中共湖南省委黨校湖南行政學院彭勁杰 (原名彭孟良)
1引言
通過高性能互連系統(tǒng)將多個CPU構成并行計算機集群系統(tǒng)，是獲得高性能計算的有效途徑。為了提高互連系統(tǒng)的性能，人們從許多方面進行了大量研究，如互連硬件設備性能、并行系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構和路由算法等等。由于硬件性能受限于當前的工藝水平，且網(wǎng)絡拓撲結構的研究非常成熟，路由算法就成了研究熱點。
在路由的實現(xiàn)過程中，互連網(wǎng)絡所采用的信息交換技術決定了信息可以沿著路徑傳輸?shù)难訒r和帶寬。因此信息交換技術是反映互聯(lián)網(wǎng)性能的一個重要因素。最基本的信息交換技術有電路交換（CircuitSwitch）和報文交換（PacketSwitch）兩種，其他許多改進方法都是針對這兩種技術的性能改善方法，比如蟲孔交換（WormholeSwitch）是對報文交換中有的路徑上信息單元不足一個報文；虛跨步交換（Virtual Cut-through Switch）是鑒于電路交換與報文交換之間的技術。這些技術的改進是針對物理鏈路的要求而來的，而不是針對應用特點的延時與帶寬需求進行的。
從應用的角度來看，一個集群系統(tǒng)上往往運行了多種應用程序。不同應用的數(shù)據(jù)有不同的特點，對信息交換的性能有不同的要求，比如有的要求是低延時，而有的要求高帶寬，這就要求有與之相適應的信息交換技術。電路交換與報文交換二者有不同的特點，任何一種方法都不能同時滿足所有應用。為此，需要研究與多種應用需求相適應的信息交換技術。
為了提高信息交換對應用需求的適應性，文獻[2]提出了一種基于高性能輸入隊列的交換技術。該技術通過改進鏈路上設備的緩沖區(qū)來提高系統(tǒng)的交換性能，其優(yōu)點是能適應一定范圍內的信息提供高帶寬低延時的服務，其缺點是需要增設緩沖區(qū)，對底層進行修改。但是不同應用的QoS標準不同，其方法只能針對應用的低延時或高帶寬的多種要求同時進行優(yōu)化。本文提出自適應信息交換技術的思想，是為了提高網(wǎng)絡的信息交換性能并且可以滿足不同應用的多種需求。
2傳統(tǒng)的信息交換技術
2.1電路交換
在數(shù)據(jù)傳輸前要在源和目的之間首先建立一條物理路徑，然后在這條路徑上一次將數(shù)據(jù)傳送完，再釋放該物理路徑。
其中物理路徑的建立是通過向網(wǎng)絡注入路由頭微片來實現(xiàn)的（這個路由頭微片包括目的地址和其他控制信息，路由探測頭向目的前進，在通過中間路由器傳輸?shù)耐瑫r保留物理鏈路。當探測頭到達目的時，就建立了一條完整的路徑，并向源結點返回應答）。路徑建立后，消息內容就可以以硬件路徑的整個帶寬傳送。
電路交換的優(yōu)點是：①簡單，就類似于源與目的之間建立一條物理專線；②傳送帶寬高，因為其傳送可以占領整個帶寬性能。當應用中需要傳送的消息很長時（消息傳輸時間遠遠大于路徑建立時間），這種交換技術非常有效。
電路交換的缺點是：①路徑建立延時很長。路徑的建立要求路徑的每個器件都空閑；②整個消息發(fā)送期間都要占領該物理路徑，有可能阻塞其他的消息，影響網(wǎng)絡的整體利用率。
2.2報文交換
針對電路交換要占用整個路徑的缺點，是將消息劃分成固定長度的許多報文，每個報文從源結點到目的結點獨立路由，報文在向下一個結點轉發(fā)之前完全緩沖在每個中間結點，不需要占領獨立的物理通道。為了便于控制，每個報文的前幾個字節(jié)包含路由和控制信息，稱作報文頭。中間路由器析取頭信息，確定報文轉發(fā)的輸出鏈路。
報文交換的優(yōu)點是：①不需要建立物理路徑，消息傳送的延時小，對消息較短和延時受限的應用來說很有意義；②在報文交換中，只要某段預留路徑空閑有效的時間段，有數(shù)據(jù)需要傳輸時通信鏈路就可以充分利用，器件的并行性較好，網(wǎng)絡的利用率高。
