TW201547239A - 適用平行運算之無交換器網路建構系統及方法 - Google Patents

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Yu-Tin Chen
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Abstract

一種適用平行運算之無交換器網路建構系統，其包括：複數個節點，根據該路由表於該等節點中之兩兩節點間進行通訊傳輸；其中，路由表之建立包括下列步驟：計算該等節點中之兩兩節點間之傳輸路徑之最短路徑，其中最短路徑係無中繼節點或有至少一個中繼節點於兩兩節點之間；移除最短路徑中之起始節點及第一中繼節點間之傳輸路徑，找出起始節點及目的節點間之另一最短路徑，而另一最短路徑重複此步驟找出起始節點及目的節點間之其它的最短路徑；以及依據該等節點中任一起始節點及任一目的節點間之所有最短路徑建立路由表。

Description

適用平行運算之無交換器網路建構系統及方法
本發明有關於一種電腦網路之技術領域，特別有關於一種適用平行運算之無交換器網路建構系統及方法。
高性能電腦或電腦系統的需求係需要提供硬體和軟體的最佳化使用，並利用包含一個或多個微處理器和記憶體之處理節點來實現。這些電腦系統有時被稱作共享多處理器系統，在一個共享的多處理器電腦系統中，視處理器為網路節點以相互連接，使它們可以彼此進行通訊，以共享操作系統、資源、資料、記憶體等。
平行運算電腦系統的隨著電腦節點數增加，節點間網路通訊會大幅度增加，為了使兩兩節點之間的通訊速度增快，會使用交換器來作為各節點間通訊之用。然而，節點的數量愈大，所使用的交換器的數量就愈多，而使用例如胖樹(Fat Tree)結構之交換器的層數亦會增加，因而造成整個網路系統的結構相當複雜，且網路系統的成本亦會增加。
有鑑於上述問題，本發明之目的係提供一種適用平行運算之無交換器網路建構系統及方法，其建構之網路系統經演算法 計算而獲得兩兩節點之間的最短路徑，而達到兩兩節點之間的通訊速度更為快速，而可以不使用交換器或部分不使用交換器來進行兩兩節點之間的通訊，因此整個網路系統的結構變得簡單，且網路系統的成本亦不會增加。
本發明之第一態樣係提供一種適用平行運算之無交換器網路建構系統，其包括：複數個節點，每一節點係一單核心晶片、一處理器、一電腦、一組電腦之內部最佳化組及一計算機中心之其中一者，每一節點內建有一路由表，根據該路由表於該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸；其中，該路由表之建立包括下列步驟：計算該等節點中一起始節點及一目的節點間之傳輸路徑之一最短路徑，其中該最短路徑係無中繼節點或有至少一個中繼節點於該起始節點及該目的節點之間；移除該最短路徑中之該起始節點及第一中繼節點間之傳輸路徑，找出該起始節點及該目的節點間之傳輸路徑之另一最短路徑，而該另一最短路徑重複此步驟找出該起始節點及該目的節點間之其它的最短路徑；以及依據該等節點中任一該起始節點及任一該目的節點間之所有最短路徑建立該路由表。
本發明之第二態樣係提供一種適用平行運算之無交換器網路建構方法，其應用於一無交換器網路建構系統，該無交換器網路建構系統包括複數個節點，每一節點係一單核心晶片、一處理器、一電腦、一組電腦之內部最佳化組及一計算機中心之其中一 者，該方法包括下列步驟：將一路由表存放在該等節點之每一節點中；以及由該無交換器網路建構系統根據該路由表於該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸；其中，建立該路由表包括下列步驟：計算該等節點中一起始節點及一目的節點間之傳輸路徑之一最短路徑，其中該最短路徑係無中繼節點或有至少一個中繼節點於該起始節點及該目的節點之間；移除該最短路徑中之該起始節點及第一中繼節點間之傳輸路徑，找出該起始節點及該目的節點間之另一最短路徑，而該另一最短路徑重複此步驟找出該起始節點及該目的節點間之其它的最短路徑；以及依據該等節點中任一該起始節點及任一該目的節點間之所有最短路徑建立該路由表。
