和输入端口在图4中分别由填充和开放三角形表示。以相同方式，管道组42由（0，0）用来向第三顶部行（即向（1，3）、（2，3）和（3，3）节点）发送信号并且从左侧第三邻居列（即（-3，-1）、（-3，-2）和（-3，-3）节点）接收信号。用于这些连接的输出端口和输入端口在图4中分别由填充和开放十字形表示。

再次应当强调，通过在正确的列级别重新引导数据信号来无源地实现本发明中的数据信号的路由。不需要分组交换。重新引导可以通过无源重新引导结构实现，该重新引导结构被配置成改变数据信号或者承载它的管道的轨迹或者方向并且沿适当方向发送信号或者管道。在一个特定方面中，重新引导结构是管道本身中的弯曲或者角度。在其它方面中，其它结构可以用于重新引导信号，包括镜子、透镜和波导。

总而言之，每个节点可以拥有沿着行延展的连接器和沿着列延展的另一连接器。每个连接器中的光纤数目为（管道组数目）*（每个管道组中的管道数目）=√N*[√N*(√N-1)]/2=N*(√N-1)/2。每单元的光纤总数为其两倍= N*(√N-1)。对于大N，这一数目按照~N^3/2而不是如图1中所描述的线性逻辑网络中那样按照~N²/2缩放。例如,对于具有256=2⁸个单元的网络，线性单步网络需要每单元的2¹⁶/2=32,768个光纤，而二维两步网络需要每单元的仅4096个光纤（为其八分之一）。

所述概念可以推广至更高维度。然而，该架构的复杂性妨碍所得连接器的简单可视化。因此，这里将使用与刚才考虑的两步分级网络的类似性来对其进行文字描述。在三步网络中，节点布置成三维逻辑阵列。首先沿着阵列的一个轴1、然后沿着第二轴并且最终沿着第三轴传送信号。阵列的线性大小为N^1/3。基本连接器现在具有N^1/3(N^1/3-1)/2个光纤。可以将基本连接器重复N^2/3倍，从而获得N^2/3个管道组。管道组用来向N^2/3行节点发送/接收信号，所述行与轴1平行延展。每个节点必须具有3个这样的复合连接器（每个逻辑维度有一个复合连接器）。因此，每节点的管道总数为 3*N^2/3*[N^1/3(N^1/3-1)/2] = 3*N*(N^1/3-1)/2。推广至d步d维逻辑网络，每节点的管道总数为：

F_N(d) = (1/2)*d*N*(N^1/d–1)。

这一函数如图5中所示随着d而单调减小。在很大d的极限情况下获得：

= (1/2)*d*N*[ 1 + ln(N)/d – 1 ] = (1/2)*N*ln(N)。

因此一维网络的(1/2)*N²缩放改进至无穷维网络的(1/2)*N*In(N)缩放。例如，对于N=1000，F₁₀₀₀(1) = 499,500，但是 F₁₀₀₀() = 3454（为其145分之一）。对于 N = 1,000,000，F₁₀ ⁶(1) ≈ 5 * 10¹¹而F₁₀ ⁶() ≈ 6.9 * 10⁶,（为其72,464分之一）。

在某一程度上概括和重申，分级逻辑网络在网络中的所有节点之间提供直接成对通信。所述节点可以包括电路板、服务器单元、服务器和客户端。另外，可以在构建基于光纤传输的网络以及使用电线或者电缆的电传输网络时运用本系统。具体而言，相对于现有技术，本发明的连接性完全无源，从而无需分组交换或者大量的光电转换或者电光转换。此外，提出的架构是统一的、即所有单元和连接器相同且等效。这样的网络因此可易于扩展。

尽管前述示例在一个或者多个特定应用中说明了本发明的原理，但是本领域普通技术人员将清楚可以进行在实施形式、用途和细节上的诸多修改而无需运用创造性能力并且不脱离本发明的原理和概念。因而，本发明除了受以下阐述的权利要求限制之外不打算受任何限制。

