Luận văn nghiên cứu mô phỏng và tính giá thành cho tôpô mạng liên kết trong siêu máy tính sử dụng công cụ simgrid

Tuy thuộc vào số lương các tuết bị được kết nổi và khoảng cách giữa các thiết bị, mạng liên kết được chữa ra làm bồn lĩnh vực từng dụng chính: 2t - On-chip nehsorks OCMs hay còn được nh

_BO GIAO DUC VA DAO TAO |

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACII KIIOA HÀ NOL

Trân Trung IHễu

NGHIÊN CỨU MÔ PHÒNG VÀ TÍNH GIÁ THÀNH

CHO TÔ-PÔ MẠNG LIÊN KÉT TRONG SIÊU MÁY TÍNIT

SU DUNG CONG CU SIMGRID

Chuyén nganh: Céng nghé théng tin

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CONG NGHE THONG TIN

NGƯỜI HƯỚNG [ẤN KHOA HỌC

1 T§ Phan Thanh Liêm

2 PGS TS Nguyén Khanh Văn

Hả Nội — 2015

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về mạng liên kết (Interconnection Network)

1.1.1 Khải niệm, ứng dụng của mạng liên kết

1.1.3 Các thành phân cơ bán trong mạng liên kết

1.2 Tổng quan về câu hình mạng, - ccoccocccccnrccerrreirierrree

1.3 Tổng quan về giải thuật định tuyến trên mạng

1.4 Tổng quan về diễu khiển luỗng, 5

1.5 Hiệu năng của mạng liên kết

1.5.1 Thông lượng (IhrougbptÙ) ào

3.2 Đánh giá hiệu năng mạng liên kết bằng lý thuyết dỗ thĩ

2.2.1 Đánh giá thông lượng lý Lưỡng bằng lý thuyết đô thủ

2.2.2 Đánh giá đô trể bằng lý thuyết để thị

2.2.3 Đánh giá khả năng chịu lỗi bằng lý thuyết đã thị

2.3 Panh giá hiệu năng mạng Hiên kết bằng công cụ mô phỏng

2.3.1 Phương pháp dánh giá hiệu năng bằng công cụ mô phỏng 37

3.4 Đánh giá hiệu năng của ủng dụng -.- "—-

2.4.1 Phương pháp dánh giá à seeerirereeeaeeioou3Ể 2.4.3 Công cụ mô phống, so enserererrrrreerero,4]

3.1 Giới thiệu sơ lược về các ông cụ mô phông mạng 43

3.2.1 Hệ thống, mỗ hình và mô phông, - 46

3.2.2 Các bước trong mô phêng một hệ thông - - 49

3.3 Công cụ mông phỏng Simgrid - - 51

3.3.2 Cầu hình căn ban cho các ứng địmg Simgrid 32

4.3.1 So sánh kết quả thực thi trên môi trường thực và giả lập Simgrid 73 4.3.2 So sánh thời gian tỉnh toản, thời gian giả lập khi số tiền trinh chạy song

4.3.3 So sánh thời gian tỉnh toán, thời gian giả lập khi kích thước ma trận khác

4.3.4 So sánh thời gian tính toán, thời gian giả lập khu sử đụng các loại

EET LUẬN

TẢI LIỆU THAM KHẢO ánh tH gen de

LOT CAM DOAN

Trude Hiên tốt xin chan thank gin ken cam ơn và lòng biệt ơn sâu sắc loi TS

Phan Thanh Liêm, PGS TS Nguyên Khanh Văn Viện Công nghệ Thông thì Truyền thông, người đã tận tỉnh hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình hoàn thiên luận văn Đảng thời tôi cũng xin bảy tỏ lòng biết ơn các thấy cỗ giáo trong, Viện Công nghệ Thông tin Truyền thông nói riêng và Đại học Bách Khoa Hả Nội

nói chưng đã chỉ dạy, cung cắp những kiên thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình

hoc lập và nghiên cứu lại lrường,

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc lới đình, bạn bè, những người luôn quan tâm vả giúp dỡ tôi trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

Tỏi cam doan dây là công trình nghiên cửu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả rong luận văn là trang thực và chưa từng được ai công bố trong bắt kỷ công trinh nào khác,

DANH MUC CAC KY HIEU, CAC CHU VIET TAT

1 |Intereonneetion Mạng liên kết, mạng kết nỗi

network

2 | OCNs On-chip nielworks

3 | SANs System/storage area networks

4 | DSN Distributed Shortcut Networks

5 | Logarithmic diameter Tính chất của một mạng mạng liên kết có đường

kinh tính bằng hàm logarit của số mút wang

6 | Throughput Théng lượng,

8 |LSDC Large- Scale Distributed Computing

10 | SMPI Simulated Message Passing Interface

11 | DAG Tiirect Acyclic Graph

12 | XBT Extensible Bench of Tools

13° | HPC High-performance computing,

14 | Por Peer to peer

Hình 12: Mô hình mạng liên kết bằng đồ thị có trọng số - 35

Tình 13: Mô hình hoạt động của SunGird 4 Tình 14: 8o sánh về thông lượng với công cụ GTNetS, SSFNel, NS2 45 Hình 15: So sánh thời gian thực thi với công cụ GTKetS (nguồn [111]) 46 Hình 16: Một mạng, minh họa đơn giản - 54

Tinh 19: Kết quả so sánh khi chạy ứng dụng mô phỏng bằng MSG sử đụng các

Tình 20: Chạy SMPT ở chế độ lưu vết và xem hình ảnh kết quả sử đụng ứng dựng

tiện ích Vite hoặc VIR ch Hhrrerererriee ¬ OO

Hình 21: Sự khác nhau giữa MEI và SMPI ở môi trường giá lập seasesoeoÔỐ

Hình 22; Hoạt động diễn ra bên trong Simgrid sau khi được khởi tao Một luồng

được tạo ra bởi SLMIX ứng với mỗi tiên trình của người dùng Một mô hình giả lập

các tài nguyên, nền tông được tạo ra bởi lõi giã lập Suf - - 67 Hình 23: Luỗng công viêo giả lập bên trong Singrid Surf thực hiện ước đoán thời

gian cho các hoạt dộng và trả lại thông tin dầu ra sessseeesiseesiiiseen OT

Hinh 24: Minh hoa mgt Server røoIm coi we teseeessens sence rere e OS

MO DAU

Trong những năm gần đây, việc sử đụng các siêu máy tính, các trung tâm dữ

liệu hiện đại là nhu cẩu thiết yếu ở nhiều nước trên thể giới để xứ lý va hau tet dik

liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, ứng dụng và kinh doanh Tại Việt

Nam, dã xuất hiện ngày cảng nhiễu các trane tâm dữ liệu hiện dại ở các trưởng dại

học như đại học Bách Khoa Hà Nội, đại học Quốc Gia, các doanh nghiệp như FPT telecom, VNPT, Vietel, VC Corp Trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, nhiều

nghiên cứu trong vả ngoài nước về mạng liên kết là kết quá của mồ phỏng, Diễu đỏ

nói lên tâm quan trọng và mức độ ứng dung rộng rãi của mồ phỏng trong nghiên

cứu về mạng liên kết Mõ phỏng cho phép đánh giá được hiệu năng của một hệ

thống mạng với các điều kiện, cấu hình khác nhau trong trường hợp các phương pháp đánh giá trực tiếp trên các hệ thẳng thật hoặc qua phân tích tính toán bằng toán

Tiọc không khả thị

Hiện nay, trong các công cụ mô phông mạng liên kết, Simgrid nỗi lên nhự xmột công cụ có khá năng mô phỏng mạnh mẽ, chính xác, linh hoạt vả hiệu năng cao Singrid có khả năng mô phông cho các hệ thống tỉnh toán phần tán lớn, trong

dé bao gồm nhiều loại như hệ thống tính toán song sọng tính toán lưới (Grid), tỉnh:

toán đám mây (Clond), tình toán hiệu năng cao (PC), mạng khách chi, mang ngang hàng (P2P) Simgrid cũng có thể sử dụng cho các ứng đựng lập trinh song

song truyền thông điệp MPI Chính nhờ 8imgrid có khả năng đáp ứng nhiều tiêu chỉ của các công đồng tính toán phân tan khác nhau, nén Simgrid 44 trở lên vượt trội so với các công cụ được xây đựng với một đặc thủ hệ thẳng nhật định, Simprid có thế

coi như một thước do chung dễ sơ sảnh, dánh giá giữa các hệ thông, ứng dụng phân

tan

Tại Việt Nam, việc các nghiên cứu sử dụng Simgrid chua thục sự nhiền, hơn

nữa khi thiết lập một mạng liên kết, việc ước doan, Linh gia than cho 16-pd mang 1a

một khâu khá quan trọng vì những lý do trên nên tôi dã chọn để tài “Nghiên cứu mô

phỏng và tính giá thành cho tổ-pô mạng liên kết trong siêu máy tỉnh sử dụng công

cu Simgrid”.

