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片上網(wǎng)絡(luò)交換機制的研究

發(fā)布時間:2008/8/18 0:00:00 訪問次數(shù):475

1.引言

  集成電路技術(shù)在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展,在單一芯片上可集成的晶體管數(shù)目遵循著摩爾定律不斷增加,片上通信機制也經(jīng)歷了從點對點到總線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。但是在實際的操作中,總線結(jié)構(gòu)也暴露出了相當(dāng)多的技術(shù)問題,比如,可擴展性差、定時困難、可重用性不佳等,并且也不具備并行通信能力。隨著片上器件數(shù)目的進一步增加,為了使各部件之間更好的通信,總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能勝任,芯片設(shè)計者需要尋求一種新的結(jié)構(gòu)來解決片上器件互連的問題。于是,人們紛紛將目光聚焦于運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決芯片中器件互連的問題上,從而使片上網(wǎng)絡(luò)成為了學(xué)術(shù)界新的研究熱點。

  對開銷和能耗上的嚴(yán)格限制是片上網(wǎng)絡(luò)與并行計算機、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及計算機網(wǎng)絡(luò)的最大不同?偟恼f來,片上網(wǎng)絡(luò)具有芯片面積受限、低時延、高吞吐和低能耗等技術(shù)要求。交換機制是影響這些參數(shù)的一個重要因素,籠統(tǒng)的說,它定義了消息在片上網(wǎng)絡(luò)中傳遞的方式,并規(guī)定了沿輸出端口將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去的時機,其中也包含了對所傳輸消息格式的規(guī)定。路由算法的制定和路由器結(jié)構(gòu)的設(shè)計,以及死鎖、活鎖、餓死等問題都在很大程度上依賴于所選用的交換機制。所以,對片上網(wǎng)絡(luò)交換機制的分析和研究相當(dāng)重要。

  資源通過網(wǎng)絡(luò)接口(rni)連接到本地路由器上,再由路由器連入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分界線在網(wǎng)絡(luò)接口與本地路由器之間,網(wǎng)絡(luò)部分采用統(tǒng)一的時鐘,而資源可以根據(jù)功能的不同而采用任意的時鐘,網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)兩種時鐘的協(xié)調(diào)工作。資源一般通過網(wǎng)絡(luò)接口以分組的形式將消息注入給網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳遞形式則由所選用的交換機制而定。

  片上網(wǎng)絡(luò)中運用的交換機制主要可以分為兩類:面向連接的和無連接的。面向連接的交換機制主要有電路交換,無連接的機制主要有分組交換、虛切通和蟲孔交換。本文將分別對這幾種交換機制的工作原理進行描述,并對各種交換機制在片上網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)缺點進行分析與比較。

2.現(xiàn)有片上網(wǎng)絡(luò)交換機制

2.1 電路交換

  電路交換最早產(chǎn)生于公共交換電話網(wǎng)(pstn),是一種面向連接的交換機制。在開始通信之前,一般要通過一個信息頭按照一定的路由規(guī)則選路,然后建立路徑,同時預(yù)定所經(jīng)過路徑的信道資源。收端在成功收到這個信息頭后將沿原路返回一個應(yīng)答,發(fā)端收到這個應(yīng)答后便開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)部分在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時將獨占此路徑中各段鏈路的整個帶寬,并且不需要再做路由選擇。當(dāng)通信結(jié)束后,發(fā)端向收端發(fā)出終止通信的要求,并沿路拆鏈,釋放對各段鏈路的使用權(quán)。這就是電路交換的主要工作過程,如圖2所示,白色區(qū)域代表數(shù)據(jù)。

  采用面向連接的方式可以保證片上網(wǎng)絡(luò)一些特定業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。在多媒體業(yè)務(wù)中,消息一般數(shù)量較少,但消息較長,所以采用電路交換方式較有優(yōu)勢。因為當(dāng)消息較長時,數(shù)據(jù)部分的傳輸時間遠大于路徑建立的時間,并且由于獨占整個物理帶寬,因此可以保證高吞吐和低時延。目前已經(jīng)提出的片上網(wǎng)絡(luò)模型,如aethereal,nostrum和mango等都用到了這種面向連接的思想來提供有保障的服務(wù)。采用電路交換的另一個好處是不需要在路由節(jié)點中添加緩存資源,這可以在很大程度上減小面積。傳統(tǒng)電路交換的一個缺點是一條鏈路只能被一個預(yù)留通道的應(yīng)用所使用,而采用時分復(fù)用的虛電路方式可以很好的解決這個問題。這種面向連接的交換機制采用異步通信,很好的解決了片上同步問題。然而對于盡力而為的業(yè)務(wù)而言,這種面向連接的電路交換并不適用,因為盡力業(yè)務(wù)中的消息較短,且通信較頻繁,建立路徑的時間開銷將不可容忍,同時也會消耗過多的能量。

