CN104767693A - 一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，包括：定义基于交换的交叉双折叠立方体网络结构ECDFQ。通过上述方式，本发明基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，减少网络的开销，均衡网络负载，网络的成本因子与已有的网络结构有明显的下降，可以达到提高并行计算的效率的目的，在基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的普及上有着广泛的市场前景。

Description

一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构

技术领域

本发明涉及互联网络结构领域，特别是涉及一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构。

背景技术

分布式并行计算指的是空间上的并行，具体是用多个处理器并发的执行计算，在进行大型科学研究或者解决大规模计算量的工程问题时分布式并行计算发挥了重要的作用，尤其是高维度的复杂技术问题，如地质资料模拟、大气数据处理，核武器研制模拟实验等。与串行计算相比，并行计算具有快速度，高精度，高时效的特点。

想要实现并行计算，首先要构建并行计算系统。并行计算系统是靠网络将各个处理机或处理器连接起来的，处理单元间有着固定连接的网络，在程序执行期间，这种点到点的链接保持不变，典型的静态网络有一维线性阵列、二维网孔、树连接、立方体网络、立方环、洗牌交换网、蝶形网络等。并行网络是影响并行计算的重要因素，多个结点间的通信开销由于网络结构的不同会大程度地影响计算的效率。所以研究设计并行网络的拓扑结构，切换技术，流量控制和路由算法，从不同角度影响互联网络的性能。

现有的网络结构或多或少具有网络开销大、网络负载不均衡、网络的成本因子与已有的网络结构增加、并行计算效率低等缺点。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，通过提出了一种新型的静态网络结构，能有效处理各处理机或处理器之间的通信，缩短了高维网络结构的半径的同时大量减少了并行处理系统的网络结构的硬件开销，网络结构的成本因子较其他网络结构有显著下降，可以用于进行建立大型并行计算系统，在基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，实现方法包括：

（1）定义并行互联网络结构ECQ：

，其中。是所有网络结点的集合，

，

是网络中所有边的集合，，

中由3种类型的边组成，分别记为，表示二进制数异或操作，表示的是结点的第位到第位的地址标识排列，规定当且仅当，

其中的定义分别是：

:,，

:,，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （a），

     （b），

     （c）如果是偶数，，

     （d）对于 ，，

:，，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （e），

     （f），

     （g）如果是偶数，，

 （h）对于 ，；

（2）定义基于交换的交叉双折叠立方体网络结构ECDFQ：

在并行互联网络结构ECQ的边基础上增加一种新类型的边，

的定义如下：

:，，，

得到，其中，

，

。

在本发明一个较佳实施例中，所述边用于连接每个立方体中的距离最远的两个点。

在本发明一个较佳实施例中，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的网络结点总数是。

在本发明一个较佳实施例中，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的边的数目是。

在本发明一个较佳实施例中，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的度数是。

在本发明一个较佳实施例中，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的直径大小为 。

本发明的有益效果是：本发明基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，减少网络的开销，均衡网络负载，网络的成本因子与已有的网络结构有明显的下降，可以达到提高并行计算的效率的目的，在基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的普及上有着广泛的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明基于交换的交叉双折叠立方体网络结构一较佳实施例的ECDFQ（1,3）的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，实现方法包括：

（1）定义并行互联网络结构ECQ：

，其中。是所有网络结点的集合，

，

是网络中所有边的集合，，

中由3种类型的边组成，分别记为，表示二进制数异或操作，表示的是结点的第位到第位的地址标识排列，规定当且仅当，

其中的定义分别是：

:,，

:,，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （a），

     （b），

     （c）如果是偶数，，

     （d）对于 ，，

:，，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （e），

     （f），

     （g）如果是偶数，，

 （h）对于 ，；

（2）定义基于交换的交叉双折叠立方体网络结构ECDFQ：

在并行互联网络结构ECQ的边基础上增加一种新类型的边，

的定义如下：

:，，，

得到，其中，

，

。

优选地，所述边用于连接每个立方体中的距离最远的两个点。

优选地，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的网络结点总数是。

优选地，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的边的数目是。

优选地，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的度数是。

优选地，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的直径大小为 。

网络的拓扑性质：

（1）结点数目

    的网络结点总数是。

（2）边的数目

 边的数目是，同维度的交叉立方体的边的数目是（），本发明ECDFQ边的数目较交叉立方体已经降低了一半。

（3）的度数

位地址以0结尾的结点的度数是，位地址以1结尾的结点的度数是，所以度数是。

（4）同构性

 和是同构的。

（5）可扩展性

用来衡量一个互联网络的数量可扩展性，在这里表示在保持互联网络的拓扑性能的同时相对于应经存在的网络构成而需要增加的最少数量的构成部件数。用和分别表示结点的可扩展性和边的可扩展性。对于本网络结构，可以得出，。

（6）分割性

     一个网络可以分成两个一样的或者网络。

（7）网络直径

  网络直径是指是指网络中任意两节点间距离的最大值，本网络的直径大小为 。

 （8）成本因子

  网络的成本因子是网络的直径与网络的平均度数的乘积。

。

网络的静态拓扑结构是基础，而路由算法是网络中路由寻址、转发消息的关键。并行计算系统应用在不同场景下需要面对不同的问题，并且需要两个或多个处理机或处理器之间的频繁的通信，这就要求并行计算机网络需要将通信数据包在最短时间内在进行通信的处理器之间相互传送，因此需要在这个网络结构中用好的路由算法来安排这些消息和数据包的传送路径，所以并行计算机网络的路由选择算法不仅是影响并行计算机性能的重要因素，也是检测并行计算机通信性能的重要手段。

