CN105138493B - 适用并行运算的无交换器网络建构***及方法 - Google Patents

适用并行运算的无交换器网络建构***及方法 Download PDF

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Abstract

一种适用并行运算的无交换器网络建构***及方法，该***包括：多个节点，根据该路由表于该等节点中的两两节点间进行通信传输；其中，路由表的建立包括下列步骤：计算该等节点中的两两节点间的传输路径的最短路径，其中最短路径无中继节点或有至少一个中继节点于两两节点之间；移除最短路径中的起始节点及第一中继节点间的传输路径，找出起始节点及目的节点间的另一最短路径，而另一最短路径重复此步骤找出起始节点及目的节点间的其它的最短路径；以及依据该等节点中任一起始节点及任一目的节点间的所有最短路径建立路由表。

Description

适用并行运算的无交换器网络建构***及方法
技术领域
本发明涉及一种计算机网络的技术领域，特别涉及一种适用并行运算的无交换器网络建构***及方法。
背景技术
高性能计算机或计算机***的需求需要提供硬件和软件的最佳化使用，并利用包含一个或多个微处理器和存储器的处理节点来实现。这些计算机***有时被称作共享多处理器***，在一个共享的多处理器计算机***中，视处理器为网络节点以相互连接，使它们可以彼此进行通信，以共享操作***、资源、数据、存储器等。
并行运算计算机***的随着计算机节点数增加，节点间网络通信会大幅度增加，为了使两两节点之间的通信速度增快，会使用交换器来作为各节点间通信之用。然而，节点的数量愈大，所使用的交换器的数量就愈多，而使用例如胖树(Fat Tree)结构的交换器的层数亦会增加，因而造成整个网络***的结构相当复杂，且网络***的成本亦会增加。
发明内容
有鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种适用并行运算的无交换器网络建构***及方法，其建构的网络***经算法计算而获得两两节点之间的最短路径，而达到两两节点之间的通信速度更为快速，而可以不使用交换器或部分不使用交换器来进行两两节点之间的通信，因此整个网络***的结构变得简单，且网络***的成本亦不会增加。
本发明的第一方面提供一种适用并行运算的无交换器网络建构***，其包括：
多个节点，每一节点是一单核芯片、一处理器、一计算机、一组计算机的内部最佳化组及一计算机中心的其中一个，每一节点内建有一路由表，根据该路由表于该等节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输；
其中，该路由表的建立包括下列步骤：
计算该等节点中一起始节点及一目的节点间的传输路径的一最短路径，其中该最短路径是无中继节点或有至少一个中继节点于该起始节点及该目的节点之间；
移除该最短路径中的该起始节点及第一中继节点间的传输路径，找出该起始节点及该目的节点间的传输路径的另一最短路径，而该另一最短路径重复此步骤找出该起始节点及该目的节点间的其它的最短路径；以及
依据该等节点中任一该起始节点及任一该目的节点间的所有最短路径建立该路由表。
本发明的第二方面是提供一种适用并行运算的无交换器网络建构方法，其应用于一无交换器网络建构***，该无交换器网络建构***包括多个节点，每一节点是一单核芯片、一处理器、一计算机、一组计算机之内部最佳化组及一计算机中心的其中一个，该方法包括下列步骤：
将一路由表存放在该等节点的每一节点中；以及
由该无交换器网络建构***根据该路由表于该等节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输；
其中，建立该路由表包括下列步骤：
计算该等节点中一起始节点及一目的节点间的传输路径的一最短路径，其中该最短路径无中继节点或有至少一个中继节点于该起始节点及该目的节点之间；
移除该最短路径中的该起始节点及第一中继节点间的传输路径，找出该起始节点及该目的节点间的另一最短路径，而该另一最短路径重复此步骤找出该起始节点及该目的节点间的其它的最短路径；以及
依据该等节点中任一该起始节点及任一该目的节点间的所有最短路径建立该路由表。
附图说明
图1为本发明的适用并行运算的无交换器网络建构***的节点架构示意图；
图2为本发明的适用并行运算的无交换器网络建构方法的流程图；以及