Claims

1.一种具有维度分级的通信网络，包括：

多个计算节点（12），其布置成包括多个行和多个列的逻辑阵列（22）；

多个通信线缆（14），其链接每个行和每个列中的每个相邻节点对，其中每个通信线缆包括：

i．多个管道（16），其中每个管道具有上游端和下游端；

ii．管道组（36），其包括每个将在上游端的计算节点与所述行或者列中的其它计算节点连接的管道以及将所述行或者列中的其它计算节点相互连接的直通管道；以及

iii．多个垂直管道组（38-42），每个垂直管道组包括将行中的计算节点连接到列中的计算节点的管道，并且其中每个计算节点将垂直管道组中的管道无源地重新引导至目标列中的适当计算节点，从而直接物理连接存在于所述阵列中的每对计算节点之间，

其中在每个通信线缆中存在不多于1/2 * N *(N^1/d-1)个管道，并且每计算节点有不多于1/2 * d * N *(N^1/d-1) 个管道，其中N为所述阵列中的计算节点的数目并且d为所述阵列中的维数。

2.根据权利要求1所述的通信网络，其中每个计算节点包括多个连接器（34），每个连接器包括：

多个输出端口（18），其将上游端连接到所述计算节点；

多个输入端口（20），其将下游端连接到所述计算节点；以及

多个直通端口，其通过所述计算节点运送直通管道。

3.根据权利要求1所述的通信网络，其中每个计算节点包括无源重新引导结构。

4.根据权利要求1所述的通信网络，其中所述阵列的所有维度在大小上相等。

5.根据权利要求2所述的通信网络，其中所述管道为光纤，所述输入端口包括光电检测器，所述输出端口包括光源，并且所述直通端口包括光学通孔。

6.根据权利要求2所述的通信网络，其中所述管道为电线，所述输入端口和所述输出端口包括电连接。

7.根据权利要求2所述的通信网络，其中所述管道为双绞线线缆。

8.根据权利要求7所述的通信网络，其中所述管道为同轴线缆，并且所述输入端口和输出端口为模块化插销连接器。

9.根据权利要求1所述的通信网络，其中所述阵列具有三个维度，并且每通信线缆存在不多于N*(N^1/3-1)/2个管道且每节点存在不多于3 * N* (N^1/3-1)/2个管道。

10.一种光学通信网络，包括：

多个计算节点（12），其布置成包括多个行和多个列并且具有维度分级的逻辑阵列（22）；

多个光缆（14），其链接每个行和每个列中的每个相邻节点对，其中每个光缆包括：

i．多个光纤（16），其中每个光纤具有上游端和下游端；

ii．光纤组（36），其包括每个将在所述上游端的计算节点与所述行或者列中的其它计算节点连接的光纤以及将所述行或者列中的其它计算节点相互连接的直通光纤；以及

iii．多个垂直光纤组（38-42），每个垂直光纤组包括将行中的计算节点连接到列中的计算节点的光纤，并且其中每个计算节点将垂直光纤组中的光纤无源地重新引导至目标列中的适当计算节点，从而直接物理连接存在于所述阵列中的每对计算节点之间，

11.根据权利要求10所述的光学通信网络，其中每个计算节点包括从由所述光纤中的弯曲、镜子、波导和透镜组成的组中选择的至少一个光学重新引导结构。

12.一种在通信网络中的节点之间提供互连的方法，包括：

将多个计算节点（12）布置成包括多个行和多个列并且具有维度分级的逻辑阵列（22）；并且

使用通信线缆（14）来链接每个相邻计算节点对，每个通信线缆具有上游端和下游端并且包括多个管道组，所述多个管道组包括：

i．管道组（36），其包括每个将在其上游端的计算节点与所述行或者列中的其它计算节点连接的管道、以及将所述行或者列中的其它计算节点相互连接的直通管道；以及

ii．多个垂直管道组（38-42），每个垂直管道组包括将行中的计算节点连接到列中的计算节点的管道；并且

将垂直管道组中的管道无源地重新引导至目标列中的适当计算节点，

13.根据权利要求12所述的方法，还包括附加步骤：以在行与列之间交替的逐步方式在所述阵列中移动数据。

14.根据权利要求12所述的方法，其中沿着行向下游发送所述数据直至所述数据到达目标列。

15.根据权利要求14所述的方法，其中进一步沿着所述目标列向下游发送所述数据。