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Globale Architektur von MIMD-Parallelrechnern Eigenschaften
Mg Mg Mg
VN
P P P P
central memoryMultiprozessor
Mischformen
„message based“Multiprozessor
VN
P P P P
Effizient nur für eine geringe Anzahl von P.VN mit hoher Bandbreitenotwendig.Kommunikation durch gemeinsame Variablen.Synchronisation durchKritische Bereiche.
Sehr hohe Anzahl von P möglich.VN mit geringerer Bandbreitemöglich.Kommunikation durch Datentransport von Objekten.Synchronisation durchBotschaftenaustausch.Mp Mp Mp Mp
Beurteilungskriterien, Unterscheidungsmerkmale u. Klassifikation
Das Verbindungsnetz ist das Medium, über das die Kommunikation der Prozessoren untereinander und der Zugriff auf gemein-same Ressourcen abgewickelt werden.
In Monoprozessoren und in Parallel-rechnern wird das Verbindungsnetz-werk häufig abstrakt als black boxdargestellt. Es ist jedoch häufig sowohlinnerhalb eines Prozessors als auchin Parallelrechnern höherer Granularitätdie entscheidende architekturelleHardwareressource.
Verbindungsnetzwerke dienen demTransport von Daten und Botschaften zwischen den Modulen innerhalb einesProzessors als auch zwischen Pro-zessoren.
Innerhalb von SIMD-Architekturen findet manVerbindungsnetzwerke zur Ankopplung vonSpeichern und zur Konfiguration von Mehr-fachpipelines.
In MIMD-Architekturen dienen sie zur Kommunikation zwischen Prozessen aufden Prozessoren.
In einem direkten Netz besitzt jedes PE eine Anzahl fester Leitungen zu benach-barten PEs, entlang derer Nachrichten unmittelbar von PE zu PE gesendet werden können. Das Netz beschränkt sich somit auf Verbindungsleitungen; Vermittlungsfunktionen werden durch die PEs selbst ausgeübt, indem Nach-richten entlang der existierenden Leitung gesendet werden.
Da in direkten Netzen nur eine Stufe von Verbindungsleitungen existiert, wird in vielen Arbeiten die Bezeichnung einstu-fige Netze genutzt.
Benutzt wird auch gerne der Begriffstatische Netze, da die Verbindung zwischen Paaren von PEs ohne Möglichkeit der Rekonfiguration erfolgt.
Topologische Verbindungsstrukturen direkterNetze können mittels Verbindungsfunktionenbeschrieben werden.
Verfügt ein Knoten Q eines Netzes über eineVerbindungsfunktion f(Q), so werden beimAusführen dieser Funktion Daten von Kno-ten Q zum Knoten D = f(Q) transferiert.
In einigen Netzen (z.B. Ring und Cube) istdie Verbindungsfunktion für alle Knoten gleich, in anderen Netzen (z.B. Baum)ist sie von Knoten zu Knoten unterschied-lich.
Indirekte Netze, dynamische Netze, ein- oder mehrstufige indirekte Netze
Ein indirektes Netz führt die Vermittlungsauf-gaben mittels aktiver Koppelelemente eigen-ständig durch. In vielen indirekten Netzen istjedes PE nur über einen Ein- und einen Aus-gang mit dem Netz verbunden. Die Netze bedienen sich einer oder mehrerer Stufenvon Koppelelementen, in denen die Nach-richten durch das Netz geleitet werden.
Die Koppelelemente dieses Netzes habenim einfachsten Fall zwei Ein- und zwei Ausgänge und können zur Datenvermitt-lung die Zustände straight und exchangeannehmen.
Durch Hinzufügen der Zustände upperbroadcast und lower broadcast können Nachrichten von einem Eingang zu beiden Ausgängen vermittelt werden.
Da die Verbindungsstruktur durch die Koppelelemente verändert und somitden jeweiligen Eigenschaften angepasstwerden kann, wird oft der Begriff „dynamische“ Netze genutzt, im Gegen-satz zu den direkten „statischen“ Netzen.
Indirekte Netze unterscheiden sich in der Komplexität, Größe und Funktionalität der Koppelelemente, der Anzahl der Stufen und der Struktur der Leitungsführungzwischen den Stufen.
Das Shuffle dient als Grundstruktur für den Aufbau mehrstufiger Verbindungsnetzwerke.
Verbindungsnetz 2 x 2 Koppelelement (Shuffle)01
23
45
67
01
23
45
67
Koppelelement
Straight Exchange
Lower UpperBroadcast Broadcast
Die Shuffle-Funktion wird von den Verbin-dungsleitungen ausgeführt. Ein 2x2-Koppelelement kann die Daten entwedergeradeaus (Straight) vermitteln oder aus-tauschen (Exchange). Um die Daten von
von einer Quelle zu einer Senke zu transportierensind üblicherweise mehrere Durchläufe (maximal�log2n�) durch das Netz notwendig (rezirkulierendesNetz).Einstufige Shuffle-Exchange Netze werden für Durchschalte- und Paketvermittlung verwendet.