圖1為本發明之適用平行運算之無交換器網路建構系統之節點架構示意圖；圖2為本發明之適用平行運算之無交換器網路建構方法之流程圖；以及圖3為本發明之建立路由表之方法之流程圖。
為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖 式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。
圖1為本發明之適用平行運算之無交換器網路建構系統之節點架構示意圖。在圖1中，無交換器網路建構系統包括複數個節點(節點編號1、2、...、16)，每一節點係為一單核心晶片(single core on chip)、一處理器、一電腦、一組電腦之內部最佳化組(a group of internally optimized group of computers)或一計算機中心(a computational center)，每一節點內建有一路由表(routing table)。無交換器網路建構系統根據路由表之傳輸路徑的資料於該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸。
本發明之實施例以16個節點為例說明無交換器網路建構系統之通訊操作，但該節點數量並非侷限本發明，本發明之無交換器網路建構系統之節點數量可高達數千個或甚至超過萬個節點數量。
路由表之通訊路徑的起始節點及目的節點間之最短路徑之計算係利用一窮舉法、一迪科斯徹演算法(Dijkstra’s algorithm)或一法弗洛伊德(Floyd-Warshall)演算法等演算法以建立該路由表之路徑資料。
首先由上述之演算法計算網路建構系統之任意兩節點A至B(起始節點至目的節點)間之最短路徑，在找到節點A至B間之最短路徑之後，將節點A與連接節點A之節點(即第一中繼節點)間之連接路徑予以切斷，再以少掉此連接路徑的拓樸尋找節點A至B間之另一最短路徑，重複前述之步驟，將另一最短路徑之節點A與連接節點A之另一第一中繼節點間之連接路徑予以切斷，再以少掉此連接路徑的拓樸尋找節點A至B間之所有其它的最短路徑。
再者，若節點A至B間之最短路徑之節點A與第一中繼 節點間之所有連接路徑都已經被考慮過，便開始考慮刪掉節點A至B間之最短路徑之第二層路徑(第一中繼節點及連接第一中繼節點之第二中繼節點間之連接路徑)、第三層路徑(第二中繼節點及連接第二中繼節點之第三中繼節點間之連接路徑)、...，並以上述尋找最短路徑方式以找出節點A至B間分別對應於第二層路徑、第三層路徑、...的最短路徑。如此循環，便可以找到節點A至B間之n個最短路徑，n可以是使用者自己訂定的正整數。
當拓樸大、節點數多的時候，計算最短路徑會是一個 計算負擔很重的問題。但當網路節點之連接數量很平均、結構最佳化之後，可以考慮不要以節點之起點與終點為條件來設定通訊路徑之路由，而可簡化地考慮目前節點與次一節點間連接路徑來作為通訊路徑之路由。
圖1之節點架構係經Dijkstra's演算法計算獲得下述一 組兩兩節點間之最短路徑：14-15,14-15-2,14-4,14-4-1,14-15-7,14-11-16,14-11-9,14-5-8,14-5,14-15-12,14-11,14-11-10,14-5-6,14-4-13,14-4-3,15-14,15-2,15-14-4,15-2-1,15-7,15-2-16,15-12-9,15-7-8,15-14-5,15-12,15-14-11,15-12-10,15-7-6,15-12-13,15-2-3,2-15-14,2-15,2-1-4,2-1,2-15-7,2-16,2-1-9,2-3-8,2-15-14-5,2-15-12,2-16-11,2-3-10,2-1-6,2-16