刍议高性能计算机光互连网络体系结构分析

摘　要：互联网带动了所有行业、所有科学的飞速发展，然而由于各种科学的发展需要功能更强大的网络，很多时候需要高性能的计算机才能进行数据的处理和研究。因此将传统的电互连改进为光互连以带动互联网的发展成为目前的研究热点。本文先是介绍了光互连的分类和原理、波分复用技术的原理，为下文的内容做铺垫，然后就高性能计算机光互连网络体系结构进行详细的阐述，最后对基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的性能进行分析。

关键词：高性能计算机；光互连网络；结构分析
1、光互连的分类和原理以及WDM技术的原理
　　光互连根据传输介质的不同可以分为两类：波导光互连与自由空间光互连。
（1）波导光互连的原理
　　携带数据的光由二极管激光器发射出来，进入光束传输介质集成光波导中，由于光波导的外层折射率大于芯层折射率，此时光的入射角恰好满足全反射的条件，光束发生全反射从而沿着光波导进行传播直到被另一端的光探测器接收到，这样就实现了光互连的效果。
（2）自由空间光互连的原理
　　在数据发送端有发射端调制光发送器负责发送携带数据信号的光束，当光束通过光学器件时，在光学器件的影响下光束发生转折或传输受控后到达数据的接收端，接收端的光探测器将接收到的携带数据的光信号转换成为电信号，并进行处理，构成各种拓扑结构的互联方式，从而实现光的宽频带和独立传播无干扰的特性，使得数据的传输速率、互连度及互连密度大大的提高，实现三维空间的光通信。
（3）WDM技术的原理
　　上面介绍了光互连的原理，但是要想将其应用于网络中使其发挥其优点还需借助一种技术——波分复用技术，即WDM技术。光分复用技术是使用光纤将光进行光频分复用。在光的传输系统的发送端采用复用器将不同波长的光信号组合起来并将信号合并于一根光纤中进行传播，接收端接收光后使用解复用器将不同波长的光信号分离出来并将其分别处理，实现网络的光交换和恢复。　　
2、高性能计算机光互连网络体系结构
　　虽然光互换技术等的发展迅速，但是由于高性能计算机系统的高要求，基于光互连网络的体系结构等的技术研究的需求仍十分迫切。高性能计算机光互连网络体系结构是指目前光互连交换网络中的关键部分，包括：可扩展的互连网络的拓扑结构、报文缓存、路由策略、仲裁策略、聚合通信机制等等。下面以基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系结构为例，依次对这几个方面进行分析。
（1）基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的拓扑结构
　　在高性能计算机的系统结构中，其互联网络一般采用的是层次式的互连性拓扑结构，如胖树结构，以其为例。该系统一共有64个计算结点，各个结点内有4—32个SMP，其中16个SMP构成一个SMP簇，每个SMP簇是按胖树结构来构成系统内部的互连网络的。结点间的互连链路从叶结点开始向根节点延伸的过程中逐渐增多，就连向根部伸展的枝杈也不断变粗。SMP簇中的16个SMP可以直接的传递信息和数据，不同的SMP簇之间的信息和数据的传递是通过叶结点和中心交换结点来完成的。因此，胖树结构具有许多的优点：低延迟、可扩展连接、高宽带等，但是目前的互联网的性能有限，想在高性能计算机内全采用胖树结构而使其发挥优势仍然是个难题。
（2）基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的路由策略
　　该体系的路由交换结点是根据波长分离器进行设计的。波长分离器可以综合空分和波长光的路由，因此具有波长路由的选择功能，是该系统的核心器件。波长分离器可看成是具有多个可输入输出的2×2光交换设备。通过波长分离器可使特定波长聚集进入上层的路由节点中，其他波长不能进入只能留在原来那一层内。这样就实现了不同波长的光的分离的目的。其优点是在同层次上可以实现波长的重复使用，大幅度减少了整个系统所需的波长信道的数量。
（3）基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的通信机制
　　互联网的处理器间的通信分为：超叶结点的内部通信和超叶结点之间的通信，其中内部通信是由基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的拓扑结构以及通信的机制来决定的，而结点之间的通信是由光互连网络的特定波长信道实现通信的。其通信机制大致为：每两个超叶结点之间的通信需要其互为兄弟结点才能够实现，即第一层子树的结点只能和一层次子树的结点进行通信。
（4）基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的报文缓存和仲裁策略
　　基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的仲裁策略是由Hybrid MAC协议来实现仲裁访问的。Hybrid MAC协议有两种形式：A类是控制报文，只有几十个字节的报文，数据很少，一般是存储器一致性控制报文，用于预约访问控制和一些延迟要求高的小信息；B类是数据报文，数据很多，如存储数据块报文，它比A类大几个数量级，可达到几万字节，因此可用于传输大尺寸的报文。Hybrid MAC协议对这两种类型的报文都支持。Hybrid MAC协议采用的策略是包括基于预分配和预约的混合策略，因此可实现低延迟和没有冲突的通信。仲裁过程的实现是这样的：在每个通道上，预约控制报文（RCP）与存储数据块报文（MDP）是共同传输的。其中RCP以广播方式进行传输，其每个预约项都明确的标明了这次通信的波长通道、报文大小以及目的结点，而且控制报文传输周期的发送。存储数据块报文是在数据报文的传输周期的内分槽发送的，其中各个槽最多可同时在C个波长信道上进行数据的发送。在此期间，只要求数据报文在传输周期内发送完即可，其存储的数据块长度可以发生改变。每个结点都存在一个光接收器阵列，该阵列可接受几乎所有波长的信号，因此MDP可在任何可以使用的波长信道上进行传播。在结点发送RCP前必须等待预约周期的到来，预约周期中，在信道上结点会广播自己的预约的消息，接着数据报文的传输周期内就可以传输存储数据块地报文了。因此基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系具有明显的双模态特性。　　
3、基于波长分离器的高性能计算机光互连网络体系的性能分析
　　首先，胖树拓扑结构的采用以及光互连代替电互连链路，使得有足够的点到达点链路带宽，可以充分的发挥出胖树拓扑结构的优点；层次式结构可以在不增加整个系统的波长信道的总数的前提下也可获得优良的可扩展的性能；底层超叶结点的设计 可以大幅度的节省信息的传递时间，减轻了网络的负担。
　　其次，互联网的延迟性能良好。波长分离器的特殊设计以及波长路由的寻址实现使得数据传输的速率可视为光速，因而延迟性能良好。
　　再次，采用空分复用技术和波分复用技术增强了整个系统的可扩展性。波长分离器允许同一层次的波长通道的重复使用，因而大幅度的减少了整个系统所需的波长信道的数量，因而系统的可扩展性增强了。
　　最后，双模态特性不必采用可调光收发器，也不浪费专用的控制信道，从而实现了低延迟和没有冲突的处理器之间的通信。
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