專利名稱：高速、高性價(jià)比的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域，是一種胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潴w系結(jié)構(gòu)，特別的是一種由胖樹(shù)拓?fù)浜腿W(wǎng)拓?fù)渚C合互連而成的多分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2、技術(shù)背景隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的爆炸式增長(zhǎng)，尤其是構(gòu)建大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群體系，需要把交換機(jī)進(jìn)行堆疊來(lái)提供支持更多的端口數(shù)。為此要進(jìn)行交換機(jī)堆疊的拓?fù)湓O(shè)計(jì)來(lái)滿足實(shí)際的應(yīng)用需要。
交換機(jī)堆疊的拓?fù)湓O(shè)計(jì)的方法很多，也有很多已經(jīng)成形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如全網(wǎng)結(jié)構(gòu)、超立方結(jié)構(gòu)、胖樹(shù)結(jié)構(gòu)、蝶樹(shù)結(jié)構(gòu)等等。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最關(guān)心的幾個(gè)問(wèn)題是帶寬、延遲和價(jià)格問(wèn)題，如果只考慮網(wǎng)絡(luò)性能而不考慮整體價(jià)格或者只考慮價(jià)格而不考慮網(wǎng)絡(luò)性能都是不實(shí)際的。以16端口交換機(jī)為例，如果設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)阻塞的512個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，要使用160個(gè)交換機(jī)通過(guò)胖樹(shù)拓?fù)浠ミB來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然端口間通信無(wú)阻塞，但線路過(guò)于煩瑣，增加了布線及檢修維護(hù)的難度。而且端口利用率只有20％，整體投資相當(dāng)昂貴，實(shí)用價(jià)值不是很高。
目前并不是所用的應(yīng)用都需要完全無(wú)阻塞的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，往往在區(qū)域范圍內(nèi)端口通訊流量很大而要求很大的帶寬和很小的延遲，而區(qū)域與區(qū)域之間通訊流量并不是很高。而本發(fā)明胖樹(shù)拓?fù)浜腿W(wǎng)拓?fù)渚C合互連而成的多分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正好能適應(yīng)此應(yīng)用要求并且使局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)碰撞最小化保證了傳輸質(zhì)量，還極大的減少了整體投資價(jià)格，是很有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。
目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面的專利。國(guó)外只檢索到一篇關(guān)于蝶胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專利的報(bào)導(dǎo)，還未有多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)文獻(xiàn)的報(bào)導(dǎo)。
3、發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于計(jì)算機(jī)和通信領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)胖樹(shù)拓?fù)溥B接方法，特別的是一種由胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜腿W(wǎng)胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚C合互連而成的具有高速、高性價(jià)比的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)與其它分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)采用無(wú)阻塞拓?fù)溥B接，每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)與其內(nèi)部底層交換機(jī)之間采用全網(wǎng)胖樹(shù)拓?fù)浠ヂ?lián)。
在本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，核心交換機(jī)和底層交換機(jī)均采用統(tǒng)一型號(hào)的交換機(jī)，包括16端口和32端口交換機(jī)。
在本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，根據(jù)分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)不同，可命名為二分支胖樹(shù)(double fat tree)、三分支胖樹(shù)(triple fattree)、四分支胖樹(shù)(quad fat tree)及多分支胖樹(shù)(multi branch fat tree)。
在本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，各分支胖樹(shù)可采用對(duì)稱和不對(duì)稱兩種拓?fù)溥B接方式，對(duì)稱和不對(duì)稱連接方式的區(qū)別在于各分支胖樹(shù)核心交換機(jī)的個(gè)數(shù)和所提供的可用端口數(shù)是否相等。
本發(fā)明的多分支胖樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潴w系結(jié)構(gòu)，采用胖樹(shù)拓?fù)渑c全網(wǎng)拓?fù)渚C合使用的方式，即各個(gè)分支采用全胖樹(shù)拓?fù)浠ミB，而各分支胖樹(shù)結(jié)構(gòu)的核心交換機(jī)與底層交換機(jī)之間采用全網(wǎng)拓?fù)浞绞交ミB，這樣可以保證在每個(gè)胖樹(shù)拓?fù)鋬?nèi)核心交換機(jī)與底層交換機(jī)間通訊無(wú)阻塞。在不同分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的底層交換機(jī)間的相互通訊雖然有阻塞，但具有多點(diǎn)路由仍可保證一定的帶寬。
本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性價(jià)比最大化技術(shù)，即在給定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需求的最小帶寬條件下，給出性價(jià)比最高的拓?fù)浞桨?，用最小的投資來(lái)達(dá)到來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渫ㄓ嵭阅苌系男枰?br> 根據(jù)分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)的不同，我們對(duì)2，3和4分支的胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別稱之為二分支胖樹(shù)、三分支胖樹(shù)和四分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次類推還可定義多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。