图3为本发明的建立路由表的方法的流程图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能更进一步了解本发明，下文特列举本发明的优选实施例，并配合附图，详细说明本发明的构成内容及所欲达成的功效。
图1为本发明的适用并行运算的无交换器网络建构***的节点架构示意图。在图1中，无交换器网络建构***包括多个节点(节点编号1、2、…、16)，每一节点为一单核芯片(single core on chip)、一处理器、一计算机、一组计算机的内部最佳化组(a group ofinternally optimized group of computers)或一计算机中心(a computationalcenter)，每一节点内建有一路由表(routing table)。无交换器网络建构***根据路由表的传输路径的数据在该等节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输。
本发明的实施例以16个节点为例说明无交换器网络建构***的通信操作，但该节点数量并非局限本发明，本发明的无交换器网络建构***的节点数量可高达数千个或甚至超过万个节点数量。
路由表的通信路径的起始节点及目的节点间的最短路径的计算利用一穷举法、一迪科斯彻算法(Dijkstra’s algorithm)或一法弗洛伊德(Floyd-Warshall)算法算法等算法以建立该路由表的路径数据。
首先由上述的算法计算网络建构***的任意两节点A至B(起始节点至目的节点)间的最短路径，在找到节点A至B间的最短路径之后，将节点A与连接节点A的节点(即第一中继节点)间的连接路径予以切断，再以少掉此连接路径的拓扑寻找节点A至B间的另一最短路径，重复前述的步骤，将另一最短路径的节点A与连接节点A的另一第一中继节点间的连接路径予以切断，再以少掉此连接路径的拓扑寻找节点A至B间的所有其它的最短路径。
再者，若节点A至B间的最短路径的节点A与第一中继节点间的所有连接路径都已经被考虑过，便开始考虑删掉节点A至B间的最短路径的第二层路径(第一中继节点及连接第一中继节点的第二中继节点间的连接路径)、第三层路径(第二中继节点及连接第二中继节点的第三中继节点间的连接路径)、…，并以上述寻找最短路径方式以找出节点A至B间分别对应于第二层路径、第三层路径、…的最短路径。如此循环，便可以找到节点A至B间的n个最短路径，n可以是使用者自己订定的正整数。
当拓扑大、节点数多的时候，计算最短路径会是一个计算负担很重的问 题。但当网络节点的连接数量很平均、结构最佳化之后，可以考虑不要以节点的起点与终点为条件来设定通信路径的路由，而可简化地考虑目前节点与次一节点间连接路径来作为通信路径的路由。
图1的节点架构是经Dijkstra's算法计算获得下述一组两两节点间的最短路径：
14-15，14-15-2，14-4，14-4-1，14-15-7，14-11-16，14-11-9，14-5-8，14-5，14-15-12，14-11，14-11-10，14-5-6，14-4-13，14-4-3，15-14，15-2，15-14-4，15-2-1，15-7，15-2-16，15-12-9，15-7-8，15-14-5，15-12，15-14-11，15-12-10，15-7-6，15-12-13，15-2-3，2-15-14，2-15，2-1-4，2-1，2-15-7，2-16，2-1-9，2-3-8，2-15-14-5，2-15-12，2-16-11，2-3-10，2-1-6，2-16-13，2-3，4-14，4-14-15，4-1-2，4-1，4-14-15-7，4-13-16，4-1-9，4-3-8，4-14-5，4-13-12，4-14-11，4-3-10，4-1-6，4-13，4-3，1-4-14，1-2-15，1-2，1-4，1-6-7，1-2-16，1-9，1-9-8，1-6-5，1-9-12，1-9-11，1-6-10，1-6，1-4-13，1-2-3，7-15-14，7-15，7-15-2，7-15-14-4，7-6-1，7-16，7-8-9，7-8，7-8-5，7-15-12，7-16-11，7-6-10，7-6，7-16-13，7-8-3，16-11-14，16-2-15，16-2，16-13-4，16-2-1，16-7，16