一种超级计算机中的光互连网络系统及通信方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超级计算机中的光互连网络系统及通信方法，本发明专利技术的系统包括全局光交换机、阵列电交换机和电路由器。每8台电路由器互连为一个立方体状的计算簇，c个计算簇组成一个超级计算节点；k个超级计算节点，8台阵列电交换机和1台全局光交换机组成一个超级计算阵列；M个超级计算阵列全互连组成网络系统。本发明专利技术的方法利用电分组交换和光电路交换两种交换机制，实现了全局光交换机、阵列电交换机和电路由器之间的通信。本发明专利技术具有较高的网络可扩展性，提高了链路利用率，支持不同交换机制，降低了网络的拥塞。

【技术实现步骤摘要】
一种超级计算机中的光互连网络系统及通信方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及互连网络通信
中的一种超级计算机中的光互连网络系统及通信方法。本专利技术采用了光电路交换机OCS(OpticalCircusSwitch)与电分组交换机混合互连的网络拓扑结构，同时通过连接规则和优化的波分复用通信方法，组成了一个光互连的超级计算机互连网络系统，同时实现了光电路交换和电分组交换的混合交换方式，满足不同高性能计算应用的流量业务需求。
技术介绍
随着社会经济发展对高性能计算资源的需求越来越高，超级计算机的计算性能正在向E(1018flops)级发展，为满足性能的提升，超级计算机将拥有数十万节点的规模。因此互连系统对超级计算机的性能提升有着关键作用。传统的电互连技术受限于高频率下的信号干扰和高能耗等问题，难以为超级计算机提供高带宽低能耗的互连系统。由于光互连本身具有高带宽和低能耗的特性，因此光互连网络成为研究人员所关注的焦点。但现存的光互连网络存在以下两点问题：第一，光互连网络性能的发挥需要良好的拓扑结构支持，光互连网络采用集中式架构，整个网络的规模严重受限于核心光交换机的端口数目，网络的可扩展性不高；第二，光互连网络一般采用光电路交换机制，但缺少有效的方案解决光电路交换带宽资源利用率不高的问题，甚至高性能计算中的一些应用流量操作是光电路交换无法支持的，因此网络性能无法得到有效的提高。西安电子科技大学拥有的专利技术“基于超立方簇的数据中心光互连网络系统及通信方法”(申请号201210133164.2，授权公告号CN1026384114B，公开日为2012.08.15)中公开了一种基于超立方簇的数据中心光互连网络系统及通信方法。该专利技术的系统包括P台架顶光交换机，P台架顶电交换机和P×h台服务器。每台架顶电交换机连接u台服务器和一台架顶光交换机构成网络基本单元，m个基本单元通过架顶光交换机互连成基于超立方拓扑的簇形结构，r个簇进一步通过架顶光交换机互连成环形拓扑结构。该专利技术系统的不足之处是：网络的拓扑结构提供的互连端口较少，系统的可扩展性受限；顶层环形结构的对分带宽较低，系统的通信时延较高，会出现网络阻塞严重的问题。ChenKai等人在其发表的论文“OSA:AnOpticalSwitchingArchitectureforDataCenterNetworksWithUnprecedentedFlexibility”(IEEE/ACMTRANSACTIONSONNETWORKING,2014)中提出了一种数据中心全光互连网络系统及通信方法。该论文提出的系统使用微机电系统MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)光交换机与所有架顶交换机直接连接构成一个星形拓扑，每个架顶交换机配备j个光收发模块，j个光收发模块连接到一个1×j波长选择交换机WSS(WavelengthSelectiveSwitch),WSS通过j个光环行器与MEMS光交换机连接。该论文系统的不足之处是：采用星形拓扑结构这种集中式的光交换架构，使得光交换机的基数较高，造成设备设计复杂度上升，使得网络的开销和成本较高，同时也会导致中心光交换机的负荷较大，出现网络阻塞严重的问题。该论文所提供的通信方法是：根据MEMS交换机的交叉开关矩阵直接连接的架顶交换机之间使用光电路交换直接传输数据，非直接连接的架顶交换机之间采用hop-by-hop的通信方法：首先，源架顶交换机选择当前j个直接连接的架顶交换机中的一个作为中间节点，然后该中间架顶交换机接收到信号后进行光电转换，提取数据分组头部并重新想目的交换机转发。