CHUONG 1: CO SO LY THUYET

1.1 Tổng quan về mạng liên kết (Interconnection Network)

1.1.1 Khái niệm, ứng dụng của mạng liên kết

Mạng liên kết (Intereonneetion Nehwork) được hiều một cách tổng quát là một hệ thống có thẻ lập trình được vận chuyên dữ liệu giữa các thiết bị đầu cuối [1] Hình 1 mô tả mạng liên kết ở mức cao Trong đó, các thiết bị đầu cuối (kí hiệu từ TB1 dén TB5) kết nỗi với mạng liên kết thông qua các kết nỏi Các mũi tên biểu diễn kết nói có hai chiều thể hiện khả năng vận chuyển dữ liệu vào vả ra mạng liên

kết Khi thiết bị đầu cuối 77 trao đổi dữ liệu với 7B5, 7B! gửi một gói tin chứa dữ

liệu đỏ đến mạng liên kết Gói tin này tiếp đỏ được chuyển tiếp tới 785

Tại một thời điểm, mạng liên kết trong Hình 1 cỏ thẻ chuyên tiếp gói tin tir TB1 đến TB5, sau đỏ cũng có thể được sử dụng đề chuyền tiếp gỏi tin từ 782 đến 7B5 Tỉnh chất này thê hiện khả năng có thể lập trình được của mạng liên kết Ở đó, các kết nổi khác nhau giữa các thiết bị đầu cuồi khác nhau được thiết lập vả thay đổi

theo thời gian nhằm phục vụ nhu câu truyền tin trong mạng

Hình 1: Mô hình mức cao của mạng liên kết

Hiện nay, mạng liên kết được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thông máy tính

và các hệ thống chuyên mạch thông tin liên lạc Đặc biệt, mạng liên kết được thiết

kế để sử dụng ở các mức đỏ khác nhau trong các hệ thông máy tỉnh nhằm đáp ửng,

11

nhu cầu của các nhóm ứng dụng khác nhau như: tính toán hiệu năng cao (hiph-

performance computing), lưu trữ vào ra (siorage 1O), các hệ thông cluster/workgroup Tuy thuộc vào số lương các tuết bị được kết nổi và khoảng cách giữa các thiết bị, mạng liên kết được chữa ra làm bồn lĩnh vực từng dụng chính:

2t

- On-chip nehsorks (OCMs) hay còn được nhào tới với thuật ngữ network-on-

chip (NoC): duoc sir dung đề kết nối bên trong các vi kiến trúc giữa các đơn vị chức

nang, thanh ghi (register), bộ lưu trit tung gian (caches), cac bd vi xit ly (processor)

trong cdc module da chip [ign nay, OCNs hỗ trợ các kết nồi giữa vài chục thiết bị

đặt trong các vi mạch với khoảng cách tối đa khoảng vài centimets

- System/storage area networks (SANs): Pay Ja mang hiến kết đuợc six dung

dé kết nổi các bộ vi xix ly liên két (interprocessor) và các bộ nhớ (processor- memory) trong cac hé thông đa nhản và hệ thêng da may tinh (multicomputer)

Ngoai ta loai mạng liên kết nảy cũng được sử dụng để kết nối các thành phân lưai trữ và thành phân xứ lý vào ra trong môi trường gồm các máy chủ (server) vá các trung tâm đứt liệu (data centers) Số lượng thiết bị được kết nổi trong SANS có thể lên tới hàng nghìn thiết bị khác nhau phân bố với khoảng cách khoảng vai odin mot

- Local area networks (LANs): Day lamang liên kết được sử dụng để kết nỗi

“hệ thông máy tính cá nhân Kết nối máy tỉnh trong một cụm là một ví dụ điển hình

Ban dau, cae mang LAN chi két ndi hàng trầm thiết bị, nhưng với câu nói (bridges),

Trang LAN có thể kết nếi lên đến vải nghìn thiết bị, Khoảng cách kết nói tối đa bao 'phú khu vực có đường kính một vài kilomet, cho đến vải chục kilomet

- Wide area networks (WANs): WANs két nỗi các hệ thông máy tình phân bố phân tán trên toàn thê giới WANs cũng kết nối hàng triệu các máy tính với nhau

trên khong cách lớn

Hình 2 (ngudn [8]) minh họa mỗi quan hệ giữa oác lĩnh vực ứng dụng của

mạng liên kết với số lượng thiết bị được kết nói trong mạng cũng như khoảng cach

giữa chúng Truc hoanh (trục ngang) biểu thị số lượng thiết bị trong mạng liên kết

“Trục tung (trục đứng) biểu thị khoảng cách giữa các thiết bi tinh theo don vi met

vụ tỉnh toán hiệu năng cao, và trung tâm dữ liệu (data center) Do đỏ, người viết sẽ

trình bày cơ sở lý thuyết cơ bản liên quan đến lĩnh vực nghiên cửu của mình trong

các phân tiếp theo và có thê không bao hàm nội dung liên quan đến các lĩnh vực

khác

1.1.2 Các thành phần cơ bản trong mạng liên kết

De dap ứng được các yêu cầu của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thẻ (ví dụ như

độ trễ truyền tin hay chỉ phí), mạng liên kết được xây dựng thông qua việc cân nhắc các ràng buộc kĩ thuật nhằm cải đặt ba yêu tô câu hình mạng (topology), dinh tuyên (routing) va diéu khien luéng (flow control), Trong hau hét cdc ứng dụng, thay vì cac thiet bi dau cudi duge lién ket voi nhau timg đôi một, mạng liên kết được cải đặt dưới dang một nhóm các bộ chuyén tiép trung gian (router) ding chung két néi

13

thông qua các kênh truyền Các thiết bị dâu cuối, bộ chuyển tiếp trung gian dược gọi là nút mạng (node) Mẫu thiết kế các kết rồi giữa các nút mạng được gọi là cầu Trình muặng — topelogy Trong nhiêu trường hợp cụ thẻ, bộ chuyển tiếp còn gắn liền

Cáo gói tin được truyền giữa các thiết bị đầu cuối bằng cách được chuyển

tiên một vài lân thông, qua các kênh truyền ding chung và bộ chuyên tiếp trung gian

từ nguén tới đích Ở đó, một gói tín có thể được truyền đi theo nhiều con đường khác nhau từ nguồn cho tdi dich Dinh tuyển (routing) là quả trình lựa chọn và chỉ

ra con đường nào sẽ được chọn đề gói tin truyền theo Quá trình định tuyến cần tà tiên lụa chọn những con đường ngắn nhất trong khí vẫn đảm bảo được yêu cầu cân bằng tải nguyên dùng chung trên mạng (bộ chuyển tiếp, kênh truyền) Độ dải của đường đi liên quan trực tiếp tới đô trễ (latency) truyện tin của mang trong khi tải (load) thể hiện khối lượng sử dụng của một tài nguyên cụ thể,

