基于Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)的高效能計(jì)算機(jī)Torus結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)模式

摘 要： 近些年來(lái)，隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)更加注重高效性的應(yīng)用，并成為最終的追求目標(biāo)。對(duì)于計(jì)算機(jī)性能的影響因素而言，不僅與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)聯(lián)，同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸?shù)男视兄苯拥年P(guān)聯(lián)。在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部處理器的抽象分析中，結(jié)合主要的特性，做好參數(shù)的設(shè)置，建立模型，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性選擇。該文通過Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)建立Torus結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，在仿真結(jié)果中確定了Torus結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能的最優(yōu)模式。

關(guān)鍵詞： Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真； 高效計(jì)算機(jī)； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 網(wǎng)絡(luò)性能

中圖分類號(hào)： TN915.02?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）24?0076?03

Optimization model of Torus network performance based on

Opnet network simulation software

ZHANG Jiyan， ZHENG Hanyuan

（Longyan University College of Information engineering， Longyan 364012， China）

Abstract： With the rapid development of the economy， the application of high efficiency of the computer has been paid more attention， and has became the ultimate goal. The influence factors of computer performance have a direct correlation with the topology of the Internet and the efficiency of data transmission. In the abstract analysis of node internal processor， combining with the main characteristics， the setting of the parameters， and the establishment of the model， the effective choice of topology of the Internet is realize. In this paper， the model of Torus network topology is established by combining with Opnet network simulation software， and the optimal model of Torus network performance is determined by the simulation results.

Keywords： Opnet network simulation； efficient computer； topological structure； network performance

21世紀(jì)的今天，高效能計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了各行各業(yè)的蓬勃發(fā)展。同時(shí)高效能這種特殊技術(shù)，不僅僅受節(jié)點(diǎn)機(jī)這種特殊硬件體系結(jié)構(gòu)以及互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)影響，同時(shí)也受到節(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響。本文通過結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響分析過程中，構(gòu)建模型和仿真的形式，進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析。在仿真手段的應(yīng)用過程中，通過對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)情況的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行反映，在仿真軟件實(shí)現(xiàn)過程中，注重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理評(píng)價(jià)和分析，提出可靠性的定量依據(jù)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根本構(gòu)建。

1 基于Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)的高效能計(jì)算

機(jī)結(jié)構(gòu)分析

高效能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的最終目標(biāo)，其更加注重關(guān)鍵性技術(shù)上的根本創(chuàng)新。對(duì)高效能計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)而言，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，同時(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部也有著多種處理器。處理器結(jié)合Hyper transport總線實(shí)現(xiàn)的連接過程，構(gòu)成Mesh結(jié)構(gòu)，這種應(yīng)用注重緩存的一致性[1]。關(guān)于處理器的劃分而言，在對(duì)SMP進(jìn)行劃分的過程中，結(jié)合MCP68南橋芯片，并與InfiniBand適配器實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)連接[2]。

節(jié)點(diǎn)之間的連接，往往是InfiniBand總線實(shí)現(xiàn)連接的過程。數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)過程，主要星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，有著多種邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，注重邏輯結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根本選擇和分析[3]。物理拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的邏輯拓?fù)?，同樣也?duì)高性能計(jì)算機(jī)通信性能產(chǎn)生直接性的影響。

2 基于Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)的高效能計(jì)算

機(jī)Torus結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)模式的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)之間的節(jié)點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往有著諸多的選擇，在數(shù)據(jù)流實(shí)際傳輸中，節(jié)點(diǎn)中的loongson3A的CPU就要做好數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)創(chuàng)建，在結(jié)合X?Y路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的根本傳送；在對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的CPU的綜合分析中，應(yīng)注重適配器在網(wǎng)絡(luò)上的基礎(chǔ)性轉(zhuǎn)發(fā)和應(yīng)用[4]。而Switch在實(shí)際的轉(zhuǎn)發(fā)過程，注重InfiniBand適配器的基礎(chǔ)應(yīng)用。在實(shí)際的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，首先是CPU對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行創(chuàng)建，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行發(fā)送，并在X?Y路由協(xié)議的作用下，向邊緣CPU進(jìn)行發(fā)送，通過轉(zhuǎn)發(fā)接收的過程，并達(dá)到目的的CPU[5]。

在對(duì)同種類型節(jié)點(diǎn)功能的分析過程中，結(jié)合抽象性的模型應(yīng)用；在面對(duì)對(duì)象機(jī)制的基礎(chǔ)建模應(yīng)用過程，注重自己特有屬性的根本分析，實(shí)現(xiàn)各自不同性的根本保持?；诨ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)仿真的過程，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的建模，并在模擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，做好主干交換機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包的根本接收和分析[6]。在主干交換機(jī)的工作應(yīng)用過程，應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)包基礎(chǔ)目的的全面實(shí)現(xiàn)，并在相應(yīng)的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)換過程中，做好交換機(jī)的根本建模和仿真應(yīng)用。對(duì)于InfiniBand互聯(lián)網(wǎng)而言，對(duì)應(yīng)的模型主要是InfiniBand適配器節(jié)點(diǎn)模型。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)首先要做好處理器模型的應(yīng)用，數(shù)據(jù)包模塊的設(shè)置中，結(jié)合時(shí)間間隔，對(duì)不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行創(chuàng)建，而在實(shí)際發(fā)送過程中，做好模塊的基礎(chǔ)維護(hù)，并及時(shí)地檢查滑動(dòng)窗口內(nèi)的信息，在隊(duì)列模塊中實(shí)現(xiàn)正確包的及時(shí)發(fā)送[7]。關(guān)于X?Y路由協(xié)議方式的應(yīng)用，結(jié)合節(jié)點(diǎn)內(nèi)的一種路由表，按照正確的方法實(shí)現(xiàn)發(fā)送的過程，轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程的模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程的模型