報文交換的缺點是：①消息需要進行分片，會帶來額外開銷；②由于每個消息片獨立路由，一條消息的多個報文會出現(xiàn)亂序等現(xiàn)象，整個傳送的完成需要等待傳送最慢的消息片；③消息傳送需要有超時機制對是否傳送完成進行判斷，和報文重復丟棄等復雜情況進行管理。
3.自適應信息交換
不同的應用對消息交換有不同的要求。比如在集群系統(tǒng)上運行科學計算中的障礙同步操作（Barrie），消息較短，操作的延時直接決定了多機并發(fā)工作的性能。這種情況就是延時受限。而對于數(shù)據(jù)挖掘應用，數(shù)據(jù)庫服務器需要將某一維的所有數(shù)據(jù)進行傳送，數(shù)據(jù)量大，傳送的及時完成對應用服務性能有直接影響。這種需要高帶寬的應用就是帶寬受限。一個集群系統(tǒng)同時運行這些應用，就要求網(wǎng)絡交換技術具有一定的適應性。
3.1兩種交換方式的互補性
經(jīng)分析，電路交換的優(yōu)點是帶寬高，但是建立鏈路時間太長時，同樣會影響數(shù)據(jù)傳遞的效果；在報文交換機制中，每個片會帶來額外的數(shù)據(jù)包處理開銷等，如果這些開銷太大，同樣會引起系統(tǒng)的整體性能。二者結合起來，則有較理想的效果。
電路交換與報文交換相互補的方法是指對于一個消息，如果能很快建立一條物理鏈路，則可以選擇進行電路交換；如果在鏈路上的某幾個結點之間能很快建立一條物理鏈路，則這些結點間能進行電路交換，而路徑上的其余結點間采用報文交換。
互補交換是自適應交換中的一種交換方式。在互補交換中，只需要少量的鏈路建立時間。
3.2自適應信息交換思想
所謂自適應信息交換技術就是根據(jù)實際應用的需要，自適應地選擇數(shù)據(jù)交換方法，如算法一所示。算法一中，對有延時要求的短消息，自適應信息交換會選擇報文交換機制進行數(shù)據(jù)傳遞；而對有帶寬要求的長消息且比較易于建立鏈路，自適應信息交換會選擇電路交換；對鏈路建立時間很長的，自適應信息交換會選擇電路交換與報文交換互補的方式。
輸入：目的結點T、源結點S、數(shù)據(jù)信息M、網(wǎng)絡拓撲結構、各結點間鏈路建立的統(tǒng)計時間信息交換的延時
輸出：信息交換方法
算法開始：如果M短且有 要求延時短， 則輸出 報文交換 如果 T與S間的鏈路建立時間 ≤ 閾值， 則 輸出 電路交換 輸出 互補交換
算法結束
算法一信息交換機制的選擇算法
在算法一中，需要直到各結點之間路由鏈路的建立時間統(tǒng)計情況。這些統(tǒng)計情況是一些歷史信息，并且根據(jù)每次鏈路的建立情況進行修改。
3.3自適應信息交換機制
分別設置數(shù)據(jù)信息量的信息交換下閥值x1和上閥值x2；
分別設置數(shù)據(jù)信息量的信息交換下閥值y1和上閥值y2。
設置數(shù)據(jù)記憶長度N。
近期歷史記錄中采用電路交換的N個數(shù)據(jù)信息，記為n1i(i=1,2,…,N)，其信息量大小為s1i，完成信息交換的延時為t1i。
近期歷史記錄中提取采用電路交換的N個數(shù)據(jù)信息，記為n2j(j=1,2,…,N)，其信息量大小為s2j，完成信息交換的延時為t2j。
具體算法實現(xiàn)方式如下：
如果數(shù)據(jù)信息位于灰色區(qū)域，采用電路交換；
否則，
如果數(shù)據(jù)信息位于綠色區(qū)域，采用報文交換
否則，
如果可接受延時/數(shù)據(jù)信息量，采用報文交換
否則，采用電路交換
具體算法計算公式：(略)
4結束語
針對當今信息交換不能滿足集群中多種應用需求，本文研究提出了自適應交換的思想。在研究中提出了互補交換的思想，并給出了自適應交換選擇的算法。今后的工作需要將該思想進行工程實現(xiàn)和驗證。