Tại một thời điểm, một tài nguyên có thể dược yêu cảu sử dung bởi các gói tin khác nhau Điều khiển luông (flow control) lả quá trình lựa chợn, ra lệnh cho gói

tin nào được quyên truy cập vào một tải nguyên cu thé tai thoi điểm đó Diễu khiến

luồng được thực hiện liên tục theo thời gian và đóng vai trò quan trọng trong việc

vừa chuyên tiếp các gói tin với độ trễ nhỏ nhất, vừa đảm báo được các ti nguyên

không bị sử đụng quá tài, hoặc không được sử đụng trong thời gian đài

Ngoài cầu hình mạng, định tuyên, và điều khiến luồng, một khái niém quan trọng ảnh hưởng đến việc nghiên cứu và đánh gid, thd nghiém các mạng liên kết do

là “mẫu trao đổi théng tin” (traffic pattern) ‘Traffic pattern 1a mét phuong phap mé

trình hóa sự phân phối cia cac goi lin duge git di trong mang hén két Bang 1 md ta

cc traffic pattern hay duge si dung trong qué trình nghiên cứa dánh giá hoạt động,

của mạng liên két ‘rong mét mang lién két gém N nut mang, Random traffic thé

hiện mớt gói tin được gỗi từ nguồn z dến đích ở bất kỉ một cách ngau nhiên Do dé lượng thông tín gửi từ ø đến ở xác định được xác định theo phân phối đều A„¿= UN Permuation traffic thé bién moi goi lin gửi từ một nguồn s được gửi đến một hay một vai dich xac dinh Do dé nut dich duge xác định bằng một hàm của nguồn d=

1ø) Bảng 1 ligt ké mét vai traffic pattem khac nhau đựa trên phương pháp trộn

Bang 1: Bang cdc traffie pattern trong mang lién Két

1.2 Tầng quan về cấu hình mang

Câu hình mạng là miu thiét ké cdc két néi gifta cdc nt mang voi nhau hay được hiểu là một phương pháp sắp xếp ede kênh truyền và nút mạng Trong muỗi từng dựng cụ thể, quá trình lựa chọn câu hình mạng lá rất quan trọng do đây lá yêu

tổ liên quan trực tiếp đến cài đặt chỉ tiết Câu hình mạng ảnh hưởng tới thông số kĩ

thuật của bộ chuyển tiếp trung gian như số công kết nối, tốc độ truyền tin cân thiết Qua đỏ, cấu hình mạng ảnh hưởng tới chỉ phi của mạng liên kết Câu hình mạng

cũng quyết định đến quả trình định tuyển (rowting) Mỗi mẫu kết nối giữa nút mạng,

yêu cầu ác thuật toán định tuyến riêng biệt nhằm đảm bảo hiệu năng của mạng liên kết Tóm lại, câu hình mạng được chon sử dựng dựa trên chỉ phí và hiệu năng của

né.

Có rat nhiéu loai cau hình mạng được thiết kế và ứng dụng trong thực tế, Một cách tổng quát, có năm loại câu hình mạng cơ bán sau:

- Bus: ¥4 mot kiến trủc mạng ở đỏ các nút mạng kết nổi với nhau thông qua chia sẻ một kénh truyền đừng chung (Hinh 3.4) Bus là cách kết nối các nút mạng don gian nhất, dễ cải dit va mỡ rộng, Bus tiêu tồn ít dây nói (cable} nẻn rẻ hơn các cầu hình mạng khác Tuy nhiên sử đựng bus phải quan tâm đến vấn để điều khiển tuổng khi ma hai nút mạng muốn truyền tin tại củng một thời điểm trên củng một

đường bus Tóm lại, bus chí phủ hợp sử dụng cho những mạng liên kết nhỏ vả không yêu cầu tốc độ cao

- Sfar: bay còn gọi là câu hinh mang dang sac bao gồm một nút mạng trưng

tâm dong vai trẻ như cầu nối để tuyển đữ liệu (Hình 3.b) Star cũng dễ dàng rỡ rộng quy mô bằng cách nâng cao số kết nổi của nút mạng trung tâm Nhược diễm của star là bị phụ thuộc vào khả năng, cầu hình phần cứng của nút mạng trung tâm

(d) Mesh (e) Tree

Hình 3: Các câu hình mạng cơ bắn

- Ring: bay con gọi là mang bình tròn Ở đỏ mỗi một mút mạng liên kết trực

tiếp với đúng hai nót mạng khác tạo thánh một vỏng tròn khép kin (Llinh 3.c)

Trong ring không có nút mạng Iring tâm, ruợi nút mạng là bình đẳng Tuy nhiên

ting dé gp van dé khi mét mit mang xảy ra sự có Thêm nữa, việc thêm, bớt hay bảo trì một nút mạng cũng có thể ảnh hưởng đến sự hoạt động của mạng liên kết

- Ä#esb: mô tả một mạng liên kết mà ở đó từ mỗi một nút mạng đều tìm được kết nếi đến nút mạng khác Mesh thường được biết đến với đang lưới Hình 3.4 mô

tả một mesh mả ở đó một nút mạng liên kết trực tiếp với mọi nút rnạng khác

~ Trec Mạng hình cây là sự kết hợp của bus và star (Hình 3,c)

Hình 3 mình họa vỉ du của năm câu hình mạng cơ bản nẻu trên Ở đó, mesh được sử dụng rộng rãi trong các mạng truyền thống nhở tính chất đơn giản của cấu,

hình mạng và dé dang dinh tuyén [3] Dua vao dé, những câu hình mạng như lả k- ary n-dimensional mesh hodc 1a k-ary n-dimensional torus đã được thiết kế và phat

triển [3] Hinh 4 (nguén [1]) md 1 mang 4-ary 2-dimentional torus gdm 16 núi

mạng được xắp xép dưới dạng lưới 4x4 mút mạng frone đỏ, mỗi nút mạng kết nỗi

với 4 nút mạng khac (goi 14 mit mang c6 bac 4), K-ary n-dimensional torus c6 tinh

chất “có quy tốc” (rogular) Ở đó, số kết nối trên các núi mạng là như nhau (bậc

không đổi với mọi đính)

nguyén và tắc nghén (deadlock) được giảm thiểu (i¡) Một thuật toán định tuyến tốt

18

sẽ giúp cho các gói tin được truyền đi theo con dường ngắn nhất có thể, Qua đó góp phan lam giảm thiểu độ trễ truyền tin (14) Ngoài ra, thuật toán định tuyển tốt còn có khả năng chịu lỗi khi một Hay muội vài rủi nang, hên kết xây ra sự có và không thé hoạt động Trong trường hợp nảy, một thuật toán định tuyển phải loại bỏ các phương án lựa chọn đường đi bao gồm các liên kết bị lỗi và phải lựa chọn những đường đã khác nhằm đâm bão sự hoạt động của mạng liên kết

Có rất nhiều cách phân loại thuật toán định tuyến khác nhau Dựa trên số lượng đích tới của một gói tìn, unicast routing chi cac thuat toan dinh tuyén các gói

tin được gửi từ một mút nguồn tới một địch Trong khi đó mulficast rauting chỉ các

thuật toán gửi lin toi hai hay nhiều đích trong mạng liên kết

Thuật toán định tuyển cũng có thể được phân len đựa trên địa điểm mà quyết dịnh định tuyến dược thực hiện Một cách đơn giản, con dường truyền tin có thể được quyét dinh ngay tai nguén (source routing), tai mét bé điều khiến tập trưng,

(centralized routing) hole được quyết định một cách phan lin tai cáo nút mạng,

trong qué trinh trayén tin (distributed routing)

Giải thuật định tuyển được cải đặt theo nhiều cách khác nhau Một vài cách: 'tphả biển nhất được áp dung dé la str dung bang dinh tuyén (table lookup routing)

hay stt dung may trang that hita han (fimile-state machine routing) Trong ca hai

trường hợp nảy thuật toán định tuyển đều có thể là deterministic hoc adaptive

TDeterministie routing là các thuật toán định tuyển mà đường đi giữa nút nguồn s va

nút địch đ được chọn trước và không đổi trong moi lin dink tuyến (kế cã trong

trường hợp có nhiều con đường từ s đến đ) Còn adaptive routing la phương pháp định tuyến đựa vào trạng thái của mạng liên kết để xác định con đường chính xác tại

môi lên kra chou Trang thai nay ban gồm thông tím về các nút mạng, cáo liên kếL

trong mạng (bị lỗi bay không), thông tìn về yêu cầu sử dụng các liêu

Trong quá trinh định tuyến, nếu tất cả các con đường được lựa chon déu la ngắn nhất, chúng ta gọi là minờnal routing Ngược lại, giả thuật v6 tinh chất non- minimal, Hinh 5 (nguồn [1]) là một ví dụ về thuật toán định tuyến trên mạng liên

kết 4-ary 2-dimentional torus Trong dé thuat tốn định tuyến trong Hình 5a là znimimal do chí ra cơn đường ngắn nhất từ nut mang Ư1 đến nút mạng 22 cịn linh

