CN107395503A - 一种基于线性规划的片上网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性规划的片上网络路由方法，通过收集网络拥塞信息以及链路使用情况，在低负载时数据包选择相连链路拥塞状况最小的链路进行路由，并且该链路为通向目的节点的链路。在高负载时根据全局网络信息使用线性规划的方式计算路由。该算法是查表的路由算法，在低负载时不需要存储相应数据包的路由信息，这时如果数据包在路由表中没有找到路由信息就选择可行路径拥塞状况最小的链路路由；在高负载时，主控节点通过将线性规划得到的路由信息存储在路径上的各个路由节点中，此时数据包在路由表中发现有路由信息就按此信息进行路由。该算法相比于通用的NoC路由算法在拥塞控制方面能取得更好的性能，提高了网络平均延迟和吞吐率。

Description

一种基于线性规划的片上网络路由方法

技术领域

本发明属于片上***中的片上网络领域，特别涉及一种基于线性规划的片上网络路由方法，用于NoC中减少网络节点间的通信拥塞状况的发生，降低通信延迟以及提高吞吐率。

背景技术

路由算法是影响片上网络(NoC)性能的主要因素之一。随着NoC路由算法研究的不断的深入，现有的通用NoC路由算法在小规模网络上能获得不错的性能，但是研究人员对于更高性能的追求却从来没有停止过，尤其是网络规模以及网络负载越来越大，网络的拥塞问题也会越来越突出。路由算法几乎影响了NoC的所有性能指标，即延时(因为消息从源节点到目的节点经过的跳数直接由经过的实际路径决定)、吞吐量(因为网络拥塞的控制是依靠路由算法均衡负载的能力)、功耗(因为每一跳会产生路由器的能量开销)、服务质量(因为路由算法可以在不同的路径上分配不同的信息流来防止它们之间的相互干扰)和可靠性(因为路由算法可以选择能够避免错误的路径)。

发明内容

本发明目的是：提供一种基于线性规划的片上网络路由方法，解决NoC中路由节点间的通信拥塞问题，针对目前NoC路由算法在解决此类问题上存在的不足，即在低网络负载情况下网络不会发生拥塞，但是会产生热点，而在高负载时网络很容易发生拥塞，并拥塞状况会持续传播，导致网络发生大规模拥塞。

本发明的技术方案是：

一种基于线性规划的片上网络路由方法，包括：

S1)在片上网络中增加一个额外的控制节点，所述控制节点和片上网络中的所有路由节点相连，彼此之间传输状态信息与路由信息，不进行数据包的传输；

S2)在网络低负载低拥塞情况下，路由节点选择拥塞较小的链路进行路由，其中：

S2-1)当前节点与目的节点的X、Y坐标值都不相同时，获取当前节点朝目的节点X方向的相邻节点的拥塞值，再获取当前节点朝目的节点Y方向的相邻节点的拥塞值，然后选择拥塞值较小的相邻节点进行路由；

S2-2)当前节点与目的节点的X坐标值相同，而Y坐标值不同时，选择Y向相邻节点进行路由；

S2-3)当前节点与目的节点的Y坐标值相同，而X坐标值不同时，选择X向相邻节点进行路由；

S3)在网络拥塞到达设定的阈值后，通过网络中的主控制节点收集网络信息，然后根据收集的网络信息采用线性规划模型计算路由。

优选的，步骤S1中，所述控制节点在收集网络信息后，如果有路由节点需要进行数据发送，先发送路由请求给控制节点，由控制节点计算路由路径，并将路由路径信息保存到路径上的所有路由器上。

优选的，步骤S2和S3中，所述片上网络中的路由节点之间的物理通道中设置多个虚拟通道，每个虚拟通道的缓存深度一致，当一条物理通道的所有虚拟通道都被占用了时，表示该条链路已经不允许其他无关数据包使用了。

进一步优选的，当一条物理通道的虚拟通道的被占用的缓存数量超过设定阈值T时，表明该网络路由节点处于高流量负载情况，否则为低流量负载。

进一步优选的，步骤S3中，在通过线性规划计算出路由信息后，将该路由信息保存到路由路径中的所有路由节点中，更新路由表；在没有产生路由信息时则不进行任何操作。

进一步优选的，步骤S3中，在片上网络的数据包传输完成后，跟一个尾flit，在路由节点收到该flit时，就将与该flit对应的数据包路由信息删除掉，从而更新路由表。

