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Redes de Interconexão - Profa Luiza Mourelle 1 1

Introdução

Redes de interconexão são utilizadas em diferentes aplicações:

•  barramentos backplane e redes de sistemas;

•  chaves de telefonia;

•  redes internas para modo de transferência assíncrona (ATM) e protocolo de internet (IP);

•  interconexão processador/memória;

•  agrupamento de workstations e computadores pessoais;

•  redes de computadores;

•  redes industriais.

Redes de Interconexão - Profa Luiza Mourelle 2

Introdução

As características e custos das redes de interconexão dependem da aplicação, não havendo uma solução geral.

A falta de padrões e a necessidade de alto desempenho e confiabilidade tem forçado o desenvolvimento das redes de interconexão para multicomputadores e para multiprocessadores com memória compartilhada distribuída.

Com isto, surgiu a necessidade de estabelecer os conceitos básicos, as alternativas e compromissos de projeto.


Multiprocessamento

Multiprocessadores com memória distribuída (multicomputador)

•  Conjunto de processadores, cada qual com sua memória local;

•  Processadores se comunicam por troca de mensagens, via rede de interconexão;

•  Programador cuida da distribuição do código e dos dados dentre os processadores, através de chamadas a troca de mensagens, sempre que dados são requeridos por outros processadores.


Multiprocessamento

rede de interconexão

P P P

M M M

. . .

. . .


Multiprocessamento

Multiprocessadores com memória compartilhada

•  Espaço de endereçamento único para todos os processadores;

•  Troca de dados entre processadores via memória compartilhada;

•  Acesso uniforme à memória (Uniforme Memory Access - UMA);

•  Não é escalável porque o tempo de acesso à memória inclui a latência da rede de interconexão, que aumenta com o aumento do sistema.


Multiprocessamento

P P P

M M M

. . .

. . .

rede de interconexão


Multiprocessamento

Multiprocessadores com memória compartilhada distribuída

•  Memória fisicamente distribuída entre os processadores

•  Acessos à memória remota feitos via rede de interconexão

•  Troca de mensagens feita através de acessos à memória ao invés de chamadas ao sistema

•  Cada processador tem vários níveis de cache (Non-Uniform Memory Access – NUMA)

•  Principal problema é manter a coerência da cache


Multiprocessamento

Alguns fatores que podem determinar a escolha de uma rede de interconexão:

•  Requisitos de desempenho

•  latência: tempo entre o momento em que uma mensagem é gerada no nó origem e o momento em que a mensagem é entregue no nó destino

•  throughput: quantidade máxima de informação entregue pela rede por unidade de tempo


Multiprocessamento

•  Escalabilidade

•  a taxa de transmissão da memória, da entrada e saída, e da rede aumenta proporcionalmente à quantidade de processadores adicionados

•  Expansão incremental

•  adição de nós, sem desperdício de recursos

•  Particionabilidade

•  particionamento em subsistemas menores, em que o tráfico produzido por uma aplicação não afete o desempenho de outras


Multiprocessamento

•  Simplicidade

•  projetos simples normalmente levam a frequências de clock mais altas e podem alcançar maior desempenho

•  usuários apreciam redes que são fáceis de entender, uma vez que é mais fácil tirar proveito do seu desempenho

•  Restrições de custo

•  custo nem sempre é diretamente proporcional ao desempenho

•  o uso de componentes disponíveis no mercado pode reduzir o custo total do projeto


Multiprocessamento

Classificação:

•  modo de operação : síncrono ou assíncrono

•  controle: centralizado, descentralizado, distribuído

•  topologia: meio compartilhado, diretas, indiretas, híbridas


Multiprocessamento

Meio compartilhado: meio de comunicação é compartilhado por todos os dispositivos.

Diretas: comunicação se faz através de ligações ponto-a-ponto, sendo necessário utilizar componentes intermediários para dispositivos não vizinhos.

Indiretas: comunicação se faz através de uma ou mais chaves, sendo, neste último caso, utilizada ligação ponto-a-ponto.

Híbridas: combinação das anteriores.


Rede de Meio Compartilhado

Somente um dispositivo de cada vez tem permissão de uso da rede.

Circuitos para manipular a passagem de endereços e dados, sendo a rede normalmente passiva, isto é, não gera mensagens.

Conflitos de acesso: arbitragem determina o mestre da rede.

