一种通过交换机构建的交换系统及其路由算法技术方案

本发明专利技术公开了一种通过交换机构建的交换系统及其路由算法，该通过交换机构建的交换系统包括：多个交换机，每个交换机具有2N个端口，其中，每个交换机的N个端口分别与其他的交换机连接，以及每个交换机剩余的N个端口分别与节点连接，其中，N为正整数。本发明专利技术通过将每个交换机的N个端口分别与其他的交换机连接，以及将每个交换机剩余的N个端口分别与节点连接，从而构建这种全互连网络，其具有低成本、低功耗、低延迟，高性能等优点。

A switching system constructed by switches and its routing algorithm

The invention discloses a switching system and its routing algorithm built through a switch, which consists of a number of switches with 2N ports for each switch, where each switch's N ports are connected to the other switches and the remaining N ports of each switch. Do not connect to the node, where N is a positive integer. The invention has the advantages of low cost, low power consumption, low delay and high performance by connecting the N ports of each switch to the other switches and connecting the remaining N ports of each switch to the nodes respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种通过交换机构建的交换系统及其路由算法
本专利技术涉及通信领域，具体来说，涉及一种通过交换机构建的交换系统及其路由算法。
技术介绍
在现有技术中，美国国防部于2002年制定的“高效能计算系统(HighProductivityComputingSystems，简称HPCS)”研究计划率先提出了以高效能作为新一代高性能计算机研制的目标。高效能代表了高性能计算机研究的新方向，其包含了高性能、可编程性、可移植性、稳定性等多个方面的要求，同时，高效能计算机研究领域主要包括：高带宽、低延迟分级存储系统；平衡好处理器、存储器、网络带宽、系统软件与开发语言的均衡系统结构；健壮性策略；新的度量准则和基准测试程序；系统自适应性；节能以及简化管理复杂性等诸多内容。此外，大数据、云计算、人工智能等技术蓬勃发展，大规模计算快速向超级计算机和数据中心聚集。计算机技术及科学技术的发展使得高性能计算机技术得到了广泛的应用，而在技术应用加深的过程中，也对高性能互连网络提出了更高的要求。另外，高性能互连网络作为数据中心的重要基础设施，也需要在新的技术形态下，因势而变，不断提升性能和可扩展性，提高安全性和可管理性，以及支持软件定义，实现多协议、多网络的深度融合，提高集成密度，支持快速部署。同时，数据中心还面临多方面挑战，比如能耗、散热问题，如何让数据中心更加高效、绿色、可靠、智能成为当前面临的问题。此外，2012年我国数据中心总数已超64万个，80％以上是小于500平米的微型数据中心，因此，数量多规模小是我国数据中心的特征。同时，世界各地正在建造的数据中心正继续增长，根据IDC(互联网数据中心)统计的数据显示，全球数据中心数量在2015年达到了855万座。此外，数据中心市场从客户可分为HyperScale、Enterprises和SMB(ServerMessageBlock，它是一个协议名)三个层级，其中，HyperScale的成长超过了60％，同时，据IDC预测，来自Enterprises的需求的年增长率将达到20％，其中中小型客户的数据中心总量非常庞大。同时，中小型企业数据中心规模在100台服务器到500台服务器之间，因此，如果构建互连网络拓扑结构，针对这样的应用场景和系统规模，提供低成本，低功耗，高性能的互连网络具有非常重要的现实意义和社会价值。高性能互连网络该如何发展来应对这些挑战呢？互连网络的拓扑结构和路由算法从宏观上决定了网络的通信性能。此外，拓扑结构是指合理的互连结构，其不但可以提供高性能的通信，还可以减轻并行程序的设计负担。同时，网络拓扑的静态度量主要包括：网络的度、链路数、网络直径和等分宽度，这些特性决定拓扑的通信性能、规模、成本和扩展性等，其是评价网络性能的重要参数，因此，网络结构设计应该最小化网络直径以降低延迟、提高通信能力，以及最大化等分宽度以提高网络吞度率，增强系统容错能力，提高可靠性，以及最小化交换机数量来降低系统成本，降低系统功耗。另外，超级计算机之父Cray最新的XC30系统，其采用新颖的高带宽、低网络直径的Dragonfly(蜻蜓)拓扑，类似缩减的全互连结构。同时，Dragonfly拓扑使用一组路由器连接成一个高维度的虚拟路由器组，组间是全互连结构，组内是2维的all-to-all(多对多)结构，该XC30系统的全局带宽是其上一代产品基于3DTorus拓扑的Gemini系统的20倍，性能有了极大的提升，但其交换机有48个端口，大端口路由器对于系统成本和工艺都是严峻的考验。此外，PERCS系统是IBM应对DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，美国国防部高级研究计划局)挑战所设计的高效能、高性能计算机系统。该PERCS系统通过两级全互连拓扑将数万颗Power7芯片连接起来，提供高等分带宽和低延迟通信，但是由于功耗和成本的问题，PERCH系统很难做到超大系统规模。另外，通过路由算法决定消息的传输路径，从而该路由算法对于大规模网络通信性能至关重要，同时，经典的路由算法有最短路径路由和自适应路由等。其中，最短路径路由算法是指从源节点到目标节点所经过的路径距离最短，其具有通信距离最短，延迟最低等特点，但通常是确定性路由，不考虑网络状态的变换，不具有容错能力，容易造成拥塞，导致网络性能下降；自适应路由算法是根据通道的拥塞情况动态选择路由，好处是路由灵活，链路利用率高，具有容错能力，不足之处是非最短路径、算法复杂、容易死锁且存在乱序的问题。此外，网络交换机需要一定的缓冲器用来存储数据包，但是，缓冲器的容量是有限的，对于那些数据包头还没有到达目的节点的报文，一方面要请求缓冲器资源，同时又要占用当前缓冲报文的缓冲器，这种通道资源的循环占用就可能产生死锁。目前，通过增加虚通道构建虚拟子网，从而通过分离流量可有效避免死锁，但是这种方法的缺点是所需资源比较多，对于采用高维度拓扑的超大规模网络会极大增加系统成本；以及还可采用逃逸虚通道也可以避免死锁，当发生拥塞时数据包进入逃逸虚通道路由，可化解拥塞情况，其不足之处在于逃逸通道的利用率比较低；以及还可采用日期变更线(Dateline)方法也可有效避免死锁，对于通道资源的循环循环占用而发生的死锁，可以通过设置Ddateline来破坏这种循环占用来避免死锁，从而对于每个循环依赖的环，选定一个节点作为时间线，网络包首先在虚通道0中传输，当进入时间线后，强制切换至虚通道1中传输，即可避免环路死锁，但是这种方法会导致部分通道资料利用率不高，负载不均衡。综上，目前没有基于商用交换机构建全互连拓扑的通用方法，同时，最短路径路由算法可以直接用于全互连网络，但是对于通信负载不均衡的应用，链路资源竞争情况比较严重，会导致网络拥塞，性能严重下降的问题。针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
针对相关技术中的问题，本专利技术提出一种通过交换机构建的交换系统及其路由算法。本专利技术的技术方案是这样实现的：根据本专利技术的一个方面，提供了一种通过交换机构建的交换系统。该通过交换机构建的交换系统包括：多个交换机，每个交换机具有2N个端口，其中，每个交换机的N个端口分别与其他的交换机连接，以及每个交换机剩余的N个端口分别与节点连接，其中，N为正整数。根据本专利技术的一个实施例，每个交换机的1到N号端口与其他的交换机连接。根据本专利技术的一个实施例，每个交换机的N+1至2N号端口与节点连接。根据本专利技术的另一方面，提供了一种应用于上述通过交换机构建的交换系统的路由算法。该路由算法包括：确定数据的输入端口的类型；根据数据的输入端口的类型，选择相应的路由算法。根据本专利技术的一个实施例，包括：在确定数据的输入端口的类型为交换机的端口的情况下，确定当前交换机为中转交换机；根据数据的包头信息，确定目标节点的地址；查询线性转发表，直接确定目标节点所处的交换机和中转交换机的连接端口，从而进行数据的转发。根据本专利技术的一个实施例，还包括：根据预设的命名规则，对交换机和节点进行命名；根据命名后的交换机和命名后的节点的连接关系，构建交换系统。根据本专利技术的一个实施例，还包括：分别计算距离每个节点所处的交换机的通信距离为一跳的交换机，从而构建代价矩阵；根据代价矩阵，构造线性转发表。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过交换机构建的交换系统，其特征在于，包括：多个所述交换机，每个所述交换机具有2N个端口，其中，每个所述交换机的N个端口分别与其他的所述交换机连接，以及每个所述交换机剩余的N个端口分别与节点连接，其中，N为正整数。