-13,2-3,4-14,4-14-15,4-1-2,4-1,4-14-15-7,4-13-16,4-1-9,4-3-8,4-14-5,4-13-12,4-14-11,4-3-10,4-1-6,4-13,4-3,1-4-14,1-2-15,1-2,1-4,1-6-7,1-2-16,1-9,1-9-8,1-6-5,1-9-12,1-9-11,1-6-10,1-6,1-4-13,1-2-3,7-15-14,7-15,7-15-2,7-15-14-4,7-6-1,7-16,7-8-9,7-8,7-8-5,7-15-12,7-16-11,7-6-10,7-6,7-16-13,7-8-3,1 6-11-14,16-2-15,16-2,16-13-4,16-2-1,16-7,16-11-9,16-7-8,16-13-5,16-13-12,16-11,16-11-10,16-7-6,16-13,16-2-3,9-11-14,9-12-15,9-1-2,9-1-4,9-1,9-8-7,9-11-16,9-8,9-8-5,9-12,9-11,9-12-10,9-1-6,9-12-13,9-8-3,8-5-14,8-7-15,8-3-2,8-3-4,8-9-1,8-7,8-7-16,8-9,8-5,8-9-12,8-9-11,8-3-10,8-7-6,8-5-13,8-3,5-14,5-14-15,5-14-15-2,5-14-4,5-6-1,5-8-7,5-13-16,5-8-9,5-8,5-13-12,5-14-11,5-6-10,5-6,5-13,5-8-3,12-15-14,12-15,12-15-2,12-13-4,12-9-1,12-15-7,12-13-16,12-9,12-9-8,12-13-5,12-9-11,12-10,12-10-6,12-13,12-10-3,11-14,11-14-15,11-16-2,11-14-4,11-9-1,11-16-7,11-16,11-9,11-9-8,11-14-5,11-9-12,11-10,11-10-6,11-16-13,11-10-3,10-11-14,10-12-15,10-3-2,10-3-4,10-6-1,10-6-7,10-11-16,10-12-9,10-3-8,10-6-5,10-12,10-11,10-6,10-12-13,10-3,6-5-14,6-7-15,6-1-2,6-1-4,6-1,6-7,6-7-16,6-1-9,6-7-8,6-5,6-10-12,6-10-11,6-10,6-5-13,6-10-3,13-4-14,13-12-15,13-16-2,13-4,13-4-1,13-16-7,13-16,13-12-9,13-5-8,13-5,13-12,13-16-11,13-12-10,13-5-6,13-4-3,3-4-14,3-2-15,3-2,3-4,3-2-1,3-8-7,3-2-16,3-8-9,3-8,3-8-5,3-10-12,3-10-11,3-10,3-10-6,3-4-13平均路徑長度：1.75此最短路徑之每一列代表一組以Dijkstra's演算法計算找到之路徑，在逗號之間的一列數字列中的第一個數字為起始節點編號，最後一個數字為目的節點編號，中間有零個以上的中間數字係代表中繼節點編號。
圖1之網路拓樸結構可以快速地被計算出兩兩節點間之距離矩陣，如表1所示，其中表1之第一列及第一行中之數字表示節點編號，其餘行列中的數字表示兩兩節點間之路徑距離。
以圖1為例，起始節點4與目的節點7間之最短路徑的距離為3，該最短路徑之連接路徑之節點編號為4-14-15-7。移除起始節點4與第一中繼節點14間之連接路徑之後，找出節點編號為4-3-8-7之連接路徑亦為最短路徑，而其距離為3。再移除起始節點4 與第一中繼節點3間之連接路徑之後，找出節點編號為4-13-16-7之連接路徑亦為最短路徑，而其距離亦為3。再移除起始節點4與第一中繼節點13間之連接路徑之後，又找出節點編號為4-1-6-7之連接路徑亦為最短路徑。