Sb la non-minimal Nếu các cơn đường định tuyến được xác đmh tại nút mạng Ợ (ngay từ dâu) thì dỏ lá sơurce routina Nếu con dường từ 01 dễn 22 luơn luơn khơng, đổi tại mọi thời điểm định tuyến, thuật tốn nay goi 14 deterministic routing Source

Touting và đotgnuinnisti routing thường được dài đặt sử dựng bằng định tuyển ((abÌc

lookup routing)

Hinh 5: Vi du vé dinh tuyén trên mạng két 2D-Torus

1.4 Téng quan vé diéu khién luồng

Điều khiến luểng (flow control) là quá trình xác định cách thức các tải

Trguyên trên mạng, (kết nối, bộ đệm lạt các nút mạng ) được phân phối cho cá

€ gĩi

tin sit đụng trong quá trình truyền tin Diễu khiển luỗng tốt là cách thức phân phối

tài nguyên một cách cĩ hiệu quã qua đĩ truyén tin với độ trễ nhỏ xác định trước

Ví du, hai gĩi tin đến từ hai cống khác nhan tại một bê chuyển tiếp tại cÌng, ant thai diễm Dụa trên giải thuật dịnh tuyên, hai gĩi tin này cần dược chuyển liếp đến củng một cơng ra Trong trường hợp này, điều khiển luồng, là cơ chế giải quyết

sự xung đột về yêu cầu sử dụng lài nguyên Một phương pháp đơn giãn đĩ là chọn

một gĩi tin ngẫu nhiên dễ chuyên tiếp và loại bồ gĩi thì cịn lại (gĩi tin này sẽ dược

gửi lại sau) Đây là cơ chế đơn giản nhất trong diểu khiển luông khi không lưu trữ gói tĩn tại các bộ chuyên tiếp (bigferless flow-coniral)

Một cơ chế điều khiển luỗng khác phức tạp hơn và hiệu quả hơn gọi lả chuyén mach (circuit switching) Trong đỏ, nút nguồn sẽ gửi gói tin thăm đè đến nút đích Gói tin thăm do chi bao gồm thông tin truyền tin cơ bản (ví dụ nút nguồn,

nút đích) mà không bao gồm đữ liệu Gói tin thăm đò cỏ tác dụng đăng kí sử đựng

tài nguyên tai các nút mạng mả nẻ đi qua Khi nút đích nhận được gói tin thăm đỏ

nảy sẽ gửi trả một gói tin gọi là ACK xác nhận, Nút nguồn sẽ bắt đầu tuyên dữ liệu

theo con đường được thiết lập bởi gói tin thăm đỏ trước đỏ sau khi nhận được ACK Các tải nguyên trên được ydi tin này sử dụng chỉ được giải phóng khi toàn bộ đứt

liệu dến với nút dích Trong trường hợp một gói tin thắm dò không dược cấp phát

tài nguyên ngay lập tức tại một nút mạng, nó sẽ được lưu trữ lại trong hàng đợi (đo kích thước gói tim thắm đỏ nhỏ) cho đến khi tài nguyên được giỗi phóng Với cách

điêu khiển luồng, này, d6 wé truyén tin đối khi rất lớn khi một gới tin cần phải dợi tài nguyên được giải phóng tại nút mạng được nhiều gói tin truyền qua (nút thắt cỗ

chi)

Do dó, một phương pháp điều khién ludng khác hiệu quả hơn dược dễ ra gọi

là “chuyển mạch gỏi” (paoket swifching) Trong phương pháp này, dữ liệu được

chia thành các thành phần nhỏ hơn có độ dai bằng nhau gọi là packet Mat vai bytes

dầu của packet chửa thông ti dịnh tuyển và diều khiển gọi là packet heador Trong, quả trinh truyền tín, nếu xảy ra tranh chấp tải nguyên, các packet nay sẽ được lưu

trữ lại tại nút mạng đó và chờ cho đến khi tài nguyên được giải phóng Do vậy,

chuyển mach goi con dice goi 1h slore-and-forward switching Voi eo ché may, cic phân nhỏ cửa toàn bộ dit liệu được truyền trong mang theo các đường khác nhau nh’m tan đụng các tài nguyên rảnh rỗi Ngoài ra qná trình chờ đợi để giải phóng tải nguyên cũng ngắn hơn do kích thước của các packet là nhỏ hơn rất nhiều sơ với

+ích thuốc dữ liệu cân truyền.

Trong quá trình chuyên mạch gói, quả trình dịnh tuyến dược thực hiện khi

toàn bộ packet được truyền tới vả lưu trữ tại nút trung gian Tuy nhiên, trong thực

té, packet header truyén đến núi mạng mày trước khi toàn bộ phản đữ liệu mà packeL

ấy clrửa truyền tới Nhằm giảm dộ trễ truyền tin, và giảm thời gian sử dụng tải nguyên của một packet, quá trình định tuyển và chuyển tiếp packet header có thể

được thực hiện ngay khi tải nguyên yêu câu sử dụng được rảnh rỗi mà không cẩn

phải chờ đợi toàn bộ packet đến được nút trung gian Với phương pháp điều khiển

ludng này, một packet sử dụng cùng lúc cống ra (2ipuf porÐ tại một nút trung gian

và cổng vào (#p port) tai wil mang liép theo Phương pháp này được gọi là

virtual cut-though switching

Luu tit cae packet cé kich thude 1én dén hang chue bytes gay kho khan cho

việc chế tạo các bộ chuyển tiếp (hay bộ chuyển mạch) có kích thước nhỏ, giá thành

rẻ Bên cạnh đó, quá trình chờ đọi các packeL được truyền lin cũng gớp phản tạo độ trễ truyền tin Nhằm khắc phục các yếu diém này, Hermhole switching di được dễ xuất Trong phương pháp này, các packets duoc chia nhô thành các đơn vị truyền

tm (fils) Kich thước bộ đệm lại các cổng ra và cổng vào lại một nút mạng đủ lớn

để chứa một vài flits Ví dụ một flits có thể có kích thước sở 16 bits Nhờ đó, yêu câu về kích thước bộ đệm trong cáo bộ định tuyến giảm đi đáng kẻ Mặt khác, phương pháp diễu khiển luỗng Wormhole switchine có thể khiến quá trình truyền

tin bị tắc nghẽn Trong trường hợp một packet phải đợi tài nguyên được giải phóng,

packet trong Wormhole Switching bị chặn lại tại nhiều bộ chuyền tiêp thay vỉ một

bộ chuyên tiếp duy nhất nhu ¢ Virtual Cut-through switching Hinh 6 (nguồn [4]) zrinh họa trường hợp này Trong đó, gói tin 3 đang chiếm tài nguyên bộ đệm của một cổng ra tại nứt mạng R3 Packet header của gói tin A truyền tái R3 phải đợi bộ đêm ở công ra được giải phỏng, Trong khi các thành phần dữ liêu của gối tin A

được lưu trữ trong bộ đệm tại nứt mạng R1 và R2 thay vì được lưu trữ toàn bộ tại

R3 Lun y rang các bộ đêm trong ví dụ mày chứ có kích thước rất nhỏ 2 Ẩlils (cỡ 32

bits).