该论文的通信方法存在的不足之处是：对于波长资源利用率低，网络拥塞严重，存在数据交换粒度较粗，链路利用率较低，路径建立开销较大的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，解决目前超级计算机光互连网络系统扩展性差，设备成本和复杂度高，链路利用率低，网络阻塞严重的问题，提出一种超级计算机中的光互连拓扑结构及通信方法，该结构具有良好的可扩展性，设备成本和复杂度较低的特点；该通信方法具有数据交换粒度较细，链路利用率较高，网络阻塞较低的特点。实现本专利技术目的的思路是，设计了一种层级分布式的光互连网络系统，最底层为立方体状计算簇，计算簇是负责计算业务处理的基本单元；若干计算簇组成一个超级计算节点，超级计算节点是扩展计算业务处理能力的基本单元；超级计算节点按照一定的连接规则与8台阵列电交换机互连；最高层为全局光交换机，全局光交换机通过下行光交换端口与8台阵列电交换机互连，若干超级计算节点、8台阵列电交换机和1台全局光交换机组成一个超级计算阵列，超级计算阵列是网络系统的基本扩展单元，超级计算阵列之间通过全局光交换机的上行光交换端口进行互连和扩展。本专利技术的系统包括全局光交换机、阵列电交换机、电路由器。所述的全局光交换机有N台，每台全局光交换机有8个并行的下行光交换端口，每台全局光交换机通过N-1个全局光交换端口与其他全局光交换机互连。所述的阵列电交换机有D台，其中D＝8N，每台阵列电交换机有R个电互连端口，每台阵列电交换机通过1个光互连端口与1个全局光交换机互连。所述的电路由器有F台，每个路由器通过7个电互连端口连接h个计算节点，1个电互连端口连接1台阵列电交换机，其中F＝8N×R；每8个电路由器互连为一个立方体状的计算簇，c个计算簇组成一个超级计算节点，c≥1；k个超级计算节点，8台阵列电交换机和1台全局光交换机组成一个超级计算阵列；全系统共有M个超级计算阵列，其中M＝N。所述的计算簇、超级计算节点、超级计算阵列组成了层级分布式光互连结构。所述的计算节点包括执行高性能计算的芯片，内存，网卡和一些相应接口，用于向电路由器发送并从电路由器接收各种业务请求，并对业务请求进行处理。所述的层级分布式光互连结构是由三层光互连网络结构组成，第一层由计算簇组成；第二层由超级计算节点组成；第三层有超级计算阵列组成；超级计算阵列之间通过全局光交换机全互连。本专利技术的方法是基于超级计算机中的光互连网络系统的通信方法，包括如下步骤：(1)产生数据分组：计算节点中的源计算节点产生数据分组，并将数据分组发送至与源计算节点互连的源路由器RS；(2)源路由器RS解析数据分组，提取数据分组中的目的地址；(3)判断目的地址与源路由器RS的地址是否同处一个超级计算阵列中，若是，则执行步骤(4)；否则，执行步骤(6)；(4)判断目的地址与源路由器RS的地址是否同处一个超级计算节点中，若是，则执行步骤(5)；否则，执行步骤(6)；(5)源路由器RS将数据分组发送至目的路由器Rd后执行续步骤(31)；(6)源路由器RS将数据分组转发给相连的源阵列电交换机ESs；(7)源阵列电交换机ESs解析数据分组，提取数据分组中的目的地址；(8)判断目的地址与源阵列电交换机ESs的地址是否同处于一个超级计算阵列中，若是，则执行步骤(9)；否则，执行步骤(12)；(9)源阵列电交换机ESs将数据分组存入本地缓存中相应的电交换子队列中；(10)源阵列电交换机ESs周期性查询本地缓存的所有电交换子队列；(11)判断电交换子队列中是否存在待发送的数据分组，若是，则执行步骤(13)；否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级计算机中的光互连网络系统，包括全局光交换机、阵列电交换机、电路由器；其特征在于：所述的全局光交换机有N台，每台全局光交换机有8个并行的下行光交换端口，每台全局光交换机通过N‑1个全局光交换端口与其他全局光交换机互连；所述的阵列电交换机有D台，其中D＝8N，每台阵列电交换机有R个电互连端口，每台阵列电交换机通过1个光互连端口与1个全局光交换机互连；所述的电路由器有