-11-9，16-7-8，16-13-5，16-13-12，16-11，16-11-10，16-7-6，16-13，16-2-3，9-11-14，9-12-15，9-1-2，9-1-4，9-1，9-8-7，9-11-16，9-8，9-8-5，9-12，9-11，9-12-10，9-1-6，9-12-13，9-8-3，8-5-14，8-7-15，8-3-2，8-3-4，8-9-1，8-7，8-7-16，8-9，8-5，8-9-12，8-9-11，8-3-10，8-7-6，8-5-13，8-3，5-14，5-14-15，5-14-15-2，5-14-4，5-6-1，5-8-7，5-13-16，5-8-9，5-8，5-13-12，5-14-11，5-6-10，5-6，5-13，5-8-3，12-15-14，12-15，12-15-2，12-13-4，12-9-1，12-15-7，12-13-16，12-9，12-9-8，12-13-5，12-9-11，12-10，12-10-6，12-13，12-10-3，11-14，11-14-15，11-16-2，11-14-4，11-9-1，11-16-7，11-16，11-9，11-9-8，11-14-5，11-9-12，11-10，11-10-6，11-16-13，11-10-3，10-11-14，10-12-15，10-3-2，10-3-4，10-6-1，10-6-7，10-11-16，10-12-9，10-3-8，10-6-5，10-12，10-11，10-6，10-12-13，10-3，6-5-14，6-7-15，6-1-2，6-1-4，6-1，6-7，6-7-16，6-1-9，6-7-8，6-5，6-10-12，6-10-11，6-10，6-5-13，6-10-3，13-4-14，13-12-15，13-16-2，13-4，13-4-1，13-16-7，13-16，13-12-9，13-5-8，13-5，13-12，13-16-11，13-12-10，13-5-6，13-4-3，3-4-14，3-2-15，3-2，3-4，3-2-1，3-8-7，3-2-16，3-8-9，3-8，3-8-5，3-10-12，3-10-11，3-10，3-10-6，3-4-13
平均路径长度：1.75
此最短路径的每一列代表一组以Dijkstra's算法计算找到的路径，在逗号之间的一列数字列中的第一个数字为起始节点编号，最后一个数字为目的节点编号，中间有零个以上的中间数字代表中继节点编号。
图1的网络拓扑结构可以快速地被计算出两两节点间的距离矩阵，如表1所示，其中表1的第一列及第一行中的数字表示节点编号，其余行列中的数字表示两两节点间的路径距离。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 0 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2
2 1 0 1 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1
3 2 1 0 1 2 2 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2
4 1 2 1 0 2 2 3 2 2 2 2 2 1 1 2 2
5 2 3 2 2 0 1 2 1 2 2 2 2 1 1 2 2
6 1 2 2 2 1 0 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2
7 2 2 2 3 2 1 0 1 2 2 2 2 2 2 1 1
8 2 2 1 2 1 2 1 0 1 2 2 2 2 2 2 2
9 1 2 2 2 2 2 2 1 0 2 1 1 2 2 2 2
10 2 2 1 2 2 1 2 2 2 0 1 1 2 2 2 2
11 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 0 2 2 1 2 1
12 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 0 1 2 1 2
13 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 1 0 2 2 1