附圖1為二分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，兩個(gè)分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心交換機(jī)間分別通過(guò)一條鏈路相互連接，如使用16端口交換機(jī)構(gòu)建此拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)分帶寬可達(dá)到23％，提供最大可用端口數(shù)204。
附圖2為三分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，各分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心交換機(jī)間通過(guò)兩條鏈路相互連接，構(gòu)成全網(wǎng)拓?fù)溥B接。如使用16端口交換機(jī)構(gòu)建此拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)分帶寬可達(dá)到17％，提供最大可用端口數(shù)288。
附圖3為四分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，各胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心交換機(jī)間通過(guò)三條鏈路相互連接，構(gòu)成全網(wǎng)拓?fù)溥B接。如使用16端口交換機(jī)構(gòu)建此拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)分帶寬可達(dá)到20％，提供最大可用端口數(shù)320。
附圖4為不對(duì)稱二分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，交換機(jī)采用16端口交換機(jī)。其中一個(gè)分支胖樹(shù)拓?fù)涮峁┒丝跀?shù)80，另一個(gè)分支胖樹(shù)拓?fù)涮峁┒丝跀?shù)104，較小分支胖樹(shù)拓?fù)涞暮诵慕粨Q機(jī)有六條鏈路分別與較大分支胖樹(shù)拓?fù)涞膬蓚€(gè)核心交換機(jī)相連，對(duì)分帶寬接近30％。
對(duì)于各個(gè)分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建，我們可以采取對(duì)稱與不對(duì)稱兩種連接方式，對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各胖樹(shù)所提供的端口數(shù)相等。對(duì)于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，各分支胖樹(shù)所提供的端口數(shù)不相等。
對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以16端口交換機(jī)為例加以說(shuō)明在保證對(duì)分帶寬在15％以上的前提下，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的連接方式，分別闡述二分支胖樹(shù)、三分支胖樹(shù)和四分支胖樹(shù)的構(gòu)成及性能參數(shù)特點(diǎn)。
在二分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如附圖1所示，為了保證對(duì)分帶寬在15％以上，設(shè)計(jì)每一個(gè)胖樹(shù)由8個(gè)核心交換機(jī)和13個(gè)底層交換機(jī)構(gòu)成，每個(gè)底層交換機(jī)提供8個(gè)主機(jī)端口，整個(gè)二分支胖樹(shù)提供208個(gè)可用主機(jī)端口，端口利用率達(dá)31％。每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)有三條鏈路與另一個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)相連，兩個(gè)分支胖樹(shù)間共有24條鏈路，整個(gè)體系的對(duì)分帶寬值為23％。由于分支胖樹(shù)的核心之間是直接相連，沒(méi)有通過(guò)另一層交換機(jī)，從而端口間平均路徑長(zhǎng)度下降，對(duì)于二分支胖樹(shù)，平均路徑長(zhǎng)度為4.5。
在三分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如附圖2所示，為了保證對(duì)分帶寬在15％以上，設(shè)計(jì)每一個(gè)分支胖樹(shù)由8個(gè)核心交換機(jī)和12個(gè)底層交換機(jī)構(gòu)成，每個(gè)底層交換機(jī)提供8個(gè)主機(jī)端口，整個(gè)二分支胖樹(shù)提供288個(gè)可用主機(jī)端口，端口利用率達(dá)30％。每個(gè)分支胖樹(shù)的根端口交換機(jī)有二條鏈路與另一個(gè)分支胖樹(shù)的根端口交換機(jī)相連，每?jī)蓚€(gè)分支胖樹(shù)間共有16條鏈路，整個(gè)體系的對(duì)分帶寬值為16％。對(duì)于二分支胖樹(shù)，平均路徑長(zhǎng)度為4.6。
在四分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如附圖3所示，為了保證對(duì)分帶寬在15％以上，設(shè)計(jì)每一個(gè)分支胖樹(shù)由8個(gè)核心交換機(jī)和10個(gè)底層交換機(jī)構(gòu)成，每個(gè)底層交換機(jī)提供8個(gè)端口，整個(gè)二分支胖樹(shù)提供320個(gè)可用端口，端口利用率達(dá)28％。每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)有二條鏈路與另一個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)相連，每?jī)蓚€(gè)分支胖樹(shù)間共有16條鏈路，整個(gè)體系的對(duì)分帶寬值為28％。對(duì)于二分支胖樹(shù)，平均路徑長(zhǎng)度為4.7。
對(duì)于多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于端口利用率的提高，導(dǎo)致每端口價(jià)值的降低，從而降低了整體投資價(jià)值。
由于采用分支胖樹(shù)與全網(wǎng)綜合互連，分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)間直接連接而沒(méi)有通過(guò)另外的交換機(jī)，使端口間平均路徑距離下降，從而降低了端口間通訊延遲，提高了端口間的通訊速度。如果采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多分支胖樹(shù)拓?fù)?，在端口?shù)較多的分支胖樹(shù)看來(lái)，有更多的端口具有更小的平均路徑，導(dǎo)致整體的平均路徑距離下降，所以整體的端口間平均延遲還會(huì)下降。