本发明的优点是：

本发明提出的基于线性规划的片上网络路由方法，通过在网络中增加主控节点来收集网络信息，然后根据这些信息利用线性规划计算出最短路径，本发明在网络拥塞状况不严重时选择相邻拥塞状况最小的链路，从而不需进行复杂的计算就能选择一条合适的路径。在网络拥塞到达一定程度后，通过主控制节点收集网络信息，然后根据这些信息采用线性规划模型计算路由，以避免拥塞状况的增加，实现全局流量的整体优化与调整，网络流量得到灵活控制。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明实施例的NoC互联架构全局视图；

图2为本发明实施例的NoC互联架构局部视图；

图3为本发明基于线性规划的NoC路由方法的路由器结构。

具体实施方式

本发明采用2D-mesh拓扑结构。在低负载时选择相邻拥塞状况最小的链路，高负载时，需要收集网络节点的信息并使用线性规划方式来进行路由计算。为了收集网络各节点的信息，需要在网络中增加一个额外的控制节点CN(Control Node，CN)。如图1所示，所述控制节点CN和2D-mesh网络中的所有路由节点相连，彼此之间传输状态信息与路由信息，不进行数据包的传输。该控制节点在收集网络信息后，如果有路由节点需要进行数据发送，先发送路由请求给控制节点CN，由控制节点计算路由路径，并将路由路径信息保存到路径上的所有路由器上。

如图2所示,为基于线性规划的NoC路由方法的NoC互联架构局部视图。为了提高网络的性能以及避免死锁，本文采用了虚通道技术，即每个物理通道中有多个虚拟通道，每个虚拟通道的缓存深度一致。当一条物理通道的所有虚拟通道都被占用了时，表示该条链路已经不允许其他无关数据包使用了；当一条物理通道的虚拟通道的被占用的缓存数量Sx,x∈{n,e,s,w}超过某一个阈值T时，表明该网络节点处于高流量负载情况，否则为低流量负载。即节点处于高负载情况时满足max{Sn,Se,Ss,Sw}＞T，Sn、Se、Ss、Sw分别表示网络节点的北向输出通道、东向输出通道、南向输出通道以及西向输出通道的压力值，而高流量负载T为***的设计参数，其值根据具体的设计而定。

如图3所示，为基于线性规划的NoC路由方法的路由器架构：其中，Din0\Dout0到Din4\Dout4为路由器与本地处理核以及路由器与相邻路由器间的数据传输线；Rin0\Rout0到Rin4\Rout4为路由器与本地处理核以及路由器与相邻路由器间的信号请求线；Sin1\Sout1到Sin4\Sout4代表路由器与其相邻路由器间信号线的实时压力值；控制信号线CN为路由节点与主控节点的通信线路，用来将路由节点的状态信息发送给主控节点。该算法是采用路由表进行路由的，因此在路由器架构中增加了一个路由表模块。该模块不断更新网络中经过该节点路径的路由信息，路由表需要主控节点发送命令来建立，并且其中的某条路由信息需要对应数据包的尾flit来清除。

本发明的基于线性规划的NoC路由方法的实现流程：

当数据包需要进行路由时，数据包所在的网络节点就往主控节点发送数据发送请求命令，此时主控节点根据当前网络的流量信息以及拥塞信息来计算该数据包的路由路径，此过程为：

一、路由源节点发送路由请求命令给主控节点。

二、在此请求命令中携带有源节点信息和目的节点信息，以便后续线性规范时计算合适的路径。

三、主控节点在收到路由请求命令后，根据网络的状况做不同的控制，为了量化网络的状况，本文了定义网络的拥塞值为网络拥塞节点个数与网络总节点个数的比值，当网络拥塞值小于某一个阈值T时，网络的状态良好，否则状态不佳。

当网络状态良好时，既没有发生拥塞或者拥塞不严重时，不进行任何路由计算，然后发送路由请求响应命令给路由源节点。在此响应命令中不包含跟新路由表的信息。

如若网络状态不佳时，就根据网络信息采用线性规划方式计算合适的路由路径，此时将路由信息分别跟新到路径上的所有路由节点中去，包括源节点但不包含目的节点。最后发送路由请求响应命令给路由源节点。