模塊的入口狀態(tài)中，init為初始的狀態(tài)。初始化轉(zhuǎn)發(fā)模型的應(yīng)用中，通過對(duì)路由表進(jìn)行創(chuàng)建，并在模塊的根本轉(zhuǎn)發(fā)中，做好鄰節(jié)點(diǎn)地址的有效性保存。一旦初始化處于完成的狀態(tài)，就要向st_1狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并滿足PK_ARRVL轉(zhuǎn)移條件，在模塊轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)對(duì)包的時(shí)效性進(jìn)行判斷[8]。在對(duì)包的源IP地址記錄的過程中，結(jié)合包的標(biāo)識(shí)號(hào)，對(duì)標(biāo)識(shí)進(jìn)行重傳，并做好時(shí)間信息的及時(shí)創(chuàng)建。包的目的節(jié)點(diǎn)分析過程，結(jié)合窗口占用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)包的成功接收。

其次，對(duì)于InfiniBand適配器模型而言，主要是結(jié)合InfiniBand芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。在模塊和收信機(jī)模塊以及發(fā)信機(jī)模塊的組合應(yīng)用下，做好收信機(jī)各種包模塊的基礎(chǔ)應(yīng)用。在轉(zhuǎn)發(fā)模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的根本記錄過程中，結(jié)合IP地址，做好對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)端口號(hào)的實(shí)現(xiàn)。而葉交換機(jī)模型的應(yīng)用，往往是結(jié)合Fat?tree拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種InfiniBand的應(yīng)用，往往將兩層交換機(jī)相互連接的實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)發(fā)的進(jìn)程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)的進(jìn)程

對(duì)于進(jìn)程模型的入口而言，同樣是init狀態(tài)，路由表在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈表的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)過程，對(duì)本節(jié)點(diǎn)特定發(fā)送機(jī)的一種節(jié)點(diǎn)過程實(shí)現(xiàn)，而做好發(fā)送機(jī)對(duì)應(yīng)相關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)端口號(hào)的基礎(chǔ)應(yīng)用。初始化處于完畢的狀態(tài)，結(jié)合Init狀態(tài)將idle狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，在模塊等待包到達(dá)的實(shí)現(xiàn)過程，將PK_ARRVL轉(zhuǎn)移條件滿足，并做好下一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)應(yīng)用[9]。

最后，主干機(jī)交換模型的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)，同樣也是收信機(jī)和發(fā)信機(jī)模型的應(yīng)用，在主干交換機(jī)相連接的過程，結(jié)合IP地址的查詢和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)，并做好數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)模型的基礎(chǔ)應(yīng)用，對(duì)空間狀態(tài)進(jìn)行有效性的恢復(fù)。一般而言，高性能計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型有著多種類型，對(duì)于Torus的一種網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了更好的表現(xiàn)出Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，對(duì)Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，如圖4所示。

圖4 Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其通信系統(tǒng)同樣也有著不同的功能影響，在適配器模型互連結(jié)構(gòu)過程應(yīng)用中，更加注重多種模式的綜合應(yīng)用。

3 結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)性能的定量分析過程，往往是結(jié)合相對(duì)合適的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，而基于評(píng)價(jià)信息網(wǎng)絡(luò)性能的特點(diǎn)，注重網(wǎng)絡(luò)吞吐量的根本分析，在以包傳輸?shù)膽?yīng)用過程，聯(lián)系計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的特征，結(jié)合靜態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率以及鏈路吞吐率進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)包的傳輸特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)之間有著較短的距離，將會(huì)產(chǎn)生較低的傳輸延時(shí)。在網(wǎng)絡(luò)直徑的分析過程，相對(duì)而言，Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)直徑為[2[162]]，對(duì)剖寬度為[216]。而 Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)直徑為[2[16-1]]，對(duì)剖寬度為[16]。相對(duì)而言Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有著較大的優(yōu)勢(shì)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，同樣對(duì)于包的延時(shí)有著較大的影響。一般而言，延時(shí)較大，將會(huì)有著較慢的網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)速度，同時(shí)用戶等待時(shí)間也就越長(zhǎng)，以至于計(jì)算機(jī)的性能相對(duì)較差，實(shí)際的應(yīng)用性也是處于較差的狀態(tài)。對(duì)于Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，端對(duì)端的一種平均延時(shí)時(shí)間是0.004 s，而對(duì)于Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包的端對(duì)端平均延時(shí)值是0.003 s。相對(duì)而言，Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢(shì)。

在收包率的分析過程中，Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。綜上所述，對(duì)于互連網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)的傳輸而言，Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅僅可以將網(wǎng)絡(luò)擁塞程度降低，同時(shí)也能將計(jì)算機(jī)高效性充分體現(xiàn)。由仿真結(jié)果的分析可知，結(jié)合Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于高效能計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)有著更好的應(yīng)用前景。

圖5 Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（發(fā)送包個(gè)數(shù)/s）

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過使用Opnet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，在高效能計(jì)算機(jī)建模過程中，結(jié)合高效能計(jì)算機(jī)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的一種物理拓?fù)?，并在多種邏輯拓?fù)鋯栴}分析中，建立Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，對(duì)比仿真結(jié)果，得出Torus拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能及節(jié)點(diǎn)間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性表達(dá)。

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