Habilidade de suportar transmissão global (broadcast): importante quando as aplicações requerem serviços de comunicação um-para-todos ou um-para-muitos.


Rede de Meio Compartilhado

Taxa de transmissão é limitada: só pode suportar um número limitado de dispositivos, antes que o meio de comunicação se torne o gargalo.

Duas classes:

•  rede local (LAN): computadores distantes entre si não mais do que alguns quilômetros

•  backplane: comunicações internas entre uniprocessadores e multiprocessadores


Redes de Meio Compartilhado

Rede local: utilizada para interconectar computadores, a fim de oferecer um ambiente computacional integrado, paralelo e distribuído, com topologia em barramento ou anel.

LAN baseada em controle distribuído:

•  contenção de barramento

•  barramento com token

•  anel com token



Contenção de barramento: todos os dispositivos competem pelo uso do barramento, monitorando o estado do mesmo (disponível, ocupado, colisão).

Barramento com token: o dispositivo com o token tem acesso ao barramento e, ao terminar a transmissão, o token é passado ao próximo dispositivo, com base em uma política de alocação.

Anel com token: o mesmo que barramento com token, exceto pela formação de um anel.


barramento com token

anel com token




Barramento backplane: interconnecta processadores e módulos de memória em uma arquitetura UMA (Uniform Memory Access).

Controles de requisição e concessão, além de endereço e dado.

Quantidade de processadores:

•  velocidade do processador

•  taxa de transmissão do barramento

•  arquitetura da cache

•  comportamento do programa



Transferência multiplexada: dados e endereço compartilham linhas de comunicação.

Barramento síncrono:

•  clock comum

•  lógica de controle mais simples

•  dificuldade na utilização de processadores mais rápidos


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Barramento assíncrono:

•  não utiliza um clock comum

•  dispositivos podem ter velocidades diferentes e ter seus próprios clocks

•  protocolo de handshake para sincronizar



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Árbitro:

•  entidade que controla o acesso ao barramento

•  cada processador implementa a lógica de requisição

Ao ganhar o controle, o requisitante avisa ao mestre atual, que libera o barramento de duas formas:

•  quando a transferência de dados termina

•  quando outro processador requisita o barramento



Arbitragem centralizada: processador envia a requisição e o árbitro envia a concessão.

Arbitragem distribuída: o sinal de requisição é encadeado e a liberação do barramento acontece quando a transferência de dados se completa.

Protocolo de transação dividida: o processador libera o barramento logo após a requisição e o dispositivo deve, então, obter o barramento quando estiver pronto para completar a operação; melhor utilização do barramento.



Protocolo de transação dividida:

•  controle mais complicado;

•  necessidade de armazenamento de mensagens, antes que o dispositivo consiga o controle do barramento;

•  em operações do tipo leitura/escrita na memória, utilizadas na comunicação por variáveis compartilhadas, o barramento não poderá ser liberado enquanto a operação não se completar.


Redes Diretas

Redes diretas ou ponto-a-ponto tem ótima escalabilidade, permitindo um grande número de processadores.

Consistem de um conjunto de nós, cada um diretamente conectado a um subconjunto de outros nós.

Cada nó tem seu próprio processador, memória local e outros dispositivos, podendo apresentar diferentes funcionalidades.


Redes Diretas

processador memória local dispositivo

roteador . . . . . . canais de entrada canais de saída


Redes Diretas

O roteador trata da troca de mensagens entre nós.

Roteadores dedicados permitem superposição de computação e comunicação.

O aumento dos nós leva ao aumento da taxa de transmissão da comunicação e da memória, assim como da capacidade de processamento.

Nós vizinhos ou adjacentes: dois nós diretamente conectados.

Cada nó deve ser capaz de alcançar qualquer outro nó da rede.


Redes Diretas

4 cubo 2-ario (hipercubo) malha 3-D 3-ario

2 cubo 3-ario


Redes Diretas

Árvore binária desbalanceada

Árvore binária balanceada


Redes Diretas

Caracterizada por três fatores:

•  topologia: define como os nós são interconectados; influi no custo e desempenho

•  roteamento: define o caminho do pacote para alcançar o destino (se todos os canais estiverem ocupados, o pacote é bloqueado)

•  chaveamento:

•  por circuito: todos os canais requeridos por uma mensagem são reservados antes do início da transmissão

•  por pacote: um pacote é transmitido pelo canal assim que este é reservado, mas o próximo canal não, até que o pacote libere o canal atual


Redes Diretas

Armazenamento temporário do pacote é necessário até que o próximo canal esteja reservado.