四、在路由源节点收到响应命令后，如果是允许路由命令，则数据包为了正确路由，需要查找路由表。路由过程也分为两种情况：

如若在路由表中没有查找到相应的路由信息，则选择拥塞最小的链路。

例如，可选择North输出端口和East输出端口，他们的压力分别为Sn和Se，

如果Sn<Se，则选择North输出端口，反之亦然。

如若在路由表中有相应的路由信息，则按照这个信息进行路由。路由表的信息中含源节点与目的节点，如果多个数据包有相同的目的节点，但是源节点不同，他们也有可能会从不同的输出端口输出数据包。由于只有路径上的路由节点会存储该数据包的路由信息，因而路由表的存储空间不会特别大。

五、当数据包传输完成时，会有一个尾flit来通知路径上的各个路由节点清空此数据包的路由信息，从而进一步缩减了路由表的开销。

本发明的基于网络信息的线性规划路由计算的方法：

为了在网络拥塞时，找出一条合适的路由路径，此路径可能是非最短路径。因为在网络发生拥塞时，走最短路径可能会使网络的拥塞情况变得越发严重。通过分析网络的状态信息，可以得到一条避免进一步拥塞网络或者最小化拥塞网络的路径。

考虑一个有向图G＝(V,A)，V为图中的所有顶点集合，A为连接节点的带权边的集合。令c_uv∈R₊表示边uv∈A的长度。在该图中，图的顶点表示NoC网络中的路由节点；而边表示网络拥塞程度，边的长度越短，表示该条通信链路上的拥塞越小。为了清楚的表示图G中的这条合适的最短路径(s-t)，定义向量x∈{0,1}^|A|,如果边uv在路径(s-t)中，那么x_uv＝1，否则x_uv＝0。在此基础上建立了基线性规划的数学模型：

在该模型中，(a)为求最短路径的目标函数，约束条件(b)定义了一条从源节点s到目的节点d的没有任何约束的路径，约束条件(c)限制了路径中出现环路，即通过约束条件(c)去除图中的所有环路，从而防止死锁的发生并且路径最短。其中A(S)表示路径上边的集合，|S|表示为这些边的总条数。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于，包括：

S1)在片上网络中增加一个额外的控制节点，所述控制节点和片上网络中的所有路由节点相连，彼此之间传输状态信息与路由信息，不进行数据包的传输；

S2)在网络低负载低拥塞情况下，路由节点选择拥塞较小的链路进行路由，其中：

S2-1)当前节点与目的节点的X、Y坐标值都不相同时，获取当前节点朝目的节点X方向的相邻节点的拥塞值，再获取当前节点朝目的节点Y方向的相邻节点的拥塞值，然后选择拥塞值较小的相邻节点进行路由；

S2-2)当前节点与目的节点的X坐标值相同，而Y坐标值不同时，选择Y向相邻节点进行路由；

S2-3)当前节点与目的节点的Y坐标值相同，而X坐标值不同时，选择X向相邻节点进行路由；

S3)在网络拥塞到达设定的阈值后，通过网络中的主控制节点收集网络信息，然后根据收集的网络信息采用线性规划模型计算路由。

2.根据权利要求1所述的基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于：步骤S1中，所述控制节点在收集网络信息后，如果有路由节点需要进行数据发送，先发送路由请求给控制节点，由控制节点计算路由路径，并将路由路径信息保存到路径上的所有路由器上。

3.根据权利要求2所述的基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于：步骤S2和S3中，所述片上网络中的路由节点之间的物理通道中设置多个虚拟通道，每个虚拟通道的缓存深度一致，当一条物理通道的所有虚拟通道都被占用了时，表示该条链路已经不允许其他无关数据包使用了。

4.根据权利要求3所述的基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于：当一条物理通道的虚拟通道的被占用的缓存数量超过设定阈值T时，表明该网络路由节点处于高流量负载情况，否则为低流量负载。

5.根据权利要求1所述的基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于：步骤S3中，在通过线性规划计算出路由信息后，将该路由信息保存到路由路径中的所有路由节点中，更新路由表；在没有产生路由信息时则不进行任何操作。

6.根据权利要求5所述的基于线性规划的片上网络路由方法，其特征在于：步骤S3中，在片上网络的数据包传输完成后，跟一个尾flit，在路由节点收到该flit时，就将与该flit对应的数据包路由信息删除掉，从而更新路由表。