CN102170402B - Torus网络中的无死锁自适应路由算法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分布式网络技术领域，涉及Torus网络中的无死锁自适应路由算法，应用于虚拟直通交换方式或虫洞交换方式，利用两条虚拟通道R1和R2，R1为自适应通道，数据包在任何时候都能够访问，R2应用Mesh网络中的无死锁路由算法，这种组合新颖之处在于第一条通道并未为任意一对源节点和目的节点提供路由路径，在基于虚拟直通交换技术的Torus网络中，该算法是完全自适应的，在虫洞交换下是部分自适应的，当与流量控制系统相结合，在虚拟直通交换技术下，路由器的设计能大大地简化，并且得到很高的性能提升，模拟结果表明，无论是基于虚拟直通交换技术或是虫洞交换技术，该算法的性能均好于现有的算法。

Description

Torus网络中的无死锁自适应路由算法

技术领域

本发明属于分布式网络技术领域，涉及Torus网络，特别涉及Torus网络中的无死锁自适应路由算法。

背景技术

直连网络(Direct Interconnection Network)作为一种常见的网络拓扑形式，已经广泛应用于多处理器系统(Multi-processor)，多计算机系统(Multi-computer)。

在大规模多计算机系统中，每个节点都有自己的处理器和局部存储器，系统通过直连网络实现相邻节点间的连接。直连网络的最大优点是具有很好的扩展性。

在大规模多计算机系统中，每个节点都有一个单独的路由器(Router)，处理与通信有关的任务。虽然该任务可由相应的处理器执行，但采用路由器执行后可以实现节点内的计算和通信任务的重叠执行。每个节点都支持一定数量的输入通道(input channel)和输出通道(output channel)。内部通道实现与本地处理机(processor)连接，外部通道用于处理机间的通讯。

常见的直连网络拓扑结构有Mesh，Torus等。Mesh网络结构简单易于实现。但是Mesh结构不对称：由于位置不同，每个节点可能有不同数目的邻节点。这种不对称性将会极大地影响网络性能。Torus网络则是一种完全对称的直连网络拓扑形式。

分布式网络中常见的数据交换方式有以下几种：

1)存储转发(store and forward)：当一个消息到达中间节点A时，A把整个消息放入其通信缓冲器中，然后在寻径算法的控制下选择下一个相邻节点B，当从A到B的通道空闲并且B的通道缓冲器可用时，把消息从A发向B。

2)虚拟直通(virtual cut-through)：中间结点没有必要等到整个数据包全部被缓冲后再作出路由选择，只要消息的目的信息域可用后，就可以作出路由选择。当消息被阻塞时，当前节点需要能存储整个数据包。虚拟直通方式需要每个节点有较大的数据缓存区，但与存储转发相比，网络延迟大大降低了。

3)虫洞(wormhole)：在虫洞交换中，把一个消息分成多个微片(flits)。每个消息的微片以流水方式在网络中前进。当头微片被阻塞时，当前节点只需要能存储头微片。与虚拟直通方式不同之处在于：当消息阻塞时，每个节点只存储一个微片而不是整个消息。

路由算法决定数据包在网络中传输时的通道选择顺序。路由算法避免了数据在传输时发生死锁、活锁及饿死现象。在Mesh及Torus网络中，已分别提出多种路由算法。不同路由算法的数据传输效率大大不同。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供Torus网络中的无死锁自适应路由算法，在避免网络产生死锁、活锁及饿死现象的同时，充分利用空闲的虚拟通道，数据传输效率相对现有算法有了很大的提升。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

Torus网络中的无死锁自适应路由算法，应用于虚拟直通交换方式或虫洞交换方式，利用两条虚拟通道R1和R2，R1为自适应通道，数据包在任何时候都能够访问，R2应用Mesh网络中的无死锁路由算法。

如果Torus网络采用虚拟直通交换方式，不采用流量控制，算法的实现如下：

1)R1通道是完全自适应的，数据包在任何时候都能够请求R1通道；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

如果Torus网络采用虚拟直通交换方式，采用流量控制，首先定义安全数据包及非安全数据包：

1)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，并且，数据包下一跳步遵循Mesh网络中的无死锁路由算法，那么对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