Như đã đề cập trong 1.2, cấu hình rạng được chọn dựa trên chỉ phi và hiệu

năng của nó Trong phân nay, người viết sẽ trình bày hai độ đo hiệu năng chính bao

gdm: théng lượng (throuehpu, dộ trể (latericy)

1.5.1 Thông lượng (Throughput)

Thông lượng được định nghĩa là hượng thông tín tối đa được truyền trong

một đơn vị thời gian trong mạng liên kết [4] Lượng thông tia được truyền trong

một đơn vị thời gian còn được gọi là traffic Do dé thang hong còn được hiển là

traffic tối đa mà mạng lên kết chấp nhan duce maximum accepied traffic)

ĐỂ định lượng thông lượng, ban đâu người ta sử dụng dem vi géi tin trong xmột giây, Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu hiệu năng của mạng liên kết thông

qua các công cụ giả lập đọn vị thời gian có thế được xác định tương đối bằng don vi chu ki dong hé (clock cycle}, Do dé, théng lượng cũng có thể tính bằng số gỏi tin trong mét clock cycle Mét cach tổng quát, thông lượng tí lệ thuận với kích thước

của mạng liên kết (số lượng nút mạng hay số công vào đữ liệu) Mạng liên kết có kích thước lớn hơn có khả năng trưyền dược số lượng gói tia lớn hơn Mặt khác, với mdi img dung cụ thẻ, kích thước của gói tin là khác nhau Do đó, nhằm mục địch

tiêu chuẩn hỏa, thông lượng được lượng gia bang don vi bits trén một nút mạng và

miero-giây, hay bits trên một nút mạng và clock cycle Như vậy, thông lượng

(throughput) ctia mang theo đó được hiểu là tốc độ truyền thông tin (bps, bít per cycle) ma mang chap nhan trén timg cong vao (input port) [1]

Offered traffic (fraction of capacity)

Hinh 7: Tiong quan giita throughput va offered traffic

Thông lượng mang ý nghĩa trái ngược với giao thông yêu câu (hay còn gọi lả offered traffie) - tốc độ gói tin (thông tin) được sinh ra bởi nguồn — Hình 7 (nguồn [I]) thể hiện mỗi tương quan giữa thông lượng và yêu cau Ban dau, khi lượng thông tin yêu câu truyền đi còn thấp, thông lượng và offered traffic có giả trị bằng, nhau Theo sự tăng lên của yêu câu truyền tin, thông lượng đạt đền mức bão hỏa và mạng liên kết không thẻ đáp ứng truyền tất cã các gỏi tin với tốc độ ban dau Day cũng là phương pháp đề đánh giá thông lượng của mạng liên kết đưới một yêu câu truyén tin cu thé (traffic pattern)

1.5.2 DG ué (Latency)

“Độ urể là khoảng thời gian trấi qua từ khi ruột gói lìn dược khối lao tại túi

nguồn đến khi gói tin đó được nhận ở nút đích” [4] Dịnh nghĩa này có thế hiển theo

nhiều mức độ khác nhau Nếu nghiên ctu chỉ liên quan đến kết nổi và các thiết bị xạng, độ trễ dược dịnh nghĩa là khoảng thời gian kể từ khi thành phan dif ligu dau tiên của gói tin (thưởng goi la message header) bắt đầu được gửi vào mạng cho đến khi thành phần đữ liệu cuối cùng đến được đích Một nút mang có thế gửi và nhận

cùng lúc nhiều gới tin Do dỏ, trong mỗi nit mang có một bộ phận hàng dợi chứa các gói tin gửi đi và gói tin nhận đuợc để chờ xử lý Nếu quá trình nghiên cứu liên quan đến sự hoại động của làng dợi này, độ trễ nêu trên cẩu dược tỉnh thêm khoảng thời gian trong bảng, đợi tại nút nguồn

Ngoài ra, một số nghiên cửu không chỉ tập trung chú ý tới tác động của mạng,

liên kết tới độ trể mà còn chú ý tới tác đông của các hoạt động được thực hiện tại

các bộ vỉ xử lý nguần, đích để gửi và nhận tín nhắn bir mang Các hoại động tảy bao gềm tiền trinh chuẩn bị đử liệu đề truyền đi (ví dụ như xây dựng thông tin gói tim — packet header, thành phân kiểm tra lỗi - checksuns), quá trình gửi gói tin vào (njeet) và lây gói tin ra (gjecl) khỏi mạng liên kếL Trong hấu hết các hệ thông, các hoạt dộng này được cai dit tong phan mém gọi là messaging layer, Đối với những, nghiên cứu cân nhắc và đánh giá tác đông của messaging layer, độ trễ được định 1ghữa là khoảng thời gian kể từ khi lời gọi tuyển tin của hệ thống dược khỏi lạo tại nút nguồn cho đến khi lời gọi nhận tin cúa hệ thống được hoàn thánh tại nút nguồn

“Trong các hệ thống yêu cầu các hoạt động hoản thành nhờ sự cộng tác, trao

đổi thông tin giữa mệt nhóm cae nut mang (collective communication operations),

độ trể dược dánh giá bằng thời gian kẻ tử khi một hoạt động dược khởi tạo tại một hay một vài mút mạng cho đến khi tất cả các nút mạng tham gia vào quá trỉnh thục hiện hoàn thành nhiệm vụ của mình Ví dụ, rong nghiên cứu chỉ liên quan đến kết nối và các thiết bị mạng, độ trễ của thao tác truyền tím đến lất cả các mút mạng khắc

(multicasÐ) được xác định là khoảng thời gian thành phân dữ liệu đâu tiên được gửi

vào trong mang liên kết tại nút nguồn cho dén khi thanh phần dữ liệu cuối cùng được nhận bởi nút đích cuối cùng,

Trong quá trình thực hiện luận văn, người viết quan tâm đến các nghiên cửu tập trung vào kết nối và các thiết bị mạng và bỏ qua các yêu tổ liên quan đền hảng,

dợi và messaging layer Độ trễ được mô hình hỏa thành 3 thánh phần chính

lateney - injection_time + time_to_fly + switches latency

© Dyjection từne: một sẽ tài liệu còn gọi là serializarion latency [1] hay transmission time [2] Day 1A thoi gian géi tin duoc giti vao mang (inject) Cu thé

"hơn, khoảng thời gian giữa thánh phân dữ liệu đầu tiên của gói tin truyền vào mạng,

đến khi thành phân đữ liệu cuồi củng truyền vào mạng Theo định nghĩa, injection

thue được lính bằng kích thước của gói ln chia cho bằng thông của đường truyền mạng (trong trường hợp toàn bộ đường truyền này được sở đụng để truyền gói tin

đó mà không phải chia sẻ để truyền gói tin nào khảo)

o Time to fly hay còn gọi là time of flight [1], là khoảng thời gian cần thiết

đề truyền trên đường truyền mạng Time to fly phụ thuộc vào độ dai của đường

truyền mạng, Time to fly trong các lĩnh vực ứng dung WANs cé don vị là mili-giây, tniero-giây cho LAN, nano-giây với SANS và pico-giây đổi với OCNs

9 Switches latency: 1a khoang thoi gian tiéu tén để gói tin được xử lý tại các

bộ chuyén mach (switch) trén đường truyền (định tuyến truyền tỉn, gửi tin đến các cổng ) Theo định nghĩa, switches lalency phụ thuộc vào số lượng bộ chuyển mạch

ma goi tin truyền qua trên dường từ nguồn tới dich Do dó giả trị trung bình của switches latency của mạng liên kết được tính bằng tích của giá trị trung bình côa các đường di (có thể là ngắn nhậu 222z nhân với thời gian trễ tại một bộ chuyển mạch bat ki fe

Công thức tính độ trễ nêu trên được sử dụng khi trong quả trình truyền tin

không có tranh chap vé mặt tại nguyên Trong trường hợp ngược lại, độ trễ cần phải

cộng thêm khoảng thời gian để các gói tĩn năm cho trong hang doi

Avg

Offered traffic (fraction of capacity)

