什么是互连网络?

[拼音]：hulian wangluo

[外文]：interconnection network

由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用以实现计算机系统内部多个处理机或多个功能部件之间的相互连接。

在并行处理计算机系统、分布计算机系统和计算机网等由多个处理机或多个功能部件组成的各种系统中，都会遇到机间互连问题。互连必须遵循一定的拓扑结构，通过开关元件来完成，以一定的控制方式实现机间通信。因此，互连网络是这些系统的重要组成部分，它对系统的性能指标有决定性的影响。

互连网络具有三大要素，即结点间互连拓扑(包含连接通路)、开关元件和控制方式。在不同的系统中，开关元件所处的物理位置可能是不同的。在采用集中式结构的系统中，互连网络可以是一个独立的部件，由一组开关元件构成，位于被连接的处理机或功能部件结点之间，在一定的控制方式作用下，按照互连拓扑的要求建立结点间的各条连接通路，以实现各个结点对的相互通信。但是，在许多采用分布式结构的系统(特别是计算机网)中，开关元件可能分散地隐含在各个结点内部，从外面只能看到由结点间连接通路所代表的互连拓扑，因而互连网络并不是以一个独立部件的形式出现的，这是一种对互连网络的广义理解，是随着分布式系统结构的日益流行而确立起来的。按照这种广义理解，公共总线是互连网络的一个特例。

互连网络的直接作用是建立机间连接通路。互连网络有两种形式。一种是非共享连接通路，即结点与结点直接相连，非直接相连的结点之间的通信经过中间结点转送。这是多数计算机网的连接情况。另一种是共享连接通路，即多个结点相互间经过开关元件相连，以建立可变的连接通路，同一路径段通过开关元件的选择在不同时刻可为不同的结点对服务，达到共享的目的。这是总线型局部区域网和集中式多处理机的连接情况。

互连网络的功能是完成计算机系统中的数据传送和变换。在单指令流多数据流计算机系统中，互连网络实现多个处理单元与多个存储单元之间的数据变换，又称为数据变换网络，其概念化功能模型如图1。在多指令流多数据流计算机系统中，互连网络既可实现处理机与共享存储器模块间的连接，称为集中式结构（图2a）， 也可实现带本地存储器的处理机结点相互之间的连接，称为分布式结构（图2b），还可二者结合，既有共享存储器，也有本地存储器。

互连网络分为静态互连网络和动态互连网络两类。静态互连网络的每一个开关元件固定地与一个结点相连，以建立该结点与邻近结点之间的被动连接通路。它一般用于分布计算机系统和计算机网，实现计算机结点之间的总点连接。动态互连网络的结点只与互连网络边界上的开关元件连接，在所有开关元件共同参与下，建立结点间主动可控的通信路径。它一般用于多处理机系统实现并行进程间的相互通信。

这类网络如用结点和边组成的图来表示，则须满足下列要求：

（1）网络每个结点的相连边数（称为度）要小，且在各结点处最好都相等，而与网络的大小无关；

（2）在任意二结点间循最短路径通信所经过边数的最大值（称为直径）要小，且随结点数目增多而缓慢增大；

（3）对称性要好，以达到信息流量分布均匀；

（4）通过对各结点的合理编址，能实现高效路径算法；

（5）有较高的路径冗余度，以满足坚固性要求；

（6）增量扩展性要好，即每次只扩展一个或少数几个结点，仍能保持原有互连拓扑特性。

静态互连网络有多种形式，但基本图形为环形、主方体形、树形(含星形)、网格形和总线型等几种(图3)。其他各种复杂的静态互连拓扑可用下列方法产生：

（1）直接对基本图形进行改进，例如合理地增加图中边的数目，成带弦形等（图4a）。

（2）不同基本图形相结合，形成例如立方体连接环（图4b）和多树结构（图4c）。

（3）基本图形多次递归，产生新的复杂图形。

（4）用地址映像函数确定网络拓扑，即先对结点号进行编码，然后规定边的末端结点号为始端结点号的某一(组)映像函数。

（5）用启发式方法对网络拓扑进行寻优。

这类网络可按不同方面的特性分为多种形式。

（1）按输入端和输出端的布置划分，有双边、单边和折叠网络。

（2）按连接能力划分，有阻塞、重安排和无阻塞网络。

（3）按互连类型划分，有连接器、集中器、扩展器和分组器。

（4）按开关元件类型划分，有交叉开关、交换开关和细胞开关。

完全交叉开关（图5a）向模块化方向演变，可产生基准全排列网络(图5b），它代表很大一类由交换开关构成的多级动态互连网络。另一类重安排网络是细胞互连阵列（图5c），它是一种更适合大规模集成的结构形式。

动态互连网络的技术性能主要用连接能力和级数来衡量，这综合反映了它的频宽指标；而其价格指标则用开关点数来表示。