14 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 0 1 2
15 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 0 2
16 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 1 2 1 2 2 0
表1
以图1为例，起始节点4与目的节点7间的最短路径的距离为3，该最短路径的连接路径的节点编号为4-14-15-7。移除起始节点4与第一中继节点14间的连接路径之后，找出节点编号为4-3-8-7的连接路径亦为最短路径，而其距离为3。再移除起始节点4与第一中继节点3间的连接路径之后，找出节点编号为4-13-16-7的连接路径亦为最短路径，而其距离亦为3。再移除起始节点4与第一中继节点13间的连接路径之后，又找出节点编号为4-1-6-7的连接路径亦为最短路径。
在上面的说明可知，该等第一中继节点14、3、13、1都是直接连接起始节点4的节点，也可以称之为第一层的节点，图1很明显地表示在此拓扑中该四个直接连接起始节点4的网络节点都可以提供到达目节点7的最短路径。
在这个例子中，表示由起始节点4到目的节点7间的连接路径非但不只一条，而连接起始节点4的四个第一中继节点14、3、13、1皆可以当第一个传送点。于是，起始节点4把第一中继节点14、3、13、1同时当成传向目的节点7的最短路径的下一站(next hop)，并将该等第一中继节点14、3、13、1存放在起始节点本身的路由表中。
但是接下来的第一层节点来说，由该等第一中继节点14、3、13、1到达目的节点7间的第一层最短路径都只有一条，亦即连接路径的节点编号分别是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7为第一层最短路径，故没有必要再继续删除第二层的路径来找出其它层的最短路径。
但在更复杂的网络中，有可能在第一层节点之后也可以找到多个最短路径，甚至在第二层、第三层以及于许许多多更远的层都可以找到，并将最短路径的下一站的节点编号存放在相应节点本身的路由表中。
假使节点A到B间的最短路径的距离为4，或许可以在网络中找到多个距离为4的n个最短路径。此程序可以无限循环找下去，也可以针对***硬件资源的限制(例如路由器存储器大小限制)设定n为一个数目上限，以避免影响网络在通信的过程中的效率。
图2为本发明的适用并行运算的无交换器网络建构方法的流程图。在说明图2的流程步骤时参考图1的组件与表1及2。
在图2中，首先将根据图1的节点数量利用穷举法、迪科斯彻算法或法弗洛伊德算法等算法计算出一组两两节点的最短路径。将至少一个最短路径的本身节点编号与下一站节点编号建立成一路由表，并存放相应的本身节点中(步骤S20)。
建立路由表的数据如图3为本发明的建立路由表的方法的流程图所示。在图3中，以图1的节点架构利用Dijkstra's算法计算获得一组两两节点间的最短路径(步骤S30)。
以图1的其中一个最短路径为例，该最短路径利用Dijkstra's算法计算获得的节点编号为4-14-15-7的连接路径。
接着，移除起始节点4与第一中继节点14间的连接路径之后，找出节点编号为4-3-8-7的连接路径亦为最短路径，而其距离为3。再移除起始节点4与第一中继节点3间的连接路径之后，找出节点编号为4-13-16-7的连接路径亦为最短路径，而其距离亦为3。再移除起始节点4与第一中继节点13间的连接路径之后，又找到节点编号为4-1-6-7的连接路径亦为最短路径(步骤S32)。
接下来，以该等第一中继节点14、3、13、1为第一层节点来说，找出第一中继节点14到达目的节点7间的除了节点编号为14-15-7的连接路径之外的第一层最短路径，亦即移除第一中继节点14与第二中继节点15间的连接路径之后，找出路径距离相同的第一层最短路径，而连接路径的节点编号分别是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7亦以相同方式找出第一层最短路径(步骤S34)。
然而，该等第一中继节点14、3、13、1到达目的节点7间的第一层最短路径都只有一条，而无法找出第二条第一层最短路径，亦即连接路径的节点编号分别是3-8-7、14-15-7、13-16-7以及1-6-7为第一层最短路径，故没有必要再继续删除第二层的路径来找出其它层最短路径。