在上面的說明可知，該等第一中繼節點14、3、13、1 都是直接連接起始節點4的節點，也可以稱之為第一層的節點，圖1很明顯地表示在此拓樸中該四個直接連接起始節點4的網路節點都可以提供到達目節點7的最短路徑。
在這個例子中，表示由起始節點4到目的節點7間的連 接路徑非但不只一條，而連接起始節點4的四個第一中繼節點14、3、13、1皆可以當第一個傳送點。於是，起始節點4把第一中繼節點14、3、13、1同時當成傳向目的節點7的最短路徑之下一站(next hop)，並將該等第一中繼節點14、3、13、1存放在起始節點本身的路由表中。
但是接下來的第一層節點來說，由該等第一中繼節點 14、3、13、1到達目的節點7間的第一層最短路徑都只有一條，亦即連接路徑之節點編號分別是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7為第一層最短路徑，故沒有必要再繼續刪除第二層的路徑來找出其它層的最短路徑。
但在更複雜的網路中，有可能在第一層節點之後也可 以找到複數個最短路徑，甚至在第二層、第三層以及於許許多多更遠的層都可以找到，並將最短路徑之下一站之節點編號存放在相應節點本身的路由表中。
假使節點A到B間的最短路徑之距離為4，或許可以在 網路中找到複數距離為4的n個最短路徑。此程序可以無限循環找下去，也可以針對系統硬體資源的限制(例如路由器記憶體大小限制)設定n為一個數目上限，以避免影響網路在通訊的過程中的效率。
圖2為本發明之適用平行運算之無交換器網路建構方法之流程圖。在說明圖2之流程步驟時參考圖1之組件與表1及2。
在圖2中，首先將根據圖1之節點數量利用窮舉法、迪科斯徹演算法或法弗洛伊德演算法等演算法計算出一組兩兩節點之最短路徑。將至少一個最短路徑之本身節點編號與下一站節點編號建立成一路由表，並存放相應之本身節點中(步驟S20)。
建立路由表之資料如圖3為本發明之建立路由表之方法之流程圖所示。在圖3中，以圖1之節點架構利用Dijkstra's演算法計算獲得一組兩兩節點間之最短路徑(步驟S30)。
以圖1之其中一個最短路徑為例，該最短路徑利用Dijkstra's演算法計算獲得之節點編號為4-14-15-7之連接路徑。
接著，移除起始節點4與第一中繼節點14間之連接路徑之後，找出節點編號為4-3-8-7之連接路徑亦為最短路徑，而其距離為3。再移除起始節點4與第一中繼節點3間之連接路徑之後，找出節點編號為4-13-16-7之連接路徑亦為最短路徑，而其距離亦為3。再移除起始節點4與第一中繼節點13間之連接路徑之後，又找到節點編號為4-1-6-7之連接路徑亦為最短路徑(步驟S32)。
接下來，以該等第一中繼節點14、3、13、1為第一層節點來說，找出第一中繼節點14到達目的節點7間之除了節點編號為14-15-7之連接路徑之外的第一層最短路徑，亦即移除第一中繼節點14與第二中繼節點15間之連接路徑之後，找出路徑距離相同之第 一層最短路徑，而連接路徑之節點編號分別是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7亦以相同方式找出第一層最短路徑(步驟S34)。
然而，該等第一中繼節點14、3、13、1到達目的節點7間的第一層最短路徑都只有一條，而無法找出第二條第一層最短路徑，亦即連接路徑之節點編號分別是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7為第一層最短路徑，故沒有必要再繼續刪除第二層的路徑來找出其它層最短路徑。
由上述說明，依據圖1之網路節點中任一起始節點及任一目的節點間之所有最短路徑來建立路由表(步驟S36)，而將所建立之路由表存放圖1之網路節點的每一節點中。
為了節省路由表記憶體的容量大小，每一節點之路由表之資料可以是記錄最短路徑之本身節點編號與下一站節點編號，如上述例子，節點4之路由表之部分資料為本身節點編號4與該等第一中繼節點之編號14、3、13、1。