2)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

不满足上述任一条件的数据包为非安全数据包，

在给出安全及非安全数据包定义后，算法的实现如下：

假设数据包下一跳步对应节点有f个空闲缓存区，s个安全数据包，

1)f＞1，数据包能够前进到下一节点；

2)f＝1且s＞0，数据包能够前进到下一节点；

3)f＝1且s＝0，如果数据包对下一节点是安全数据包，则能够前进，否则不能前进；

4)f＝0，不能前进到下一节点。

如果Torus网络采用虫洞交换方式，根据Torus网络中各节点到顶点的距离，将所有节点划分入不同的集合Si，集合S0中包含所有的顶点，集合Si中的节点到所有顶点的最小路径中，最短距离的为i，算法的实现如下：

1)当数据包需要通过回转链路时，只能申请从集合Si中的节点到集合Sj中的节点上的R1通道，其中j≤i，当数据包不需要通过回转链路时，数据包请求R1通道没有限制；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

以上所述Mesh网络中的无死锁路由算法，可以为负优先算法或者维序算法或者转向模型等。

本发明与现有技术相比，具有的优点是：

1)可避免网络产生死锁、活锁及饿死现象；

2)充分利用空闲的虚拟通道，数据传输效率相对现有算法有了很大的提升。

附图说明

图1是采用虫洞交换方式的二维Torus网络节点划分示意图，集合S₀中包含所有的顶点，集合S_i中的节点到S₀的节点距离大于等于i。

图2是二维Torus虫洞路由器。

图3是采用采用流量控制的虚拟直通交换方式下的路由器设计框图，该路由器的输出缓存区记录了3个计数器：G，C，S。

图4是本发明中的算法与现有的bubble flow算法进行的模拟比对，模拟仿真基于3维Torus网络，虚拟直通交换方式，消息为随机产生模式，横坐标表示消息产生速度，纵坐标表示消息到达目的节点的平均延迟，clue-DOR是发明中未采用流量控制的算法，维序算法应用于R2通道上；clue-NF是发明中未采用流量控制的算法，负优先算法应用于R2通道上；FCclue-DOR及FCclue-NF则是发明中采用了流量控制的算法。

图5是本发明中的算法与现有的bubble flow算法进行的模拟比对，模拟仿真基于3维Torus网络，虚拟直通交换方式，消息为热点产生模式，横坐标表示消息产生速度，纵坐标表示消息到达目的节点的平均延迟，clue-DOR是发明中未采用流量控制的算法，维序算法应用于R2通道上；clue-NF是发明中未采用流量控制的算法，负优先算法应用于R2通道上；FCclue-DOR及FCclue-NF则是发明中采用了流量控制的算法。

图6是本发明中的算法与现有的Duato Protocol算法进行的模拟比对，模拟仿真基于2维Torus网络，虫洞交换方式，消息为随机产生模式，横坐标表示消息产生速度，纵坐标表示消息到达目的节点的平均延迟，clue-DOR采用3条虚拟通道，将维序算法应用于R2通道上；clue-WF采用3条虚拟通道，将西优先算法应用于R2通道上；2-clue-DOR及2-clue-WF没有增加1条完全自适应通道，只使用了2条虚拟通道。

图7是本发明中的算法与现有的Duato Protocol算法进行的模拟比对，模拟仿真基于2维Torus网络，虫洞交换方式，消息为热点产生模式，横坐标表示消息产生速度，纵坐标表示消息到达目的节点的平均延迟，clue-DOR采用3条虚拟通道，将维序算法应用于R2通道上；clue-WF采用3条虚拟通道，将西优先算法应用于R2通道上；2-clue-DOR及2-clue-WF没有增加1条完全自适应通道，只使用了2条虚拟通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

Torus网络采用虚拟直通交换方式，不采用流量控制，算法的实现如下：

1)R1通道是完全自适应的，数据包在任何时候都能够请求R1通道；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法，如维序算法、转向模型(TurnModel)等；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

对于n维，每维k个节点的Torus网络，假设维序算法应用于R2通道上，算法实现的伪代码如下：

k-ary n-cube Torus()

输入：数据包当前节点坐标current：(c₁，c₂，...c_n)，目的坐标dest：(d₁，d₂，...d_n)；

输出：下一跳步所选择的通道.{

1)可选通道集合S＝{}；

2)坐标偏差集offset：(b₁，b₂，...b_n)。

for i＝1 to n do  b_i＝d_i-c_i；

3)选择所有可用的R1通道加入S：add-R1(S，offset)