但仍需指出，多分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)分帶寬只保持到15％以上，只適合于區(qū)域內(nèi)部通訊帶寬要求很高，而區(qū)域間通訊帶寬不超過(guò)15％的應(yīng)用問(wèn)題。也就是說(shuō)給出了在對(duì)分帶寬不超過(guò)15％時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性價(jià)比最大化方案。
具體實(shí)施方式
多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于大多數(shù)的體系互連交換機(jī)硬件，其中包括，Myrinet，Infiniband，Quadrics等，下面以Myrinet交換機(jī)為例來(lái)說(shuō)明多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體實(shí)施方法。
我們要用到的Myrinet產(chǎn)品包括M3-E128、端口鏈路卡、級(jí)聯(lián)鏈路卡。其中M3-E128為128端口的交換機(jī)機(jī)柜，每個(gè)交換機(jī)機(jī)柜內(nèi)建8個(gè)16端口交換機(jī)，如插滿16塊端口鏈路卡，可提供最大128端口可用端口。端口鏈路卡為下行連接卡，內(nèi)建有一個(gè)16端口的交換機(jī)，每塊卡提供8個(gè)下行鏈接端口。級(jí)聯(lián)鏈路卡為上行連接卡，每塊卡提供8個(gè)上行連接端口。
我們以三分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例來(lái)說(shuō)明其具體實(shí)施方法。三分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要用到三個(gè)M3-E128端口機(jī)柜，每個(gè)機(jī)柜插入12塊端口鏈路卡提供96個(gè)端口，插入4塊級(jí)聯(lián)鏈路卡提供32個(gè)上行鏈路，每?jī)蓚€(gè)胖樹(shù)間有2塊級(jí)聯(lián)鏈路卡16條鏈路相連接，按端口順序把這16個(gè)端口標(biāo)示為端口1、端口2、端口3直到端口16，每?jī)蓚€(gè)機(jī)柜按端口號(hào)依次兩兩相連，即而完成了三分支胖樹(shù)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)體系的具體實(shí)施。
二分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和四分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體實(shí)施也可依此方法而行。
對(duì)于二分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)柜插入13塊端口鏈路卡，3塊級(jí)聯(lián)鏈路卡，兩個(gè)機(jī)柜間有48條鏈路相連。對(duì)于四分支胖樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)柜插入10塊，6塊級(jí)聯(lián)鏈路卡，兩個(gè)機(jī)柜間有16條鏈路相連。
多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于區(qū)域內(nèi)部通訊帶寬要求很高而區(qū)域之間通訊帶寬要求不高的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，如機(jī)車對(duì)撞問(wèn)題的模擬運(yùn)算，天體碰撞問(wèn)題的模擬運(yùn)算等。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)區(qū)域間通訊帶寬的實(shí)際要求來(lái)調(diào)節(jié)端口鏈路卡和級(jí)聯(lián)鏈路卡的數(shù)目，以達(dá)到滿足實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的目的。
權(quán)利要求
1.高速、高性價(jià)比的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于在多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)與其它分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)采用無(wú)阻塞拓?fù)溥B接，每個(gè)分支胖樹(shù)的核心交換機(jī)與其內(nèi)部底層交換機(jī)之間采用全網(wǎng)胖樹(shù)拓?fù)浠ヂ?lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于在多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用統(tǒng)一型號(hào)的交換機(jī)，包括16端口和32端口交換機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于根據(jù)分支個(gè)數(shù)不同，可命名為二分支胖樹(shù)(double fat tree)、三分支胖樹(shù)(triplefat tree)、四分支胖樹(shù)(quad fat tree)及多分支胖樹(shù)(multi branch fat tree)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于各分支胖樹(shù)可采用對(duì)稱和不對(duì)稱兩種拓?fù)溥B接方式，對(duì)稱和不對(duì)稱連接方式的區(qū)別在于各分支胖樹(shù)核心交換機(jī)的個(gè)數(shù)和所提供的可用端口數(shù)是否相等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高速、高性價(jià)比的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的數(shù)目增加到一定規(guī)模時(shí)，便產(chǎn)生出一種用于交換機(jī)之間互連的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠ミB技術(shù)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用胖樹(shù)拓?fù)渑c全網(wǎng)拓?fù)渚C合互連的方式，即每一分支采用胖樹(shù)互連，而各分支之間采用全網(wǎng)互連。根據(jù)分支個(gè)數(shù)的不同可命名為二分支胖樹(shù)、三分支胖樹(shù)和四分支胖樹(shù)。本發(fā)明的多分支胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與無(wú)阻塞胖樹(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，在采用相同交換機(jī)個(gè)數(shù)情況下，可以使網(wǎng)絡(luò)集群規(guī)模增大和通訊延遲降低，整體投資性價(jià)比得到顯著提高。
文檔編號(hào)H04Q3/00GK1514591SQ0215152
公開(kāi)日2004年7月21日 申請(qǐng)日期2002年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者門(mén)佃兵, 尹宏偉, 王守昊, 莊文君 申請(qǐng)人:浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司