2.2 分組交換

  分組交換是先將數(shù)據(jù)完全存儲,然后進行路由決策,最后再轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點的一種交換機制。它是在片上網(wǎng)絡(luò)中最早使用的一種交換機制,片上網(wǎng)絡(luò)中的分組交換主要以分組為流控單位,每個分組的大小可以不等,并且每個分組有一個分組頭,存有源節(jié)點地址,目的節(jié)點地址以及其它一些控制信息。路由節(jié)點接收到一個分組后,先將整個分組存儲在緩存器中,從分組頭中獲取所需的路由信息,由路由器的路由決策單元選擇一條輸出通道后,置位交叉矩陣中的內(nèi)部連接,如果下一路由節(jié)點中有足夠的空間存放此分組,就將此分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一路由節(jié)點。

  分組交換的時延與跳數(shù)成正比,因此它無法很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展。并且在每個路由節(jié)點中要提供至少一個分組大小的緩存資源,因此會使芯片面積增加。而且每存儲轉(zhuǎn)發(fā)一個分組,路由節(jié)點中的所有緩存器都要參與工作并消耗能量。同時,如果兩節(jié)點間傳輸?shù)氖嵌嗝襟w業(yè)務(wù),則一般希望分組之間的順序不發(fā)生變化,且要求較低的抖動范圍,而由于每個分組獨立路由,不同分組在網(wǎng)絡(luò)中可能經(jīng)歷不同的路徑,因此無法保證收端接收順序與發(fā)送順序相同,也就是所謂的亂序現(xiàn)象,又由于各分組到達時間無法預(yù)測,因此又會產(chǎn)生抖動。所以分組交換不能提供有保證的服務(wù),而只能提供盡

1.引言

  集成電路技術(shù)在過去的幾十年中得到了飛速的發(fā)展,在單一芯片上可集成的晶體管數(shù)目遵循著摩爾定律不斷增加,片上通信機制也經(jīng)歷了從點對點到總線結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。但是在實際的操作中,總線結(jié)構(gòu)也暴露出了相當(dāng)多的技術(shù)問題,比如,可擴展性差、定時困難、可重用性不佳等,并且也不具備并行通信能力。隨著片上器件數(shù)目的進一步增加,為了使各部件之間更好的通信,總線結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能勝任,芯片設(shè)計者需要尋求一種新的結(jié)構(gòu)來解決片上器件互連的問題。于是,人們紛紛將目光聚焦于運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決芯片中器件互連的問題上,從而使片上網(wǎng)絡(luò)成為了學(xué)術(shù)界新的研究熱點。

  對開銷和能耗上的嚴(yán)格限制是片上網(wǎng)絡(luò)與并行計算機、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及計算機網(wǎng)絡(luò)的最大不同。總的說來,片上網(wǎng)絡(luò)具有芯片面積受限、低時延、高吞吐和低能耗等技術(shù)要求。交換機制是影響這些參數(shù)的一個重要因素,籠統(tǒng)的說,它定義了消息在片上網(wǎng)絡(luò)中傳遞的方式,并規(guī)定了沿輸出端口將消息轉(zhuǎn)發(fā)出去的時機,其中也包含了對所傳輸消息格式的規(guī)定。路由算法的制定和路由器結(jié)構(gòu)的設(shè)計,以及死鎖、活鎖、餓死等問題都在很大程度上依賴于所選用的交換機制。所以,對片上網(wǎng)絡(luò)交換機制的分析和研究相當(dāng)重要。

  資源通過網(wǎng)絡(luò)接口(rni)連接到本地路由器上,再由路由器連入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分界線在網(wǎng)絡(luò)接口與本地路由器之間,網(wǎng)絡(luò)部分采用統(tǒng)一的時鐘,而資源可以根據(jù)功能的不同而采用任意的時鐘,網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)兩種時鐘的協(xié)調(diào)工作。資源一般通過網(wǎng)絡(luò)接口以分組的形式將消息注入給網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳遞形式則由所選用的交換機制而定。