Ilinh 8: Tuong quan gitta latency va offered traffic

Biển để độ trễ theo lượng thông tin yêu cu truyén di (offered traffic) thé hiện mỗi tương quan giữa độ trễ và giả trị này Khi mà offered traffic còn nhô, không xảy ra tranh chấp tải nguyên, độ trể có hình dạng theo công thức trên Tuy

nhiên, khi offered traffic táng dân, độ trễ tăng một lượng lớn Offered traffic dat dén giả trị bão hòa khi độ trễ trổ nên rất lớn Hình 8 (nguồn [1]) là một ví dự cửa Lương,

quan giữa dộ trễ và offered traffic,

tạ

CHUONG 2: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MẠNG LIÊN KÉT

Trong chương này, người viết trình bảy về các phương pháp vả công cụ dank giá được sử dựng trong quá trình thực hiện nghiên cứu để tài Với mục tiêu xây đựng một mạng liên kết trao đổi dữ liệu và giải thuật định tuyển có độ trễ nhô, có khá năng mở rộng, chúng tôi tập trung danh piá các tiêu chí liên quan dén (i) chi phi

cài đặt, vận hành mạng, (ii) hiệu năng của mạng khi sử dụng (cụ thẻ là thông lượng,

ý tới tiêu tên tài nguyên (điện năng) khi vận hành hệ thông treng thục tế

2.1.1 Chỉ phí thiết lập mạng

Chỉ phí đầu tư cho mưa sắm thiết bị mạng chiếm một phân lớn chỉ phí cài đặt mạng liên kết Mô hình hóa một mạng liên kết tổng quát có thể hiểu là mội mng, kết nối của các thiết bị chuyển mạch (switches), Nhằm đơn giãn hóa mồ hình tính toán chỉ phí, chúng tôi lựa chọn chỉ phí cho một thiết bị chuyển mạch ở mức 500$ cho mỗi cỗng (poif) dựa trên khảo sát trong |5] Mỗi công tương ứng với một liên kết của thiết bị chuyển mạch đó trong mạng liên kết

Chi phi cải đặt mạng còn bao gồm cá chỉ phí cho các đây nổi cáp mạng

(cable) ding đề liên kết các thiết bị với nhan Có nhiều giải pháp khác nhau khi Ina

chọn xảy dựng hệ thống cáp mạng cho mạng yêu cầu hiệu năng cao Mỗi giải pháp tương ứng với một mức chỉ phí cụ thể đành cho cáp mạng, đầu két néi (connector) tại các thiết bị Hiện nay, có hai giải pháp được sử đùng phố biến là đùng cáp đảng,

và cấp quang Sử dụng cắp đồng có giá thành rễ hơn cáp quang do chỉ phí của đầu

BB

kết nói rẻ hơn rất nhiều (băng khoảng 1⁄10 chỉ phí ở cáp quang - Bang 2) Tuy nhiều cáp đồng không đám bảo được chất lượng (tốc độ truyền cao 5Gbps) khi cản phải nối hai thiết bị có độ đái lớn hơn Smm Do đó khi cài đặt thực tế, giải pháp lý Lưởng,

sử dụng xen lẫn giữa cáp đồng và cáp quang,

Chỉ phí Chỉ phí trên lm dây Chỉ phí đầu liệt nổi

Logi cap mang (Cost_per_m) (Connector_Cost)

công thức nêu trong Háng 3 Chí phí đảnh cho một kết nối bằng giá trị của dây nỗi

đó (bao gồm chi phi day

bình dành cho nhà săn xuất (chỉ phí sắn xuất, phân phối, tiên lãi) vả chỉ phí để lắp

at thu té (installation cost)

dữ liệu lớn, các thiết bị chuyển mạch (switches) được dặt trong các tủ mạng (cabinets hay racks), Chúng tôi bỏ qua chỉ phi của tủ mạng vì với một ruạng cụ thể với số nút mạng, bộ chuyển mạch có định, số lượng tủ mạng được sử dụng là như nhau đối với mợi cách sắp xếp bộ chuyển mạch Tuy nhiên, tủ mạng có ánh hướng, nhất định đến chỉ phí lắp đặt thực tế Chỉ phí trung bình cho việc cài đặt các kết nói

giữa hai núi mạng bên trong ruột tủ mạng yêu cẩu chỉ phí 2.5% Trong khi chỉ phí

này là 6.5% đối với kết nối giữa hai nut mang 6 hai ti mạng khác nhau

1lãy xem xét một vi dy đơn giản khi sử dụng dây cap quang dé néi hai nut

mnạng nằm cách nhau LỮm và ở hai tủ mạng khác nhau Như vậy cable length = 10

> ấm nên trong ví dụ này sử dụng đây cáp quang dé dam bio el

t lượng đường

29

truyền Do do Cost_per_m = 5$/m, va Connector Cost = 188$/1 connector Vay chi

phí cho kết nói này được tính bằng (10*5+188*2) * 1.25 + 6.5 = 5398

Một vẫn đề khác được đặt ra khi đánh giá bằng lý thuyết chỉ phí của một

mạng liên kết là xác định mô hình tính toán độ dải của dây cáp cân sử dụng Trong

thực tế, mạng sử dụng cho trung tâm dữ liệu được đặt trong một phỏng mảy (server room) cỡ lớn được trang bị các hệ thống làm mát, hệ thông điện vả hệ thống dây

mạng, tủ mạng chuyên dụng Các tủ mạng trong phỏng máy được sắp xếp ở dạng

lưới 4x gồm 4 hàng, mỗi hang gồm Ö tủ mạng (cabinets) Mỗi tủ mạng lại gồm nhiều các thiết bị chuyển mach (switches) xép theo chiều thẳng đứng Hình 9 minh

họa mô hình phỏng mang trong nghiên cứu Ở đó, các tủ mạng trên củng một hàng,

được đặt cách nhau một khoảng cổ định dành cho các luỗng khí nóng và khí lạnh

(aisle) của bộ phận điều hỏa nhiệt độ Tương tự, giữa hai hàng cũng tỏn tại khoảng

cách (row aisle)

Hình 9: Minh họa mô hình phòng mạng

Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi sử dụng mỏ hình trinh bảy trong [6]

để mô hình hóa một phỏng máy Ở đó, diện tích của phòng máy được giả sử lả không giới hạn nhằm phục vụ cho việc nghiên cửu các mạng liên kết cỏ kích thước bất kỉ Các tủ mạng chứa cùng một số lượng các thiết bị chuyền mach vả được đặt

trong một lưới 4xÖ Trong đó:

30

4= [Vm]

B= [m/A]

với mm là số lượng tủ mạng

Dây nói giữa hai nút mạng ở hai tủ mạng khác nhau được tỉnh theo khoảng

cách Mahatan bằng tổng khoảng cách theo trục X và Y Trong đỏ, khoảng cách giữa hai bộ chuyên mạch theo trục X (gồm chiêu rộng tủ mạng width và aisle) là 0.6m D6 dai day noi giữa hai bộ chuyên mạch theo trục Y (gồm chiều sâu tủ mạng va row_aisle) lả 2.1m Vậy độ dài này được tinh bằng công thức 0.6*AX + 2.1*AY (m)

(còn được gọi lả mter-cabimets cable), Bên cạnh đỏ, độ dài dây cáp giữa hai bộ

chuyên mạch trong củng một tủ mạng (còn gọi là intra-cabmets cable) được lây giả trị trung bình 2m/1 dây cáp Ngoài ra, với mỗi một day cap mạng được tính thêm

một khoảng đôi ra (overhead) trung binh là 2m [7]

Hình 10: Minh họa tính độ dai day mang

Hình 10 mồ tả ví dụ minh họa tỉnh độ dài dây mang giữa hai hàng liên tiếp

của tủ mạng Độ đài dây nổi giữa nút A và nút C, dAC, được tỉnh theo khoảng cách Mahattan Ở đỏ dAC = dAB + đBC = (0.6*1 + overhead) + (2.1*1 + overhead) =

4.7 (m) Tuong tu nhu vay, dDE = dEF = dDF = 2(m) vi nam trong củng một tủ

mang

31

2.1.2 Chỉ phí vận hành mạng,

Độ đài dây cáp và cách bê trí tiết bị mạng ương phòng nàng (layouÐ) có

ảnh hưởng lớn đến chỉ phí cài đặt ban đầu mạng liên kết Không chỉ vậy, độ dài đây

cáp cũng ảnh hướng tới chỉ phí khi vận hanh mang Chúng tôi đánh giá chỉ phí này dựa trên tiêu thụ diện năng (power consumtion) trên một công (switch port) và tiêu

thụ năng lượng (energy consumtion) khi truyền một géi tin

truyền 1 gỗi tin (pF)