Alle diese Netze sind nicht blockierungsfrei.Als Schaltelemente werden Shuffle-Koppel-elemente eingesetzt. Die Unterschiede zwischen den Netzen liegen in der Art derLeitungsführung zwischen den Koppel-elementen.
Bei n Ein-/Ausgängen werden log n Ebenenund n/2 ·log n Elementen benötigt.
In einem durchschaltevermittelnden Netz wird vordem Datentransfer eine vollständige Verbindung zwischen Quelle und Senke aufgebaut, entlang der dann Daten transferiert werden. Dies kann aufunterschiedliche Weise geschehen; so kann der Verbindungsaufbau zum Beispiel durch eine zen-trale Steuerung erfolgen oder durch Versenden eines Vermittlungspaketes, das durch das Netztransferiert wird und dabei eine Verbindung aufbaut.
Paketvermittlung
In einem paketvermittelnden Netz wer-den Vermittlungsinformationen und Da-ten zu einem Paket zusammengefasst, das durch das Netz transferiert wird, ohne jedoch eine vollständige Verbin-dung aufzubauen. Im einfachsten Fall der Speichervermittlung wird ein Paket, das über mehrere Zwischenstufen ver-mittelt werden muss, in jeder dieser Stufen komplett zwischengepuffert(Store-and-Forward-Methode).
Bei der verbindungsorientierten Kommu-nikation wird eine Verbindung zwischen Quelle und Senke etabliert, die für die gesamte Dauer der Datenübertragunggenutzt wird. Die Verbindung kann in einem durchschaltevermittelnden Systemphysikalisch über eine feste Leitung be-stehen, oder sie kann in einem paketver-mittelnden System lediglich virtuell exis-tieren, indem die Pakete, aus denen dieNachricht besteht, stets über den glei-chen Kommunikationsweg geleitet werden.
Verbindungslose Kommunikation
Bei einer verbindungslosen Kommunikation wer-den Nachrichtenpakete über die jeweils günstig-sten Verbindungsleitungen gesendet, wobei keinbevorzugter Kommunikationsweg existiert. Dies ist nur in einem paketvermittelnden System mög-lich, in dem während des Datentransports auch Vermittlungsfunktionen ausgeübt werden. Bei durchschaltevermittelnden Systemen werden nach erfolgtem Verbindungsaufbau lediglich Nutzdaten transportiert. In Kommunikations-systemen herrscht die verbindungsorientierte Kommunikation vor, sowohl im klassischen analogen Telefonnetz als auch im modernen Breitbandnetz. Bei paketvermittelnden Parallel-rechnern wird je nach Netz auch die verbin-dungslose Kommunikation eingesetzt, (bei-spielsweise bei direkten Netzen mit adaptiver Wegsuche).
Bei der „store-and-forward“ Strategie werden die Pakete in jeder Vermittlungs-station vollständig zwischengespeichert. Die Adressinformation wird interpretiert und wenn der erforderliche Leitungsweg zur Verfügung steht, wird das Paket zurnächsten Vermittlungsstation weiterge-reicht. Die Vermittlung ist völlig dezentralund eine Flußkontrolle wird erst erforder-lich, wenn die Speicherkapazität der Ver-mittlungsstellen nicht mehr ausreicht.
PaketvermittlungWorm-hole Strategie
Bei der „worm-hole“ Strategie wird das Paket vom Sender in das VN eingespeist und sucht sich wie ein „Wurm“ den Weg durch die Ver-mittlungsstationen. In den Vermittlungsstellen ist nur ein minimaler Speicher vorhanden, der gerade ausreicht um den Kopf einer Nachricht aufzunehmen und die dort gespeicherte Adress-information zu interpretieren. Der Rest der Nachricht liegt dann in den davor benutzten Vermittlungsstellen und wird durch die auto-matische Flußkontrolle beim Weiterschalten desKopfes hinterher gezogen. Am Ende des Paketsbefindet sich eine Endemarkierung, die den Weg für weitere Pakete wieder freigibt. Die Vor-teile dieser Strategie, nämlich die geringe Spei-cherkapazität in den Vermittlungsstellen und derschnelle Weitertransport (Pipelining) durch dasNetzwerk, haben sie sehr bekannt gemacht.
Beim Worm-hole-Routing erfolgt der Daten-transport über Zwischenschritte. Hierbeiwerden die Pakete in kleinere Komponen-ten, die Flits, aufgeteilt. Das erste Flit ent-hält die Verbindungsinformation, und in jeder Stufe wird auf dieser Basis die erfor-derliche Verbindung geschaltet. Nach Auf-bau der Verbindung erstrecken sich die Flits eines Paketes daher über mehrereStufen zwischen Quelle und Senke. Wenndas Paket länger als der aufgebaute Weg ist, wird eine vollst. Verbindung verfügbar, entlang derer weitere Flits schnell trans-portiert werden können.
