试析高性能计算机互联网路由器的设计

杨利

摘 要：对于并行多处理机系统而言，高速系统互联网络是其重要的组成部分之一。对于系统互联网络来而言，路由器又是其核心设备。这种设备会对互联网的宽带及相应的延迟造成影响，因此，路由器对并行多处理机系统的相关处理能力及效率有极其重要的意义，且对系统工作的稳定性有较大的影响。所以，对于高性能计算机互联网路由器的设计已经成为了比较热门的研究方向。

关键词：高性能计算机；互联网路由器；逻辑结构；NRC端口

中图分类号：TP393.05 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.092

对于能象征国家经济、科技、文化等综合能力的高性能计算机已经成为了国家开发战略中的制高点，高性能计算机对我国国民经济的发展具有非比寻常的意义。在20世纪80年代，计算机进入了高速发展的时期，其处理器更新频繁，但工业控制、科学计算领域对高性能计算机的要求越来越高。工业控制主要应用计算机辅助系统、计算机辅助制造和计算机的辅助设计，而科学计算领域主要指洋流分析、气候演变模拟在内的物理现象建模分析等。

1 路由器的基本结构和功能

1.1 相关的逻辑结构及功能

在本设计中，进行的是6端口互联芯片的设计。由于在NRC中的端口数量不仅具有良好的功能和结构，还具有其他很多优点。一般而言，NRC端口在功能、结构上均具有比较高的模块性。NRC端口的结构如图1所示。

以下具体介绍NRC端口结构中的模块：①SSD模块的数据主要是从NRC芯片中传输过来的，且还要通过这个端口发送数据。②SSR模块。该模块的数据主要来自于数据链路，且能将数据上传，通过LLP模块进行解释处理。③LLP。该模块主要是对上述2个模块及相关的芯片物理链路提供数据服务的，可实现芯片之间进行无错传输。为了达到这一目的，LLP模块还具有对错误进行检查的功能以及对错误进行纠正的功能。④Router Sender发送模块。该模块的主要数据在NRC核中接收，可对相关的虚拟通道进行管理，还可以根据指令将相关的数据向外发转发至相关的数据发送模块和路由器模块。⑤Rtag Handler路由场处理模块。在设计中，该模块采用源路由机制，可将接收到的信息中的路由场信息交由路由场信息处理器进行数据处理，从而完成对相关网络系统中路由消息的管控。

1.2 微包通讯

所谓“微包”，是指互联网中进行相关数据传送的最基本的逻辑单位，在重传控制、信约管理等方面都是以微包作为最基本的单位进行相关数据的传送的。相比传统的用报文作为最小单位的设计形式看，这种设计方法可有效提高互联网的整体性能。

2 可靠度较高的传输协议

在对路由芯片进行设计时，最常见的是通过链路的管理及自恢复功能来实现链路的即插即用，并通过在滑动窗口协议之上建立的重传机制来实现链路的信息纠错功能。

2.1 关于链路的管理和自恢复功能

在设计相关的路由器时，应注意实现链路的自恢复功能。这一点对于并行处理系统而言是其发挥功能的重要保证。此外，在处理器的工作过程中如果出现工作异常，则应考虑将损失降至最小。可能发生的异常状况包括子系统出错、异常断电等。一般情况下，系统在工作过程中发生异常时必须停机，只有在异常消失或故障排除后才能继续运行，但各种任务会从头开始。由此可见，发生异常状况无疑会极大地减弱系统功能。如果可以实现一定时间内的链路自恢复，则能提高系统的处理性能。

2.2 在滑动窗口协议基础上的重传技术

数据链路最理想的工作状态为接收方一侧的数据接收速度不低于发送方一侧的发送速度。在这种情况下，在数据链路上的数据不会发生传输差错，易满足链路协议的设计要求，可保证在发送方一侧不间断传送数据的同时，确保接收一侧能顺利地将数据传送至上层。但在实际中，各种干扰是会始终存在的。这种重传技术的设计思路是在发送方所发送的数据上附加一定的冗余检错码，这样在接收方一侧可根据相关的冗余检错码进行数据检测。如果发生错误，则应对请求重发的应答反应。如果在发送方一侧接收到相关的重发请求，则应对相关数据帧进行重新传送。这种方法一般被称为在自动重发请求法。

3 高性能路由器的设计

以下主要对进一步的提高路由器的性能的方法进行分析，比如采用高效的自适应算法能高效利用网络链路资源和缩短网络时间延迟等，增加通信并行度时可采用高效的组播通讯算法等。

3.1 流程的控制研究

如果网络中多个数据流可以共享网路资源，且不发生丢失现象，则需要流程控制策略等的帮助。其中，可能涉及的一些问题主要为数据接收方对数据的处理速度低于发送方的信息发送速度，进而导致数据丢失。但是具体的传送速度也不能过慢。如果传送速度过慢，则造成数据传输通道的浪费。对于以上的这些情况，应采取的措施为在数据传送的过程中接收方可以向传送方发送信号，要求传送方暂停数据的传送，这就是流量控制策略。在互联网技术中的流量控制策略主要包括以下的几种。

3.2 对于自适应路由算法的研究

路由算法的建立就是对每篇报文以及消息将要执行的路径，互联网中的路由算法很大程度上决定了互联网的一些特性，具体如表1所示。

路由算法可分为自适应路由和确定性路由两种，确定性路由就是指具有同一对源以及目标节点的所有数据都是按照同一个数据路线进行传递的。这样可避免死锁情况的发生，且易于操作。

近年来，关于自适用路由的研究文章越来越多，自适应路由主要是用来解决网络数据传输中的容错和阻塞问题。这种传输的基本思路就是根据网络状态选择源节点与目标节点之间数据传输的路径，从而提高数据传输的效率及工作适应性。

4 结束语

路由器的相关研究设计对高速互联网的发展有十分重要的意义。本文的主要研究对象为高性能路由器的设计，通过对链路自恢复功能和重传协议的探究，提出了相关的高性能路由器的设计方案。为了在原有基础上进一步提高路由器的性能，还对路由器的其他性质进行了探究，包括自适应路由算法和流量控制策略。

参考文献

[1]吴建平，刘莹，吴茜.新一代互联网体系结构理论研究进展[J].中国科学（信息科学），2008（10）.

[2]谢高岗，张玉军，李振宇.未来互联网体系结构研究综述[J].计算机学报，2012（06）.

〔编辑：张思楠〕