选择所有可用的R2通道加入S：add-R2(S，offset，current)

4)若S不为空，返回ch＝select(S)；

否则消息阻塞。

}

add-R1(S，offset))

输入：可用通道集S，坐标偏差offset；

输出：将所有可用R1通道加入S.{

1)for i＝1 to n，do 2)and 3)；

2)if b_i＞k/2 or -k/2≤b_i ＜0，

S←S∪{R1i-}

3)if b_i＜-k/2 or 0＜b_i ≤k/2，

S←S∪{R1i+}

}

add-R2(S，offset，current)

输入：可用通道集S，坐标偏差offset，当前节点坐标current；

输出：将所有可用R2通道加入S.{

1)i＝firstwrap(offset)；

2)if i＜0，j＝firstone(offset)

a)if b_j＞0，S←S∪{R2j+}

b)if b_j＜0，S←S∪{R2j-}

3)if i≥0，

a)if c_i＝k-1，S←S∪{R2j+}

b)if c_i＝0，S←S∪{R2j-}

}

上述算法的基本思想如下：在初始化可用通道集合S及坐标偏差集offet后，将所有可能的R1通道及R2通道加入可用通道集合。如果最终可用通道集合仍为空，则消息阻塞。否则从所有可用通道中选择一个通道作为消息的下一跳步。选择一条合适通道取决于函数select(S)，常用的方法是随机选择一条存在空闲缓存区的通道或选择空闲缓存区最大的那条通道。将所有可能的R1通道加入S的实现如下：由于R1通道时完全自适应的，只要处于最短路径上的R1通道都可以加入S；对任意一维i，如果i维上的坐标偏差b＞k/2或者-k/2≤b_i＜0，那么在i维上消息应向负方向传输，因此通道R1i-可以加入可用通道集合S。R1i-标识的是当前节点i维负方向上的R1通道。按照同样方法，可以确定R1i+是否应该加入S。将所有可能的R2通道加入S的实现如下：首先确定数据包需要通过回转链路的维度上的最低维firstwrap(offset)。如果返回值小于0，则数据不再需要经过任何回转链路，数据包已经在Mesh子网内，只需要按照维序算法路由即可。firstone(offset)返回坐标偏差不为0的维度上的最低维，如果在此维上的坐标偏差b_j＞0，则将R2j+加入S，否则将R2j-加入S。如果firstwrap(offset)返回值不小于0，则分析当前节点的坐标c_i是否为k-1或0。如果c_i＝k-1或者c_i＝0时，消息在i维上的下一跳步就是回转链路，按照算法，只有此时相应的R2通道才能加入S。

上述算法是将维序算法应用于R2通道，如果将转向模型中的负优先算法应用于R2通道，只要将add-R2(S，offset，current)修改即可。

add-R2(S，offset，current)

输入：可用通道集S，坐标偏差offset，当前节点坐标current；

输出：将所有可用R2通道加入S.{

1)i＝firstwrap(offset)；

2)if i＜0，

a)T1＝{}，T2＝{}

b)for i＝1 to n，do c)and d)

c)if b_i＞0，T1←T1∪{R2j+}

d)if b_i＜0，T2←T2∪{R2j-}

e)if T2＝{}，S←S∪T1

f)if T2≠{}，S←S∪T2

3)if i≥0，

a)if c_i＝k-1，S←S∪{R2j+}

b)if c_i＝0，S←S∪{R2j-}

}

实施例二

Torus网络采用虚拟直通交换方式，采用流量控制，则需要首先定义安全数据包及非安全数据包：

1)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，并且，数据包下一跳步遵循Mesh网络中的无死锁路由算法，那么对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

2)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

不满足上述任一条件的数据包为非安全数据包，

在给出安全及非安全数据包定义后，算法的实现如下：

假设数据包下一跳步对应节点有f个空闲缓存区，s个安全数据包，

1)f＞1，数据包能够前进到下一节点；

2)f＝1且s＞0，数据包能够前进到下一节点；

3)f＝1且s＝0，如果数据包对下一节点是安全数据包，则能够前进，否则不能前进；

4)f＝0，不能前进到下一节点。

实施例三

如果Torus网络采用虫洞交换方式，根据Torus网络中各节点到顶点的距离，将所有节点划分入不同的集合Si，集合S0中包含所有的顶点，集合Si中的节点到所有顶点的最小路径中，最短距离的为i，算法的实现如下：