Bảng 4: Tiêu thụ năng lượng trên cúp mạng

Khảo sát thông số kĩ thuật các bộ chuyển mạch phố biến hiện may [8], chimg

tôi ước lượng chỉ phi nảy phụ thuộc độ dài dây cáp như trong Hãng 4 Qua đỏ chúng,

tôi đánh giá tiêu thụ năng lượng của toàn mạng khi thiết kế vả khi đưa vàa hoạt

động Tiên Ihụ năng lượng của toàn mang bao gỗm tiêu thụ năng lượng cửa các bộ

chuyển mạch và tiêu thụ năng lượng trong hoạt động theo thời gian Hình 1] thể

tiện cách tính năng lượng tiẻu thụ của mạng liên kết ở đạng giả code Trong đó để

đánh giá năng lượng tiêu tốn cho quá trình truyền tin phụ thuộc vào kịch bản giá lập trao đổi thông tin được định nghĩa trong fraffic

#Total power and energy of network

total_power 0 # total power consumption

lolal energy = 0 # lolal energy consumption

for cach Gj.) in cables {

#i, j is two nodes of cable

link 11: Gid code tinh nang lượng tiều thụ của mạng liên kết

2.2 Đánh giá hiệu năng mạng liên kết bằng lý thuyết đồ thị

Trong phương pháp đảnh giá lý thuyết, mạng liên kết được mô hình hóa bang mot d6 thi Ở đó, mỗi đình của đổ thị đại điện cho một nút mạng (hay mat bo chuyển mạch) còn mỗi cạnh của đỏ thị đại diện cho một đây cáp mạng (kết nỗi giữa các bộ chuyển mạch) Nhằm đơn gián hỏa mô hình, chủng tôi bỏ qua các thiết bị

đầu cuỗi cũng như các các oống kết nốt giữa thiết bị đầu cuối và bộ chuyển mạch

tương ứng, Chúng tỏi sử dụng phương pháp nảy dễ dánh giả thông lượng lý tưởng,

(ideal throughput) 46 trễ (latency) và khả năng chịu lỗi (fault tolerance) eta mang

liên kết

2.2.1 Dánh giá thông lượng lý tưởng bằng lý thuyết đồ thị

Mạng liên kết được mô hinh hóa bằng dé thi g6m N min mang và tập cạnh C đại diện cho các kết nổi, kênh truyền Băng thông (bandwidth) cúa mỗi cạnh ¢ trong

Ở được kí hiệu là wz Giả thiết, tất cả các cạnh e đều có cửng giá trị băng thông se =

b và quá trình Luyễn tin trong mạng không xây ra tranh chấp lài nguyên mạng 'Thông lượng (throughput) cia mang theo định nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu (bps)

nà mạng chấp nhận trên từng cống vao (input port) Thêng lượng lý tưởng (:4a2!)

là tốc độ tối đa tại một công vào có thể đáp ứng dược Thông lượng của mạng là lý tướng trong trường, hợp không có xáy ra tranh chấp tải nguyên trên mạng Khi đỏ,

Tnột vải kênh truyền được sử đụng đề truyền lin với tốc độ lôi đa Nếu không rnội

33

kênh truyền nảo được sử dụng tối đa, mạng vẫn có thể truyền được nhiều dữ liệu hon ntia Do dé, thông lượng của mạng liên kết có thê được đánh giá thông qua tải của một kênh truyền Tải của kênh truyền e là lượng thông tin cân truyền qua kênh truyền đó nêu như mỗi công vào của mạng dều nhận dược xnột dơn vị thông tín (ví

Tải của một kênh truyền pe = bamdlipa, câus dụ ăn ( bang ÂÑoằng sáo

Đưới một kịch bản truyền ba (ra[io patlern) xác định, một kênh truyền chịu

tải tốt da me — (2J Trong trường hợp bão hoả, yêu càu tại một cổng vào chỉnh

‘bang thang lượng ly tréng bandwidéhedng vto — Oideai va you cẩu sử đựng trên cạnh chịu tải tối da chính bằng băng thông cia canh do Dyéx otu nh dye réne — B Do dd

Giả sử các gói tin truyền trên mạng dựa trên phân phối xác suất dẻu (randont

traffie) Vì bisection chia đổi mạng thảnh hai nửa bằng nhau nên có A72 gói tin

truyền qua Öể cạnh của Đisecion Tù đó có thể trút được lãi của một cạnh trên

Bisection yp = A/2Bcgói tin Từ (*) ta có

Đưa Sb / (NI2Bo) — 2BBoiN — 2BsiN (**)

(Bs= bBo con duge goi la bang théng, cua Bisection)

34

hát cắt và Biscction trong mang liên kết tương ứng với khải niệm Cut và

Mãn Cut trong để thị vô hưởng nói chung, l0o đỏ khi mô hình hóa mạng liên kết

dang đổ thụ, chúng tôi có thể lĩnh được thông lượng lý lưởng sử dụng công thức (**) 2.2.2 Dánh giá độ trễ bằng lý thuyết đề thị

Như đã trình bảy trong chương cơ số lý thuyết, độ trễ truyền lin Hong mạng, liên kết khi không cò tranh chap tải nguyễn dược xác dịnh gồm ba thành phan bao gềm: thời gian chuyển gói tin qua mạng (injection time), độ trễ truyền dữ liệu trên dây nói (time 1o [fy), độ trể tại các bộ chuyén mach (switches latency) Fidi vei ede mạng liên kết phục vụ trong lĩnh vực ứng dạng SAN (phục vụ cho tính toán hiệu răng cao và trưng tâm đữ liệt), injection time vào khoảng 300ns, tốc 46 truyén dit liêu trên đây nổi vào khoảng Snsán và switches lalency trung bình khoảng

100ns/switeh [2] Bằng phương pháp đồ thị, chúng tôi đánh giá độ trễ lớn nhất và

độ trễ trung, bình trên mạng liên kết

Tĩnh 12: Mô hình mạng liên kết bằng đồ thị có trọng số Mạng liên kết được mô hình hóa bằng đề thị G vô hướng (hoặc có hướng) có trọng số Trong số trên mỗi cạnh tương ứng với dé dài của của cáp mang, Từ dễ thị này, chúng tôi ta được đường đi ngắn nhất, đường đi dựa vào giái thuật định tuyển

bất kì giữa hai cặp đỉnh bắt kì Sử đụng các tham số vẽ độ trễ nêu trên, chủng tôi

đánh gia dược dộ trẻ của mạng liên kết Ví dụ một mạng liên kết được mô hình

bằng dỗ thị có trọng số như Hình 12 Vay dé tré trén cạnh AB khong tinh injection

time được tính như sau:

latencyap = AL * 5 + 100 (ns) = 4 * 5 + 100 = 120 (ns)

Một gói tin được truyền từ nút mạng A sang nút mạng l3 theo cơn đường

A> Bcó độ tế:

lateneyap = latencyaz | injection_time = 120 1 300 = 420 (ns)

Mét géi tin được truyền từ nút mạng A sang nút mạng Œ theo con đường từ A=B +>€ có tổng độ trễ tính như như gau:

laencysc BC*5+100Gm) 3.25*5+100 116.25 (us) lateneyac — latencvan + latcncyac + Ijectiton_trne

~ 120 1 116.35 I 300— 536.25 (ms)

Tính được độ trễ của tốt cỗ các đường đi giữa cắp đỉnh nêu trên, chúng tôi tính được độ trễ truyền tín trung binh, và độ trễ lớn nhất trên mạng

Ngoài ra, khi so sánh độ trễ giữa hai mạng liên kết có củng số nút mạng một

cach tương đổi dựa trên phương pháp nêu trên, hai giá trị này có thế được đánh giá tương đối thông qua độ đài đường đi rung bình #az và đường kinh đ cửa mạng Hên

kết Rõ ràng injection time là như nhau đổi với mọi dường, dị giữa hai cặp nút mạng, tbất ki, Chúng tỏi nhận thay độ trễ trên đường đây time to fly trung bình khi truyền

tm giữa cáo mạng liên kết lá chênh lệch không đảng kể Vậy độ trễ có thể được đánh giá thông qua thời gian tiêu tổn trên các bd chuyén ddi switches latency