F台，每个路由器通过7个电互连端口连接h个计算节点，1个电互连端口连接1台阵列电交换机，其中F＝8N×R；每8个电路由器互连为一个立方体状的计算簇，c个计算簇组成一个超级计算节点，c≥1；k个超级计算节点，8台阵列电交换机和1台全局光交换机组成一个超级计算阵列；全系统共有M个超级计算阵列，其中M＝N；所述的计算簇、超级计算节点、超级计算阵列组成了层级分布式光互连结构；所述的计算节点包括执行高性能计算的芯片，内存，网卡和一些相应接口，用于向电路由器发送并从电路由器接收各种业务请求，并对业务请求进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种超级计算机中的光互连网络系统，包括全局光交换机、阵列电交换机、电路由器；其特征在于：所述的全局光交换机有N台，每台全局光交换机有8个并行的下行光交换端口，每台全局光交换机通过N-1个全局光交换端口与其他全局光交换机互连；所述的阵列电交换机有D台，其中D＝8N，每台阵列电交换机有R个电互连端口，每台阵列电交换机通过1个光互连端口与1个全局光交换机互连；所述的电路由器有F台，每个路由器通过7个电互连端口连接h个计算节点，1个电互连端口连接1台阵列电交换机，其中F＝8N×R；每8个电路由器互连为一个立方体状的计算簇，c个计算簇组成一个超级计算节点，c≥1；k个超级计算节点，8台阵列电交换机和1台全局光交换机组成一个超级计算阵列；全系统共有M个超级计算阵列，其中M＝N；所述的计算簇、超级计算节点、超级计算阵列组成了层级分布式光互连结构；所述的计算节点包括执行高性能计算的芯片，内存，网卡和一些相应接口，用于向电路由器发送并从电路由器接收各种业务请求，并对业务请求进行处理。2.根据权利要求1所述的一种超级计算机中的光互连网络系统，其特征在于，所述的层级分布式光互连结构是由三层光互连网络结构组成，第一层由计算簇组成；第二层由超级计算节点组成；第三层由超级计算阵列组成；超级计算阵列之间通过全局光交换机全互连。3.一种超级计算机中的光互连网络通信方法，该方法是基于超级计算机中的光互连网络系统实现的通信方法，包括如下步骤：(1)产生数据分组：计算节点中的源计算节点产生数据分组，并将数据分组发送至与源计算节点互连的源路由器RS；(2)源路由器RS解析数据分组，提取数据分组中的目的地址；(3)判断目的地址与源路由器RS的地址是否同处一个超级计算阵列中，若是，则执行步骤(4)；否则，执行步骤(6)；(4)判断目的地址与源路由器RS的地址是否同处一个超级计算节点中，若是，则执行步骤(5)；否则，执行步骤(6)；(5)源路由器RS将数据分组发送至目的路由器Rd后执行步骤(31)；(6)源路由器RS将数据分组转发给相连的源阵列电交换机ESs；(7)源阵列电交换机ESs解析数据分组，提取数据分组中的目的地址；(8)判断目的地址与源阵列电交换机ESs的地址是否同处于一个超级计算阵列中，若是，则执行步骤(9)；否则，执行步骤(12)；(9)源阵列电交换机ESs将数据分组存入本地缓存中相应的电交换子队列中；(10)源阵列电交换机ESs周期性查询本地缓存的所有电交换子队列；(11)判断电交换子队列中是否存在待发送的数据分组，若是，则执行步骤(13)；否则，执行步骤(10)；(12)电交换子队列申请相应的发送端口，待发送端口确认可以发送，将数据分组转发至目的路由器Rd，执行步骤(5)；(13)源阵列电交换机ESs根据数据分组中的信息将数据分组存入本地缓存中光交换子队列中；(14)源阵列电交换机ESs周期性查询本地缓存的所有光交换子队列；(15)判断光交换子队列中是否存在待发送的数据分组，若是，则执行步骤(16)，否则，执行步骤(14)；(16)判断源阵列电交换机ESs在上一查询周期中是否为光交换子队列产生过建链分组，若是，则执行步骤(15)；否则，执行步骤(17)；(17)源阵列电交换机ESs产生建链分组，将建链分组携带的信息发送至与源阵列电交换机ESs相连的全局光交换机OS...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾华玺，姜涛，王琨，杨银堂，余晓杉，鹿云峰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61