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计算机系统结构 第七章 互连网络 第7章 互连网络 7.1 互连网络的基本概念 7.2 互连网络的种类 7.3 消息传递机制 7.4 互连网络实例 7.1 互连网络的基本概念 7.1.1 互连网络的作用 7.1.2 互连网络的特性 7.1.3 互连网络的性能参数 7.1.4 互连网络的表示方法 7.1.5 互连函数 7.1.1 互连网络的作用 用来实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接。 互连网络已成为并行处理系统的核心组成部分。 互连网络对整个计算机系统的性能价格比有着决定性的影响。 一个例子：具有本地存储器、私有高速缓存、共享存储器和共享外围设备的一般处理机系统的互连结构 7.1.2 互连网络的特性 互连网络通常是用有向边或无向边连接有限个结点组成。 如果用图形表示，一个网络可以表示为若干有相互连线的结点组成的图。 互连网络的主要特性有： (1)网络规模：网络中结点的个数 (2)结点度：与结点相连接的边数称为结点度 进入结点的边数叫入度 从结点出来的边数则叫出度 (3)距离：两个结点之间相连的最少边数 (4)网络直径：网络中任意两个结点间距离的最大值。用结点间的连接边数表示 ?网络规模：即一个网络中所连接的结点数。 该指标可以用于衡量网络可扩展性的一个方面，例如，有没有结点数量限制，如果有，最大能够容纳多少结点。 单纯从拓扑结构上讲，一般的网络结构都能够容纳无限多的结点，如果要评估不同网络结构的相对性能优劣，必须给它们指定相同的规模，即网络规模也用作建立一致性评估的基础。 ?结点度：每个结点与外部连接的边数称为一个结点的度，用d表示。图6-3表示了单向和双向通道连接和情况。 结点度和结点成本是成正比的，因为度越大，结点上需要构造的接口也越多，因而成本也越高。 一般使用平均结点度或最大结点度来衡量一个网络结构中的结点成本。 ? 距离：任意两结点之间相连的最少边数。 距离与两结点间最快的信息传输速度是成正比的。 平均距离与最长距离可以用于衡量由于网络结构而限定的信息传输速度指标。 ? 网络直径：网络中任意结点之间距离中的最大值。 即最长距离，它和网络结构中最慢的传输速度成正比，可以在一定程度上衡量网络结构的速度指标。 ? 等分宽度：一个网络被切割成对等的两半时（两半网络中结点数相等），沿切口所具有的边数（通道数），称为通道等分宽度，用b表示。 （1）等份切割面可能不止一个，得到的等分宽度也可能不止一个。 网络的等分宽度一般是指最小的等分宽度。 （2）对于其它任意切割面，只要它不与当前讨论的等份切割面相交，则该切割面的宽度必须小于等分宽度，否则网络结构中存在固定瓶颈。 等分宽度与网络结构的最大通信带宽成正比，可以从宏观上分析网络结构中的固定瓶颈，衡量网络结构的速度指标。 ?结点间线长：两个结点之间实际连接用的线长。 与两结点间的实际信息传输速率成正比，因为信号在传输线上传输需要时间，线长越大，速率越慢。 如果只是评估网络拓扑结构的优劣，并不会采用这一指标。 ?链路数量：网络中边的总数量。 与网络本身的成本成正比，边数越多，成本越高，可以用于评估网络成本。 ?对称性：如果从任一个结点观察网络，所看到的网络拓扑结构都是相同的，该网络是一个对称网络。 网络结构的对称性与结点概念的一致性等价，如果网络是一个对称结构，则所有结点上都使用相同的通信机制或协议软件，即软件可扩展性高。 一般而言，在对称网络中添加结点比非对称网络更容易，即硬件扩展性也相对较高，但这并不是绝对的。 一定程度上，可以用对称性来衡量网络可扩展性的一个方面。 7.1.3 互连网络的性能参数 发送方的步骤如下： (1) 用户程序把要发送的数据拷贝到系统缓冲区。 (2) 缓冲区中的数据打包并发送到网络接口部件。 (3) 网络接口硬件开始发送消息。 数据包的接收步骤如下： (1) 把数据包从网络接口部件拷贝到系统缓冲区。 (2) 检查收到的数据包，如果正确，发回答信号。 (3) 把接收到的数据拷贝到用户地址空间。 发送方接收到回答信号后释放系统缓冲区 1、互连网络的主要性能参数： (1)频带宽度(Bandwidth)：传输信息的最大速率 (2)传输时间(Transmission time)：等于消息长度除以频宽。 (3)飞行时间(Time of flight)：第一位信息到达接收方所花费的时间。 (4)传输时延(Transport latency)：等于飞行时间与传输时间之和。 (5)发送方开销(Sender overhead)：处理器把消息放到互连网络的时间。 (6)接收方开销(Receiver overhead)：处理器把消息从网络取出来的时间。 例7.1：假设一个网络的