試析高性能計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)路由器的設(shè)計(jì)

楊利

摘 要：對(duì)于并行多處理機(jī)系統(tǒng)而言，高速系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是其重要的組成部分之一。對(duì)于系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來而言，路由器又是其核心設(shè)備。這種設(shè)備會(huì)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的寬帶及相應(yīng)的延遲造成影響，因此，路由器對(duì)并行多處理機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)處理能力及效率有極其重要的意義，且對(duì)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性有較大的影響。所以，對(duì)于高性能計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)路由器的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了比較熱門的研究方向。

關(guān)鍵詞：高性能計(jì)算機(jī)；互聯(lián)網(wǎng)路由器；邏輯結(jié)構(gòu)；NRC端口

中圖分類號(hào)：TP393.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.092

對(duì)于能象征國家經(jīng)濟(jì)、科技、文化等綜合能力的高性能計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了國家開發(fā)戰(zhàn)略中的制高點(diǎn)，高性能計(jì)算機(jī)對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非比尋常的意義。在20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期，其處理器更新頻繁，但工業(yè)控制、科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苡?jì)算機(jī)的要求越來越高。工業(yè)控制主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助制造和計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，而科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域主要指洋流分析、氣候演變模擬在內(nèi)的物理現(xiàn)象建模分析等。

1 路由器的基本結(jié)構(gòu)和功能

1.1 相關(guān)的邏輯結(jié)構(gòu)及功能

在本設(shè)計(jì)中，進(jìn)行的是6端口互聯(lián)芯片的設(shè)計(jì)。由于在NRC中的端口數(shù)量不僅具有良好的功能和結(jié)構(gòu)，還具有其他很多優(yōu)點(diǎn)。一般而言，NRC端口在功能、結(jié)構(gòu)上均具有比較高的模塊性。NRC端口的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以下具體介紹NRC端口結(jié)構(gòu)中的模塊：①SSD模塊的數(shù)據(jù)主要是從NRC芯片中傳輸過來的，且還要通過這個(gè)端口發(fā)送數(shù)據(jù)。②SSR模塊。該模塊的數(shù)據(jù)主要來自于數(shù)據(jù)鏈路，且能將數(shù)據(jù)上傳，通過LLP模塊進(jìn)行解釋處理。③LLP。該模塊主要是對(duì)上述2個(gè)模塊及相關(guān)的芯片物理鏈路提供數(shù)據(jù)服務(wù)的，可實(shí)現(xiàn)芯片之間進(jìn)行無錯(cuò)傳輸。為了達(dá)到這一目的，LLP模塊還具有對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行檢查的功能以及對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行糾正的功能。④Router Sender發(fā)送模塊。該模塊的主要數(shù)據(jù)在NRC核中接收，可對(duì)相關(guān)的虛擬通道進(jìn)行管理，還可以根據(jù)指令將相關(guān)的數(shù)據(jù)向外發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)至相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和路由器模塊。⑤Rtag Handler路由場處理模塊。在設(shè)計(jì)中，該模塊采用源路由機(jī)制，可將接收到的信息中的路由場信息交由路由場信息處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而完成對(duì)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中路由消息的管控。

1.2 微包通訊

所謂“微包”，是指互聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)傳送的最基本的邏輯單位，在重傳控制、信約管理等方面都是以微包作為最基本的單位進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送的。相比傳統(tǒng)的用報(bào)文作為最小單位的設(shè)計(jì)形式看，這種設(shè)計(jì)方法可有效提高互聯(lián)網(wǎng)的整體性能。

2 可靠度較高的傳輸協(xié)議

在對(duì)路由芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最常見的是通過鏈路的管理及自恢復(fù)功能來實(shí)現(xiàn)鏈路的即插即用，并通過在滑動(dòng)窗口協(xié)議之上建立的重傳機(jī)制來實(shí)現(xiàn)鏈路的信息糾錯(cuò)功能。

2.1 關(guān)于鏈路的管理和自恢復(fù)功能

在設(shè)計(jì)相關(guān)的路由器時(shí)，應(yīng)注意實(shí)現(xiàn)鏈路的自恢復(fù)功能。這一點(diǎn)對(duì)于并行處理系統(tǒng)而言是其發(fā)揮功能的重要保證。此外，在處理器的工作過程中如果出現(xiàn)工作異常，則應(yīng)考慮將損失降至最小。可能發(fā)生的異常狀況包括子系統(tǒng)出錯(cuò)、異常斷電等。一般情況下，系統(tǒng)在工作過程中發(fā)生異常時(shí)必須停機(jī)，只有在異常消失或故障排除后才能繼續(xù)運(yùn)行，但各種任務(wù)會(huì)從頭開始。由此可見，發(fā)生異常狀況無疑會(huì)極大地減弱系統(tǒng)功能。如果可以實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的鏈路自恢復(fù)，則能提高系統(tǒng)的處理性能。