由上述说明，依据图1的网络节点中任一起始节点及任一目的节点间的所有最短路径来建立路由表(步骤S36)，而将所建立的路由表存放图1的网络节点的每一节点中。
为了节省路由表存储器的容量大小，每一节点的路由表的数据可以是记录最短路径的本身节点编号与下一站节点编号，如上述例子，节点4的路由表的部分数据为本身节点编号4与该等第一中继节点的编号14、3、13、1。
再次参考图2，在路由表存放于无交换器网络建构***的每一节点中后，由无交换器网络建构***根据路由表的传输路径的数据于图1的该等节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输(步骤S22)。
本发明提供一种适用并行运算的无交换器网络建构***及方法，其优点在于建构的网络***经算法计算而获得两两节点之间的最短路径，并找出为相同路径距离的其它最短路径，将所有的最短路径的数据建立成为路由表以存放在每一节点中，无交换器网络建构***根据路由表的传输路径数据以达到两两节点之间的通信速度更为快速，而无需使用交换器来进行两两节点之间的通信，因此整个网络***的结构变得简单，且网络***的成本亦不会增 加。
虽然本发明已参照优选实施例及举例性附图叙述如上，然而其应不被视为限制性者。本领域技术人员对其形态及实施例的内容做各种修改、省略及变化，均不离开本发明的权利要求书的所主张范围。

Claims (6)

1.一种适用并行运算的无交换器网络建构***，其包括：
多个节点，每一节点是单核芯片、处理器、计算机、一组计算机的内部最佳化组及计算机中心的其中一个，每一节点内建有路由表，根据该路由表于所述节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输；
其中，该路由表的建立包括下列步骤：
计算所述节点中起始节点及目的节点间的传输路径的最短路径，其中该最短路径无中继节点或有至少一个中继节点于该起始节点及该目的节点之间；
移除该最短路径中的该起始节点及第一中继节点的传输路径，找出该起始节点及该目的节点间的另一最短路径，而该另一最短路径重复移除该另一最短路径中的起始节点与该起始节点的另一第一中继节点之间的传输路径的步骤，找出该起始节点及该目的节点间的其它的最短路径；以及
依据所述节点中任一该起始节点及任一该目的节点的所有最短路径建立该路由表。
2.如权利要求1所述的无交换器网络建构***，其中，该路由表的建立还包括下列步骤：
移除所有最短路径中的两个相邻中继节点间的传输路径，找出相邻之前中继节点及该目的节点间的多层的最短路径，将多层的最短路径建立于该路由表中。
3.如权利要求1所述的无交换器网络建构***，其中，该起始节点及该目的节点间的最短路径的计算是利用穷举法、迪科斯彻算法及法弗洛伊德算法的其中一个。
4.一种适用并行运算的无交换器网络建构方法，其应用于无交换器网络建构***，该无交换器网络建构***包括多个节点，每一节点是单核芯片、处理器、计算机、一组计算机的内部最佳化组及计算机中心的其中一个，该方法包括下列步骤：
将路由表存放在所述节点的每一节点中；以及
由该无交换器网络建构***根据该路由表于所述节点中的任一起始节点及任一目的节点间进行通信传输；
其中，建立该路由表包括下列步骤：
计算所述节点中起始节点及目的节点间的传输路径的最短路径，其中该最短路径是无中继节点或有至少一个中继节点于该起始节点及该目的节点之间；
移除该最短路径中的该起始节点及第一中继节点间的传输路径，找出该起始节点及该目的节点间的另一最短路径，而该另一最短路径重复移除该另一最短路径中的起始节点与该起始节点的另一第一中继节点之间的传输路径的步骤，找出该起始节点及该目的节点间的其它的最短路径；以及
依据所述节点中任一该起始节点及任一该目的节点间的所有最短路径建立该路由表。
5.如权利要求4所述的无交换器网络建构方法，其中，建立该路由表的步骤还包括下列步骤：
移除所有最短路径中的两个相邻中继节点间的传输路径，找出相邻之前中继节点及该目的节点间的多层的最短路径，将多层的最短路径建立于该路由表中。
6.如权利要求4所述的无交换器网络建构方法，其中，利用穷举法、迪科斯彻算法及法弗洛伊德算法的其中一个计算该起始节点及该目的节点间的最短路径。
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