Introdução. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 1

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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 - Prof a Luiza Mourelle 1

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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 2

3 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 3

4 Multiprocessamento rede de interconexão... P P P... M M M Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 4

5 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 5

6 Multiprocessamento... P P P rede de interconexão... M M M Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 6

7 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 7

8 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 8

9 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 9

10 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 10

11 Multiprocessamento Classificação: modo de operação : síncrono ou assíncrono controle: centralizado, descentralizado, distribuído topologia: meio compartilhado, diretas, indiretas, híbridas Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 11

12 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 12

13 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 umpara-muitos. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 13

14 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 Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 14

15 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 15

16 Redes de Meio Compartilhado 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 16

17 Redes de Meio Compartilhado barramento com token anel com token Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 17

18 Redes de Meio Compartilhado 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 18

19 Redes de Meio Compartilhado 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 19

20 Redes de Meio Compartilhado The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 20

21 Redes de Meio Compartilhado Barramento assíncrono: não utiliza um clock comum dispositivos podem ter velocidades diferentes e ter seus próprios clocks protocolo de handshake para sincronizar Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 21

22 Redes de Meio Compartilhado The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 22

23 Redes de Meio Compartilhado 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 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 23

24 Redes de Meio Compartilhado 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 24

25 Protocolo de transação dividida: controle mais complicado; Redes de Meio Compartilhado 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 25

26 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 26

27 Redes Diretas processador memória local dispositivo canais de entrada roteador.. canais de saída Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 27

28 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 28

29 Redes Diretas 4 cubo 2-ario (hipercubo) malha 3-D 3-ario 2 cubo 3-ario Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 29

30 Redes Diretas Árvore binária desbalanceada Árvore binária balanceada Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 30

31 Caracterizada por três fatores: Redes Diretas 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 31

32 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 32

33 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 33

34 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 ponto de chaveamento M saídas Crossbar com NxM chaves Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 34

35 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 35

36 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 36

37 Redes Indiretas Rede Benes 8x8 Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 37

38 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 = k n 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 = k n portas, considere X = x n-1 x n-2 x n-3... x 0 como o número de uma porta arbitrária, 0 X N-1, onde 0 x i k-1, 0 i n-1. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 38

39 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. 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 39

40 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 de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 40

41 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. Redes de Interconexão - Prof a Luiza Mourelle 41