2.2 在滑動(dòng)窗口協(xié)議基礎(chǔ)上的重傳技術(shù)

數(shù)據(jù)鏈路最理想的工作狀態(tài)為接收方一側(cè)的數(shù)據(jù)接收速度不低于發(fā)送方一側(cè)的發(fā)送速度。在這種情況下，在數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生傳輸差錯(cuò)，易滿足鏈路協(xié)議的設(shè)計(jì)要求，可保證在發(fā)送方一側(cè)不間斷傳送數(shù)據(jù)的同時(shí)，確保接收一側(cè)能順利地將數(shù)據(jù)傳送至上層。但在實(shí)際中，各種干擾是會(huì)始終存在的。這種重傳技術(shù)的設(shè)計(jì)思路是在發(fā)送方所發(fā)送的數(shù)據(jù)上附加一定的冗余檢錯(cuò)碼，這樣在接收方一側(cè)可根據(jù)相關(guān)的冗余檢錯(cuò)碼進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測。如果發(fā)生錯(cuò)誤，則應(yīng)對(duì)請(qǐng)求重發(fā)的應(yīng)答反應(yīng)。如果在發(fā)送方一側(cè)接收到相關(guān)的重發(fā)請(qǐng)求，則應(yīng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重新傳送。這種方法一般被稱為在自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求法。

3 高性能路由器的設(shè)計(jì)

以下主要對(duì)進(jìn)一步的提高路由器的性能的方法進(jìn)行分析，比如采用高效的自適應(yīng)算法能高效利用網(wǎng)絡(luò)鏈路資源和縮短網(wǎng)絡(luò)時(shí)間延遲等，增加通信并行度時(shí)可采用高效的組播通訊算法等。

3.1 流程的控制研究

如果網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)數(shù)據(jù)流可以共享網(wǎng)路資源，且不發(fā)生丟失現(xiàn)象，則需要流程控制策略等的幫助。其中，可能涉及的一些問題主要為數(shù)據(jù)接收方對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度低于發(fā)送方的信息發(fā)送速度，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。但是具體的傳送速度也不能過慢。如果傳送速度過慢，則造成數(shù)據(jù)傳輸通道的浪費(fèi)。對(duì)于以上的這些情況，應(yīng)采取的措施為在數(shù)據(jù)傳送的過程中接收方可以向傳送方發(fā)送信號(hào)，要求傳送方暫停數(shù)據(jù)的傳送，這就是流量控制策略。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的流量控制策略主要包括以下的幾種。

3.2 對(duì)于自適應(yīng)路由算法的研究

路由算法的建立就是對(duì)每篇報(bào)文以及消息將要執(zhí)行的路徑，互聯(lián)網(wǎng)中的路由算法很大程度上決定了互聯(lián)網(wǎng)的一些特性，具體如表1所示。

路由算法可分為自適應(yīng)路由和確定性路由兩種，確定性路由就是指具有同一對(duì)源以及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)都是按照同一個(gè)數(shù)據(jù)路線進(jìn)行傳遞的。這樣可避免死鎖情況的發(fā)生，且易于操作。

近年來，關(guān)于自適用路由的研究文章越來越多，自適應(yīng)路由主要是用來解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中的容錯(cuò)和阻塞問題。這種傳輸?shù)幕舅悸肪褪歉鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，從而提高?shù)據(jù)傳輸?shù)男始肮ぷ鬟m應(yīng)性。

4 結(jié)束語

路由器的相關(guān)研究設(shè)計(jì)對(duì)高速互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展有十分重要的意義。本文的主要研究對(duì)象為高性能路由器的設(shè)計(jì)，通過對(duì)鏈路自恢復(fù)功能和重傳協(xié)議的探究，提出了相關(guān)的高性能路由器的設(shè)計(jì)方案。為了在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高路由器的性能，還對(duì)路由器的其他性質(zhì)進(jìn)行了探究，包括自適應(yīng)路由算法和流量控制策略。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