1)当数据包需要通过回转链路时，只能申请从集合Si中的节点到集合Sj中的节点上的R1通道，其中j≤i，当数据包不需要通过回转链路时，数据包请求R1通道没有限制；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法，如维序算法、转向模型(TurnModel)等；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

图1列出了采用虫洞交换方式的二维Torus网络节点划分方法，集合S₀中包含所有的顶点，集合S_i中的节点到S₀的节点距离大于等于i。

为简化算法，可将本实施例的1)做适当改动：当数据包需要经过回转链路时，只允许选择需要经过回转链路的维度上的R1通道。

如图4和图5，将本发明的算法与现有的bubble flow算法进行了模拟仿真比对，模拟仿真基于3维Torus网络，虚拟直通交换方式，其中，图4中消息为随机产生，每个节点都有同样的概率接收并发送消息。图5中的消息产生为热点产生模式，网络中存在若干热点，其接受消息的数量比其他节点高10％。clue-DOR是本发明中未采用流量控制的算法，维序算法应用于R2通道上；clue-NF是本发明中未采用流量控制的算法，负优先算法应用于R2通道上；FCclue-DOR及FCclue-NF则是本发明中采用了流量控制的算法。横坐标表示消息产生速度，纵坐标表示消息到达目的节点的平均延迟。从图中可以看出，本发明中的算法均优于现有的bubble flow算法。

如图6和图7，将本发明中的算法与现有的Duato Protocol算法进行了模拟仿真比对，模拟仿真基于2维Torus网络，虫洞交换方式。其中，图6中消息为随机产生，每个节点都有同样的概率接收并发送消息。图7中的消息产生为热点产生模式，热点接受消息的数量比其他节点高5％。由于DuatoProtocol至少需要三条虚拟通道，故发明中的算法也增加了一条完全自适应通道。图中，clue-DOR采用3条虚拟通道，将维序算法应用于R2通道上；clue-WF采用3条虚拟通道，将西优先算法应用于R2通道上；2-clue-DOR及2-clue-WF没有增加1条完全自适应通道，只使用了2条虚拟通道。从图中可以看出，本发明中的算法只使用2条虚拟通道，性能与现有算法不相上下。而使用3条通道，算法的性能完全优于现有算法。

另外，根据本发明的算法，可提出相应的路由器模型。图2列出了二维Torus虫洞路由器路由控制模块的实现。

每个消息头部(routing header)包含了二个符号位(sx，sy)和二个回转链路位(wx，wy)。符号位标识消息在每一维上传输沿正方向还是负方向，回转链路位标识消息在每一维是否还需要经过回转链路。位移偏差(x，y)指定了在每一维消息至目的节点还需经历多少个跳步。位移偏差x和y输入到一个零检查器后，产生两个信号xdone，ydone。如果某一维上的偏差为0，则消息在那一维上不再需要传输。Xdone，ydone，sx，sy输入到五个与非门，产生标志着消息传输方向的五个信号，从左至右，第一个与非门表明若xdone＝1且ydone＝1，消息在二个维度上的偏差都为0，信息已经到达目的地，exit信号被激活。第二个与非门表明若xdone＝0，消息在x维上仍需传输；sx＝0，消息在x维上沿正方向传输；+x信号被激活。其余几个与非门与此类推。所有这些输出信息，再加上二个回转链路位及路由器的位置(wrapx，wrapy)和缓存区(queue lengths)信息，一齐输入到路由模块，以决定哪一条虚拟通道被激活。wrapx和wrapy表明路由器在x维和y维是否毗邻回转链路。选择函数(select function)最终选择一条通道作为消息的下一跳步。

选择R1x+，R2x+及R2y+为例说明路由函数(routing function)的设计。fr_R1x+表示通道R1x+上仍有可用的消息缓存区。

$R1x+={\mathrm{fr}}_{R1x+}\·(+x)\·\stackrel{\‾}{\mathrm{wy}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{wx}}}$