Die wesentlichen Vorteile des Worm-hole-Routing sind die reduzierte Latenzzeit zwischen dem Absenden einer Nachrichtund dem Empfang an der Senke sowie die variable Paketlänge, die nicht durch Pufferplatz in einer Zwischenstufe be-schränkt wird. Ein Nachteil ist die Mög-lichkeit von Verklemmungen, wodurchNachrichten nie an ihr Ziel gelangenkönnen.
Es liegt eine geschaltete Verbindung zwischen den Prozessorelementen A und Cin einem durchgeschalteten Netz vor. Weitere Verbindungsanfragen können zu Konflikten führen.
Das Virtual-Cut-Through Routing ist eineErweiterung des Worm-hole Routing fürpaketvermittelnde Netze. Pakete werdenüber das Netz transferiert und in jederStufe weitervermittelt. Ist ein Weg zurnächsten Stufe verfügbar, wird nicht aufdas Eintreffen des gesamten Paketes gewartet. Stattdessen werden die schonverfügbaren Flits schnellstmöglichweitergeleitet. Somit entspricht es demWorm-hole Routing bei dem ein Paket den gesamten Weg von der Quelle bis zur Senke belegen kann.
Ist jedoch keine Verbindungsleitung zur nächsten Stufe verfügbar, so muss der Transfer gestopptwerden. Hierzu existieren in den einzelnen Stu-fen des Netzes Pufferspeicher, die die Pufferungeines kompletten Paketes ermöglichen (Store-and Forward Routing). Das Paket wird weiterge-leitet, sobald eine freie Leitung zur nächstenStufe existiert.
Eine längere Wegblockierung kann nicht eintre-ten, weil gestoppte Pakete vollständig in denRoutern zwischengespeichert werden können.Jedoch ist die Paketlänge durch die Größe deskleinsten Puffers begrenzt.Wird diese Begrenzung nicht eingehalten, er-folgt ein Pufferüberlauf.
Werden Nachrichten von zwei odermehr Quellen gleichzeitig zur selbenSenke gesendet, so resultiert ein Ausgangskonflikt und nur eine derNachrichten kann vermittelt werden. In vielen Netzen ergeben sich Kon-flikte auch innerhalb des Netzes, wenn Nachrichten zwar an unter-schiedliche Senken adressiert sind,intern streckenweise jedoch den-selben Weg benötigen.
Während interne Konflikte in blockie-rungsfreien oder rearrangierbarenNetzen vermieden werden können,sind Ausgangskonflikte verkehrsab-hängig und können daher durch topologische Maßnahmen nicht umgangen werden.
Indirekte Verbindungsnetze können einstufig(s = 1) oder mehrstufig (s > 1) sein. Beispielefür einstufige indirekte Netze sind dasCrossbar Netz und das einstufige Shuffle-Exchange Netz. Mehrstufige Netze werdenauch als Multistage Interconnection Net-works (MINs) bezeichnet.
Verbindungsnetze, in denen genau einWeg von jeder Quelle zu jeder Senkeexistiert, werden als indirekte Einpfad-netze bezeichnet. Existiert mehr als einWeg, so handelt es sich um indirekteMehrpfadnetze.
Das Crossbar Netz (such Kreuzschienen-verteiler oder Koppelvielfach) ermöglichtbeliebige blockierungsfreie Permutationen(auch Multicast und Broadcast) ohne Re-konfiguration. Der Verteiler besteht aushorizontalen und vertikalen Bussen.
0
1
2
3
3210
An jedem Kreuzungspunkt (Koppelpunkt)befindet sich ein Schalter durch den derhorizontale mit dem vertikalen Bus ver-bunden werden kann.
Crossbar mit 4 Ein- und Ausgängen
Koppelpunkt
Die eingezeichneten Verbindungen zeigen eine Permutation von Eingang kzu Ausgang (k+1)mod4.
Dieses einstufige und indirekte Netz findetaufgrund der hohen Leistungsfähigkeit undder hohen Regularität in sehr schnellenSystemen und als Baustein mehrstufiger, hierarchischer großer Netze Verwendung.
Crossbar mit 4 Ein- und 6 Ausgängen
Die eingezeichneten Leitungen zeigen Multicast-Verbindungenvon Eingang 0 nach 0 und 3 sowie von Eingang 3 zu den Ausgängen 1, 2, 4 und 5.
Insgesamt sind jedoch E · A Schalter erforder-lich, so dass die Netzgröße aufgrund der hohenHardwarekomplexität und aus Kostengründenbegrenzt bleibt.
In einem selbstroutenden paketvermitteln-den Crossbar Netz wird ein am Eingang eintreffendes Datenpaket in einem Ein-gangspuffer zwischengespeichert.
Die Routinginformationen dieses Paketes werden an eine zentrale Steuerlogik weitergeleitet. Diese Steuerlogik entscheidet, welche Pakete aus dem Puffer im nächsten Schritt an die Ausgänge weiter-geleitet werden und löst somit die Ausgangskon-flikte auf.