Quando não há mais espaço para armazenamento, o mecanismo de controle de fluxo para a transmissão.


Redes Indiretas

Ao invés de estabelecer uma conexão direta entre os nós, a comunicação entre dois nós quaisquer é realizada através de chaves.

Cada nó tem um adaptador de rede que se conecta a uma chave da rede. Cada chave pode ter um conjunto de portas, cada uma consistindo de uma entrada e uma saída.

Um conjunto de portas de cada chave está conectado a processadores ou deixado aberto, enquanto as portas restantes estão conectadas a portas de outras chaves a fim de prover conectividade entre processadores.


Redes Indiretas

Crossbar é uma rede de chaves com N entradas e M saídas, que permite até min{N,M} interconexões um-para-um sem contenção.

N entradas

M saídas

Crossbar com NxM chaves

ponto de chaveamento


Redes Indiretas

Custo muito alto para redes grandes, em função dos pinos e fios para conexão, sendo mais utilizada em sistemas multiprocessados de memória compartilhada de pequena escala.

Permite que qualquer processador se conecte a qualquer outro processador ou memória de tal forma que muitos processadores possam se comunicar simultaneamente sem contenção.

Contenção pode ocorrer quando dois ou mais processadores requerem o mesmo módulo de memória. Nesse caso, arbitragem é necessária para decidir será atendido.

O esquema de arbitragem pode ser mais simples que no caso de barramento, uma vez que conflitos são excessão.


Redes Indiretas

Redes multiestágio (MINs) conectam dispositivos de entrada a dispositivos de saída através de vários estágios de chaveamento, em que cada estágio é uma rede crossbar.

O número de estágios e o padrão de conexão entre estágios determinam a capacidade de roteamento das redes.

MINs são boas para construir computadores paralelos com centenas de processadores.


Redes Indiretas

Rede Benes 8x8


Redes Indiretas

Quando as chaves têm o mesmo número de portas de entrada e saída, as MINs também têm o mesmo número de portas de entrada e saída.

Como há uma correspondência um-para-um entre entradas e saídas, as conexões entre estágios também são chamadas permutações.

Considerando a rede constituída por chaves k x k, então há N = kn entradas e saídas, onde n é um inteiro. No entanto, algumas dessas permutações estão definidas somente quando N é uma potência de 2.

Para N = kn portas, considere X = xn-1 xn-2 xn-3 ... x0 como o número de uma porta arbitrária, 0 ≤ X ≤ N-1, onde 0 ≤ xi ≤ k-1, 0 ≤ i ≤ n-1.


0(000) 1(001) 2(010) 3(011) 4(100) 5(101) 6(110) 7(111)

0(000) 1(001) 2(010) 3(011) 4(100) 5(101) 6(110) 7(111)

0(000) 1(001) 2(010) 3(011) 4(100) 5(101) 6(110) 7(111)

(a) (b) (c)

Redes Indiretas

Em (a) temos a mistura perfeita, em (b) a mistura perfeita inversa e em (c) a reversão de bit para permutações com N = 8.


Redes Indiretas

Dependendo da disponibilidade de caminhos para estabelecer uma nova conexão, MINs são divididas em três classes:

•  bloqueante: uma conexão entre um par entrada/saída não é sempre possível por causa de conflitos com conexões existente; normalmente, há um único caminho, minimizando o número de chaves e estágios; é possível prover múltiplos caminhos a fim de reduzir conflitos e aumentar a tolerância a falhas; essas redes bloqueantes também são chamadas de multicaminhos;

•  não-bloqueante: qualquer porta de entrada pode ser conectada a qualquer porta de saída sem afetar conexões existentes; tem a mesma funcionalidade que as crossbar, mas são mais baratas do que estas; requerem múltiplos caminhos, o que leva a estágios extras;


Redes Indiretas

•  rearranjável: qualquer porta de entrada por ser conectada a qualquer porta de saída, mas as conexões existentes podem requerer rearranjamento dos caminhos; requerem múltiplos caminhos, mas o número de caminhos e o custo é menor do que nas não-bloqueantes.

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