  片上網(wǎng)絡(luò)中運用的交換機制主要可以分為兩類:面向連接的和無連接的。面向連接的交換機制主要有電路交換,無連接的機制主要有分組交換、虛切通和蟲孔交換。本文將分別對這幾種交換機制的工作原理進行描述,并對各種交換機制在片上網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)缺點進行分析與比較。

2.現(xiàn)有片上網(wǎng)絡(luò)交換機制

2.1 電路交換

  電路交換最早產(chǎn)生于公共交換電話網(wǎng)(pstn),是一種面向連接的交換機制。在開始通信之前,一般要通過一個信息頭按照一定的路由規(guī)則選路,然后建立路徑,同時預(yù)定所經(jīng)過路徑的信道資源。收端在成功收到這個信息頭后將沿原路返回一個應(yīng)答,發(fā)端收到這個應(yīng)答后便開始傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)部分在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時將獨占此路徑中各段鏈路的整個帶寬,并且不需要再做路由選擇。當(dāng)通信結(jié)束后,發(fā)端向收端發(fā)出終止通信的要求,并沿路拆鏈,釋放對各段鏈路的使用權(quán)。這就是電路交換的主要工作過程,如圖2所示,白色區(qū)域代表數(shù)據(jù)。

  采用面向連接的方式可以保證片上網(wǎng)絡(luò)一些特定業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。在多媒體業(yè)務(wù)中,消息一般數(shù)量較少,但消息較長,所以采用電路交換方式較有優(yōu)勢。因為當(dāng)消息較長時,數(shù)據(jù)部分的傳輸時間遠大于路徑建立的時間,并且由于獨占整個物理帶寬,因此可以保證高吞吐和低時延。目前已經(jīng)提出的片上網(wǎng)絡(luò)模型,如aethereal,nostrum和mango等都用到了這種面向連接的思想來提供有保障的服務(wù)。采用電路交換的另一個好處是不需要在路由節(jié)點中添加緩存資源,這可以在很大程度上減小面積。傳統(tǒng)電路交換的一個缺點是一條鏈路只能被一個預(yù)留通道的應(yīng)用所使用,而采用時分復(fù)用的虛電路方式可以很好的解決這個問題。這種面向連接的交換機制采用異步通信,很好的解決了片上同步問題。然而對于盡力而為的業(yè)務(wù)而言,這種面向連接的電路交換并不適用,因為盡力業(yè)務(wù)中的消息較短,且通信較頻繁,建立路徑的時間開銷將不可容忍,同時也會消耗過多的能量。

2.2 分組交換

  分組交換是先將數(shù)據(jù)完全存儲,然后進行路由決策,最后再轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點的一種交換機制。它是在片上網(wǎng)絡(luò)中最早使用的一種交換機制,片上網(wǎng)絡(luò)中的分組交換主要以分組為流控單位,每個分組的大小可以不等,并且每個分組有一個分組頭,存有源節(jié)點地址,目的節(jié)點地址以及其它一些控制信息。路由節(jié)點接收到一個分組后,先將整個分組存儲在緩存器中,從分組頭中獲取所需的路由信息,由路由器的路由決策單元選擇一條輸出通道后,置位交叉矩陣中的內(nèi)部連接,如果下一路由節(jié)點中有足夠的空間存放此分組,就將此分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一路由節(jié)點。

  分組交換的時延與跳數(shù)成正比,因此它無法很好的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展。并且在每個路由節(jié)點中要提供至少一個分組大小的緩存資源,因此會使芯片面積增加。而且每存儲轉(zhuǎn)發(fā)一個分組,路由節(jié)點中的所有緩存器都要參與工作并消耗能量。同時,如果兩節(jié)點間傳輸?shù)氖嵌嗝襟w業(yè)務(wù),則一般希望分組之間的順序不發(fā)生變化,且要求較低的抖動范圍,而由于每個分組獨立路由,不同分組在網(wǎng)絡(luò)中可能經(jīng)歷不同的路徑,因此無法保證收端接收順序與發(fā)送順序相同,也就是所謂的亂序現(xiàn)象,又由于各分組到達時間無法預(yù)測,因此又會產(chǎn)生抖動。所以分組交換不能提供有保證的服務(wù),而只能提供盡

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