【技术特征摘要】
1.一种通过交换机构建的交换系统，其特征在于，包括：多个所述交换机，每个所述交换机具有2N个端口，其中，每个所述交换机的N个端口分别与其他的所述交换机连接，以及每个所述交换机剩余的N个端口分别与节点连接，其中，N为正整数。2.根据权利要求1所述的交换系统，其特征在于，每个所述交换机的1到N号端口与其他的所述交换机连接。3.根据权利要求2所述的交换系统，其特征在于，每个所述交换机的N+1至2N号端口与所述节点连接。4.一种应用于权利要求1-3任一项所述的通过交换机构建的交换系统的路由算法，其特征在于，包括：确定数据的输入端口的类型；根据所述数据的输入端口的类型，选择相应的路由算法。5.根据权利要求4所述的路由算法，其特征在于，包括：在确定所述数据的输入端口的类型为所述交换机的端口的情况下，确定当前交换机为中转交换机；根据所述数据的包头信息，确定目标节点的地址；查询线性转发表，直接确定所述目标节点所处的交换机和所述中转交换机的连接端口，从而进行所述数据的转发。6.根据权利要求4所述的路由算法，其特征在于，还包括：根据预设的命名规则，对所述交换机和所述节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏勇，
申请(专利权)人：曙光信息产业北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11