当数据包需要沿x正方向传输，且对应通道上有空闲缓存区时，考虑回转链路情况：仅当数据包需要经过y轴上的回转链路且需不经过x轴上的回转链路时，R1x+不能选择。对于虚拟直通方式下，R1x+＝fr_R1x+·(+x)。因为虚拟直通下，对R1通道的选择没有限制。

$R2x+={\mathrm{fr}}_{R2x+}\·(+x)\·(\stackrel{\‾}{\mathrm{wx}}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{wy}}+\mathrm{wx}\·\mathrm{wrapx})$

R2x+在以下两种情况下可以被选择：1)消息不需要经过x维及y维上的回转链路；2)消息需要经过x维上的回转链路，且当前节点毗邻x维上的回转链路。

$R2y+={\mathrm{fr}}_{R2y+}\·(+y)\·(\mathrm{xdone}\·\stackrel{\‾}{\mathrm{wy}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{wx}}\·\mathrm{wy}\·\mathrm{wrapy})$

R2y+通道能被选择有以下二种情况：1)数据包在x维上偏差为0且在y维上不需要经过回转链路；2)数据包不需要经过x维上的回转链路，需要经过y维上的回转链路且当前节点毗邻y维上的回转链路。

图3是采用流量控制的虚拟直通交换方式下的路由器设计，与普通路由器的最大不同之处在于：路由器的输出缓存区记录了3个计数器：G，C，S。

	名字	含义
			G	状态	表明缓存区是否空闲或正在被使用
C	空闲缓存区数目	下游节点可用的空闲缓存区数目
			S	安全消息数目	下游节点已经存储的安全消息数目

当路由器往下一个节点发送一个安全数据包时，空闲缓存区数C减去1，同时安全消息数目加上1.当数据包从下游节点离开时，下游节点发送一个消息给上游节点。上游节点空闲缓存区数目加上1，同时如果该数据包是安全数据包，安全消息数目减去1。

Claims (4)

1.Torus网络中的无死锁自适应路由算法，应用于虚拟直通交换方式或虫洞交换方式，利用两条虚拟通道R1和R2，R1为自适应通道，数据包在任何时候都能够访问，R2应用Mesh网络中的无死锁路由算法，其特征在于，所述Torus网络采用虚拟直通交换方式，不采用流量控制，算法的实现如下：

1)R1通道是完全自适应的，数据包在任何时候都能够请求R1通道；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

2.根据权利要求1所述的Torus网络中的无死锁自适应路由算法，其特征在于，所述Torus网络采用虚拟直通交换方式，采用流量控制，首先定义安全数据包及非安全数据包：

1)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，并且，数据包下一跳步遵循Mesh网络中的无死锁路由算法，那么对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

2)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，对于下一跳步上的节点，该数据包是安全数据包；

不满足上述任一条件的数据包为非安全数据包，

在给出安全及非安全数据包定义后，算法的实现如下：

假设数据包下一跳步对应节点有f个空闲缓存区，s个安全数据包，

1）f>1，数据包能够前进到下一节点；

2）f=1且s>0，数据包能够前进到下一节点；

3）f=1且s=0，如果数据包对下一节点是安全数据包，则能够前进，否则不能前进；

4）f=0，不能前进到下一节点。

3.根据权利要求1所述的Torus网络中的无死锁自适应路由算法，其特征在于，所述Torus网络采用虫洞交换方式，根据Torus网络中各节点到顶点的距离，将所有节点划分入不同的集合S_i，集合S₀中包含所有的顶点，集合S_i中的节点到所有顶点的最小路径中，最短距离的为i，算法的实现如下：

1)当数据包需要通过回转链路时，只能申请从集合S_i中的节点到集合S_j中的节点上的R1通道，其中j≤i，当数据包不需要通过回转链路时，数据包请求R1通道没有限制；

2)如果数据包已在Mesh子网内，即该数据包到达目的地不再需要经过任何回转链路，则该数据包能够请求R2通道，并且，该数据包在使用R2通道时应遵循Mesh网络中的无死锁路由算法；

3)如果数据包的下一跳步是通过回转链路，且该回转链路所属维度是该数据包到达目的地所需通过的回转链路中的最低维，则在那条回转链路上，数据包能够请求R2通道。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的Torus网络中的无死锁自适应路由算法，其特征在于，所述Mesh网络中的无死锁路由算法为负优先算法或者维序算法或者转向模型。

Images