再次參考圖2，在路由表存放於無交換器網路建構系統之每一節點中後，由無交換器網路建構系統根據路由表之傳輸路徑的資料於圖1之該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸(步驟S22)。
本發明係提供一種適用平行運算之無交換器網路建構系統及方法，其優點在於建構之網路系統經演算法計算而獲得兩兩節點之間的最短路徑，並找出為相同路徑距離之其它最短路徑，將所有的最短路徑之資料建立成為路由表以存放在每一節點中，無交換器網路建構系統根據路由表之傳輸路徑資料以達到兩兩節點之間的通訊速度更為快速，而無需使用交換器來進行兩兩節點之間 的通訊，因此整個網路系統的結構變得簡單，且網路系統的成本亦不會增加。
雖然本發明已參照較佳具體例及舉例性附圖敘述如上，惟其應不被視為係限制性者。熟悉本技藝者對其形態及具體例之內容做各種修改、省略及變化，均不離開本發明之申請專利範圍之所主張範圍。

Claims (6)

  1. 一種適用平行運算之無交換器網路建構系統，其包括：複數個節點，每一節點係一單核心晶片、一處理器、一電腦、一組電腦之內部最佳化組及一計算機中心之其中一者，每一節點內建有一路由表，根據該路由表於該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸；其中，該路由表之建立包括下列步驟：計算該等節點中一起始節點及一目的節點間之傳輸路徑之一最短路徑，其中該最短路徑係無中繼節點或有至少一個中繼節點於該起始節點及該目的節點之間；移除該最短路徑中之該起始節點及一第一中繼節點之傳輸路徑，找出該起始節點及該目的節點間之另一最短路徑，而該另一最短路徑重複此步驟找出該起始節點及該目的節點間之其它的最短路徑；以及依據該等節點中任一該起始節點及任一該目的節點之所有最短路徑建立該路由表。
  2. 如申請專利範圍第1項之無交換器網路建構系統，其中，該路由表之建立更包括下列步驟：移除所有最短路徑中之兩個相鄰中繼節點間之傳輸路徑，找出相鄰之前中繼節點及該目的節點間之多層之最短路徑，將多層之最短路徑建立於該路由表中。
  3. 如申請專利範圍第1項之無交換器網路建構系統，其中，該起始節點及該目的節點間之最短路徑之計算係利用一窮舉法、一迪科斯徹演算法及一法弗洛伊德演算法之其中一者。
  4. 一種適用平行運算之無交換器網路建構方法，其應用於一無交 換器網路建構系統，該無交換器網路建構系統包括複數個節點，每一節點係一單核心晶片、一處理器、一電腦、一組電腦之內部最佳化組及一計算機中心之其中一者，該方法包括下列步驟：將一路由表存放在該等節點之每一節點中；以及由該無交換器網路建構系統根據該路由表於該等節點中之任一起始節點及任一目的節點間進行通訊傳輸；其中，建立該路由表包括下列步驟：計算該等節點中一起始節點及一目的節點間之傳輸路徑之一最短路徑，其中該最短路徑係無中繼節點或有至少一個中繼節點於該起始節點及該目的節點之間；移除該最短路徑中之該起始節點及第一中繼節點間之傳輸路徑，找出該起始節點及該目的節點間之另一最短路徑，而該另一最短路徑重複此步驟找出該起始節點及該目的節點間之其它的最短路徑；以及依據該等節點中任一該起始節點及任一該目的節點間之所有最短路徑建立該路由表。
  5. 如申請專利範圍第4項之無交換器網路建構方法，其中，建立該路由表之步驟更包括下列步驟：移除所有最短路徑中之兩個相鄰中繼節點間之傳輸路徑，找出相鄰之前中繼節點及該目的節點間之多層之最短路徑，將多層之最短路徑建立於該路由表中。
  6. 如申請專利範圍第4項之無交換器網路建構方法，其中，利用一窮舉法、一迪科斯徹演算法及一法弗洛伊德演算法之其中一者計算該起始節點及該目的節點間之最短路徑。
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