Switches delay trung bình được tỉnh bằng tích của độ đài đường đi trung bình ng

nhân với độ trễ trên một bộ chuyển mạch Klú tính độ trẻ lớn nhất của một gói tia được truyền đi trên mang, switches delay lớn nhất được tính bằng tích giá trị cúa đường đi dài nhất nhân với độ trễ trên một bộ chuyên mạch Đường đi được nhắc

tới trong nghiên cứu của chúng tôi là đường đi được xác định thoo giãn Huật định

tuyến Trong trường hợp, giải thuật định tuyến luôn đưa ra các cơn đường tối ưu,

ng là độ đài trung bình của các đường đi ngắn nhất, cên giá trị của đường đi đài

36

nhất chính là giá trị lớn nhất trong số các dường, đi ngắn nhất (hay còn gọi là dường,

kính của mạng liên kết) Tóm lại, trong cáo nghiên cứu của mninh, chứng tôi phân

tịch đánh giá độ rể bằng phương pháp đỗ thị thông qua đánh g

bai gia tn tung

bình của dường di ngắn nhất (average shortest path length) và dường kinh

(diameter) cia mang lién két

2.1.3 Đánh giá khả năng chịu lỗi bằng lý thuyết dỗ thị

Khả năng chịu lỗi là khả năng của mạng hoạt động trong trường hợp có một hoặc nhiều lỗi Một lỗi được hiểu là một mrút mạng hoặc mệt kết nôi (kênh truyền) bị

hỏng vả không sử dụng được trong quả trính truyền tin Nhằm mục đích đơn giản

hóa, chúng tôi mô hinh hóa lỗi trên kết nối Lỗi trên một núi mạng có thể chuyên

thành lỗi trên tất cả các kết nối liên quan đến nút mạng đó Trên đỏ thị, một cạnh tương ứng với liên kết bị lỗi sẽ dược loại bỗ khỏi dễ thị Mạng liên kết tổn tại lỗi sẽ

tương ứng với đồ thị còn lại sau khi xóa bỏ các cạnh lỗi khỏi đồ thị ban dau

Để đánh giá khả năng của mạng có lỗi, chúng tôi xóa bỏ một cách nhau

Thiên các cạnh trên để thị ban đầu Đối với mỗi mội mang Hiên kết, số lượng cạnh bị

xóa bở ngẫu nhiên được xác dịnh bằng tí lệ cạnh lỗi a Trong dó ø lầy các giá trị tir

1% đến 10% số cạnh Dễ thị thu được sau khi xóa các cạnh trên sẽ là đầu vào của quá trình đánh giá hiệu năng (thông lượng, đô trổ) nêu ở 3.2.1 và 3.2.2

2.3 Đánh giá hiệu năng mạng liên kết bằng công cụ mô phông

2.3.1 Phương pháp đánh giá hiệu năng bằng công cụ mỗ phỏng

Phương, pháp này thục hiện dựa trên tư tưởng xây dựng một bộ giả lập mỗ

phỏng mạng liên kết và các hoạt động truyền gửi tin trên mạng Quá trình giả lập, cho phép người nghiên cứu trích xuất được các thông tín vẻ độ trễ và thông lượng

phụ thuộc vào lượng thông tin yêu cầu truyền đi (offered trafic) Từ đó, chúng tôi đánh giá hiệu năng của mạng liên kết thông qua đồ thị dưới hai cách thức CNT và

BNF triuh bay trong Workshop on Parallel Computer Routing and Communication (PCRCW'94) [4]

CNH, viết tắt của Chaos Normal lomm, là định dang dé thi 6 dé độ trễ và

thông lượng được biếu diễn tương quan với offered traffie (trình bảy trong mụe 2.5)

bằng hai đỗ thị độc lập Trong cả hai đỏ thị, trục X thể hiện offered traEfic Bằng cách sử đựng hai đồ thị, chúng ta có thể theo đồi được độ trễ trưyền tin trong cả

trường hợp bão hỏa

BNF, viét 4t cia Burton Normal Fonn, là định dạng đỗ thú biếu điển độ trễ

và thông lượng trong một đỗ thị duy nhất Trong trường hợp này, trục X tương ứng

thông lượng và trục Y thế hiện cho độ trễ

Trong quá trình nghiên cứu, và đánh giá kết quá, chủng tôi sử dụng hai định

đựng đỗ thị này một cách linh hoại Lày thuộc vào rnục đích sử dụng,

2.4 Dánh giá hiệu năng của ứng dụng

2.4.1 Phương pháp đánh giá

Mục tiêu của phương pháp dánh giá này là nhằm xác dmh xem tốc độ chạy

của một ứng dụng trên siêu máy tính (supereomputer) và trưng tảm dữ liệu (data centers) được cài đặt theo cầu hình mạng đang nghiên cúu Trong đỏ, các ứng dựng,

diễn hình được lựa chọn dễ giả lập, mô phỏng cả công việc thực hiện nhiệm vụ trên

vi xử lý và thời gian truyền tin trên mạng liên kết Tỏc độ chạy của ứng dụng không nam ở tắc độ của quả trình giả lập (khoảng thời gian mả ứng đụng sử dưng để hoàn thành công việc của mình, ví dụ dơn gián như thời gian cần thiết dễ thực hiện một tỉ phép tính) mà được đánh giá bằng số tác vụ trưng bình thực hiện trong một giây

(average operatiors per second) khủ rà ứng dụng được thực thì Sũ dụng cách đánh

giá nảy, người nghiên cứu có thể đánh giá một cách chính xác sự phủ hợp của mạng,

liên kết, giải thuật định tuyến đang nghiên cứu phù hợp sử dụng cho loại ứng đựng,

Tio

3

Một vẫn dé đặt ra là có nhiều loại ứng dung khác nhau trên mạng Đẻ phục

vụ cho việc nghiên cửu, nhiều tổ chúc đã đứng ra xây dựng một tập các ứng, dựng, chuẩn (benchmarks) nhằm thông nhất quá trình thử nghiệm và phân tích, đảnh giá kết quả (NASA, Hmemo [10]) Từ dò các nhà nghiên cứu có thể sơ sảnh, dánh giả được siêu máy tính xây dựng theo mô hình nào là tốt nhất Băng 5 mô tả các lớp

ứng dựng của NASA đành cho tính toán song sơng ]9J- Trong đó, TS là chuẩn dại

diện cho tập các img dụng sử dụng nhân (kemel) hệ điều hành chỉ bổ trợ sắp xếp số

nguyên vả truy cập đứt liệu ngẫu nhiên FT là chuẩn đại điện cho tận tmg đạng có sử

đụng biến đổi Fuai-ê rời rạc ba chiếu và trao đối đữ liệu theo hình thức all-te-alL

‘Trong Lang 5, người viết giữ nguyên giải nghĩa tổng Anh của NASA nhằm mục đích tra cứu về sau

Benchmarks M6 ta cia NASA

access and communication

MG Multi-Grid on a sequence of meshes,

long and short distance communication,

memory intensive

to-all communication

Bang 5: NASA paraliet benchmarks

Khi thực hiện quá trình mô phỏng, mỗi một tập ứng dụng có một bộ thông số

kĩ thuật, khối lượng công việc, kích thước của mạng hên kết khác nhau De đó,

NASA xây dựng các bộ thông số kĩ thuật và kích thước mạng liên kết cho mỗi tập

ứng đụng và phân vào các lớp riêng biệt bao gém A, B, C, D, F, 8, và W T.ớp A, B,

€ dành phục vụ cho các nhóm ứng dụng thông thường với kích thước vừa phải Lớp

D, H, F phục vụ cho các ứng dụng chạy trên các máy tính có kích thước rất lớn Lớp

8 và W là được sử dụng đề cầu hình và chuẩn bị môi trường gid Hip Bang 6 md (4

39