logo
AOM / Мельник А

12.9.1. Типи комунікаційних мереж

В основі архітектури будь-якої багатопроцесорної комп'ютерної системи лежить здатність до обміну даними між її компонентами. Це забезпечується комунікаційною мережею (КММ), яка з'єднує між собою вузли комп'ютерної системи за допомогою ка­налів передачі даних (каналів зв'язку). В ролі вузлів можуть виступати процесори, мо­дулі пам'яті, пристрої введення-виведення, комутатори або декілька перерахованих елементів, об'єднаних у функціональний пристрій. Організація внутрішніх комунікацій комп'ютерної системи називається топологією.

Топологію комунікаційної мережі визначає множина вузлів, які об'єднані множи­ною каналів. Зв'язок між вузлами зазвичай реалізується по двоточковій схемі (point-to-point). Будь-які два вузли, зв'язані каналом зв'язку, називають суміжними вузлами або сусідами. Кожен канал з'єднує один вузол-джерело з одним вузлом-приймачем. Канал характеризується кількістю сигнальних ліній, частотою або швидкістю передачі бітів по кожній сигнальній лінії, затримкою - часом пересилання біта з одного вузла до іншого. Для більшості каналів затримка знаходиться в прямій залежності від фізичної довжини лінії зв'язку та швидкості, розповсюдження сигналу.

Вузол у мережі може бути термінальним, тобто джерелом або приймачем даних, ко­мутатором, що пересилає інформацію з вхідного порту на вихідний, або суміщати оби­дві ролі. У мережах із прямими зв'язками кожен вузол одночасно є як термінальним вузлом, так і комутатором, і повідомлення пересилаються між термінальними вузлами безпосередньо. У мережах з непрямими зв'язками вузол може бути або термінальним, або комутатором, але не одночасно, тому повідомлення передаються опосередковано, за допомогою виділених комутуючих вузлів. Існують також такі топології, які не можна однозначно зарахувати ні до прямих, ні до непрямих. Будь-яку пряму КММ можна зо­бразити у вигляді непрямої, розділивши кожен вузол на двотермінальний вузол і ву­зол комутації. Сучасні прямі мережі реалізуються саме таким чином - комутатор від-

446

діляється від термінального вузла і поміщається у виділений маршрутизатор. Основна перевага прямих КММ полягає в тому, що комутатор може використовувати ресурси термінальної частини свого вузла. Це стає істотним, якщо врахувати, що, як правило, останній включає комп'ютер або процесор.

Комунікаційні мережі багатопроцесорних систем можуть бути поділені на наступні групи:

З'єднання в статичній мережі є фіксованими, тоді як в динамічній мережі вони мо­жуть змінюватися в процесі роботи мережі за допомогою програмних засобів. При цьому статичні комунікаційні мережі в свою чергу ділять на одно-, двовимірні та гіперкубічні.

Динамічні комунікаційні мережі ділять на шинні (одно та багатошинні) та комутую­чі (одноярусні, багатоярусні та координатні), як це показано на рис. 12.23.

Дві можливі стратегії операцій взаємодії в мережі - це синхронна й асинхронна. У синхронних КММ всі дії жорстко узгоджені в часі, що забезпечується за рахунок єди­ного генератора тактових імпульсів (ГТІ), сигнали якого одночасно транслюються у всі вузли. В асинхронних мережах єдиного генератора немає, а функції синхронізації роз­поділені по всій системі, причому в різних частинах мережі часто використовуються ло­кальні ГТІ.

Залежно від вибраної стратегії комутації розрізняють мережі з комутацією з'єднань і мережі з комутацією пакетів. Як у першому, так і в другому варіанті інформація переси­лається у вигляді пакету. Пакет є групою бітів, для позначення якої застосовують також термін повідомлення.

У мережах з комутацією з'єднань шляхом відповідного встановлення комутуючих елементів мережі формується канал від вузла-джерела до вузла-приймача, що зберіга-

447

ється, поки весь пакет не досягне пункту призначення. Пересилання повідомлень між певною парою вузлів проводиться завжди поодинці і за тим же маршрутом.

В мережі з комутацією пакетів приймається, що повідомлення самостійно знаходить свій шлях до місця призначення. На відміну від мереж із комутацією з'єднань, маршрут від початкового пункту до пункту призначення кожного разу може бути іншим. Пакет послідовно проходить через вузли мережі. Черговий вузол запам'ятовує прийнятий па­кет у своєму буфері тимчасового зберігання, аналізує його і робить висновки, що з ним робити далі. Залежно від завантаженості мережі ухвалюється рішення про можливість негайного пересилання пакету до наступного вузла і про подальший маршрут прохо­дження пакету на шляху до пункту призначення. Якщо всі можливі канали для пере­міщення пакету до чергового вузла зайняті, в буфері вузла формується черга пакетів, яка "розсмоктується" у міру звільнення ліній зв'язку між вузлами (якщо черга також на­сичується, то відповідно до однієї із стратегій маршрутизації може відбутися так зване "скидання хвоста", тобто відмова від пакетів, що знову поступають).

КММ можна також класифікувати по тому, як в них організоване керування. У де­яких мережах, особливо з комутацією з'єднань, прийняте централізоване керування (рис. 12.24).

Процесори посилають запит на обслуговування в контролер комунікаційної мережі, який проводить арбітраж запитів із врахуванням заданих пріоритетів, і встановлює по­трібний маршрут. До даного типу слід віднести мережі з шинною топологією. Процесор­ні матриці також будуються як мережі з централізованим керуванням, яке здійснюється сигналами від центрального процесора. Приведена схема застосовна і до мереж з ко­мутацією пакетів. Тут тег маршрутизації, що зберігається в заголовку пакету, визначає адресу вузла призначення. Більшість серійних комп'ютерних систем має саме цей тип керування.

У схемах із децентралізованим керуванням функції керування розподілені по вузлах мережі. Варіант із централізованим керуванням простіше реалізується, але розширення мережі в цьому випадку пов'язане із значними труднощами. Децентралізовані мережі

448

в плані підключення додаткових вузлів є значно гнучкішими, проте взаємодія вузлів у таких мережах є істотно складнішою.

У ряді мереж зв'язок між вузлами забезпечується за допомогою деякої множини ко­мутаторів, але існують також мережі з одним комутатором. Наявність великого числа комутаторів веде до збільшення часу передачі повідомлення, але дозволяє використову­вати прості комутуючі елементи. Подібні мережі зазвичай будують як багатоярусні.