一个好的路由算法是找到给定源结点和目标结点之间的最短通信线路。首先假如源节点是，目的结点是，，。对以下三部分路径分以下四种情况进行分析：

情况一，假设，。在和之间有两种情况需要考虑。如果，那么和是同一个网络结点。如果，和之间的消息传递只需要在最低维的边即0维边（位地址第0位不同、其他位都相同的边）上进行即可。

情况二，假设，。在此条件下再细分为3种子情况——情况2.1，情况2.2，情况2.3来分析。情况2.1，如果，则和在同一个立方体中，两个结点之间最长距离为2。情况2.2，如果，，可以先同过0维边将消息传送至的邻结点，设，则和在同一个立方体中，情况2.2转换成情况2.1。情况2.3，如果，同样可以找出与邻接的共处同一个立方体的结点，情况2.3转化成情况2.1。

情况三，假设，。根据定理，和是同构的，所以中路由算法和中的是一样的，那么情况三中的，可以转化成中的，，所以情况三可以转化成情况二进行消息传递。

情况四，假设，。在此条件下再细分为2种子情况——情况4.1和情况4.2来分析。情况4.1，首先找到结点，而且与在同一个立方体中。那么第一步把消息由传送到，而和的关系满足情况二，这样问题转化成情况二。情况4.2，和情况4.1类似，首先在同一个立方体中找到的邻接结点，使得与满足情况三，这样情况4.2转化成了情况三。

由此路由算法，可以轻松地对网络中的通信进行路由转发选择，使网络内部的通信得到保证。

下列表格给出了基于交换的交叉双折叠立方体结构和超立方体、交叉立方体、交换立方体、基于交换的交叉立方体在网络特征各方面的比较，比较的参数有边的总数、网络结点的度数、网络直径、可扩展性和可分割性5个影响网络性能的主要因素，对一个好的网络结构来说，边的总数，网络结点的度数、网络直径应该尽可能小，以减少硬件开销和通信开销，通过比较可以看出本发明较已有的网络结构有较大优势；

下列表格比较了超立方体，交叉立方体，交换立方体，基于交换的交叉立方体（ECQ）和基于交换的交叉双折叠立方体（ECDFQ）的成本因子的大小，以及随着维数变化他们的成本因子的增长情况，看出本发明ECDFQ网络结构有明显的优势；

综合来看，本发明ECDFQ网络结构吸取了各种已有的网络结构的优势，均衡了负载，较好地平衡了通信开销和硬件开销之间的关系，是一种适合大规模并行计算的网络结构。

在实际生活中，可以在任意需要进行大规模并行计算的环境下应用本发明。在此网络结构下实施一个使用MapReduce进行数据去重的案例，MapReduce是一种编程模型，用于大规模数据集的并行运算，它极大地方便了编程人员在不会分布式并行编程的情况下，将自己的程序运行在分布式系统上。 数据去重主要是为了掌握和利用并行化思想来对数据进行有意义的筛选，统计大数据集上的数据种类个数、从网站日志中计算访问等都会涉及数据去重。

在MapReduce过程中，分为两种结点，一种是master结点，有且只有一个，另一种是worker结点，可以有若干个。

首先选取32个处理机按如图1连接静态网络，此共有32个结点，224条边，网络直径为4。确定结点0为master结点，负责调度worker执行Map和Reduce任务，Reduce worker读取Map任务的输出文件，其余结点为worker结点，负责读取源片段，执行Map任务，根据本发明所设计的路由算法，master和worker之间进行通讯。输入输出的数据样本如下列两个表格所示；

Map函数和Reduce函数如下所示；

本实验生成2000万条测试数据，其中有200万条重复数据，根据本发明所设计的网络结构去重需要35790ms，去除了全部重复数据。可以说明本发明在可以应用在分布式并行计算中。

使用同样的测试数据在已有的网络结构上需要用时44800ms，较本发明多用近10000ms。两种网络结构的实验数据对比如下列表格所示；

由此可见，虽然ECQ(1,3)在边数上少于ECDFQ（1，3），但是本发明在网络直径、成本因子方面都优于已有的网络结构ECQ，而且在运行时间上也比ECQ网络结构少很多。证明了本发明是一种高效的网络结构。

通过提出了一种新型的静态网络结构，能有效处理各处理机或处理器之间的通信，缩短了高维网络结构的半径的同时大量减少了并行处理系统的网络结构的硬件开销，网络结构的成本因子较其他网络结构有显著下降，可以用于进行建立大型并行计算系统，在基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的普及上有着广泛的市场前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，基于并行互联网络结构ECQ，所述并行互联网络结构ECQ为：

，其中，是所有网络结点的集合，

，

是网络中所有边的集合，，

中由3种类型的边组成，分别记为，表示二进制数异或操作，表示的是结点的第位到第位的地址标识排列，规定当且仅当，

其中的定义分别是：

:,，

:,，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （a），

     （b），

     （c）如果是偶数，，

     （d）对于 ，，

:，，将和分别表示为和，判断和之间的连通性有如下规则：对于所有的，当且仅当存在一个，满足

     （e），

     （f），

     （g）如果是偶数，，

 （h）对于 ，，

其特征在于，实现方法包括：

定义基于交换的交叉双折叠立方体网络结构ECDFQ：

在所述并行互联网络结构ECQ的边基础上增加一种新类型的边，

的定义如下：

:，，，

得到，其中，

，

。

2.根据权利要求1所述的基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，其特征在于，所述边用于连接每个立方体中的距离最远的两个点。

3.根据权利要求1所述的基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，其特征在于，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的网络结点总数是。

4.根据权利要求1所述的基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，其特征在于，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的边的数目是。

5.根据权利要求1所述的基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，其特征在于，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的度数是。

6.根据权利要求1所述的基于交换的交叉双折叠立方体网络结构，其特征在于，所述基于交换的交叉双折叠立方体网络结构的直径大小为 。