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一文读懂Dragonfly拓扑

网络拓扑
2023-02-24
5484
更新：2023-02-24 22:04:27

Dragonfly是由John Kim等人在2008年的论文[*Technology-Driven, Highly-Scalable Dragonfly Topology*](https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/4556717)中提出，它的特点是网络直径小、成本较低，对于高性能计算有着非常大的优势。现在已经被运用在使用[Cray XC系列网络](https://www.alcf.anl.gov/files/CrayXCNetwork.pdf)的各种超算中。

## 拓扑结构

一个简单的dragonfly网络如下图所示。

Dragonfly的拓扑结构分为三层：Switch层，Group层，System层[也叫路由器(Router)、组(Group)、系统(system)层）]。

◼ Switch层：包括一个交换机，及其相连的 **p** 个计算节点

◼ Group层：包含 **a** 个Switch层，这 **a** 个Switch层的 **a** 个交换机是全连接(All-to-all)的，换言之，每个交换机都有 **a-1** 条链路连接分别连接到其他的 **a-1** 台交换机

◼ System层：包含 **g** 个Group层，这 **g** 个Group层也是全连接的

对于单个switch交换机，它有`p`个端口连接到了计算节点，`a-1`个端口连接到Group内其他交换机，`h`个端口连接到其他Group的交换机

因此，我们可以计算得到网络中的如下属性

◼ 每个交换机的端口数为 **k**=p+(a-1)+h

◼ Group的数量为 **g**=ah+1

◼ 网络中一共有 **N**=ap(ah+1) 个计算节点

◼ 如果我们把一个Group内的交换机都合成一个，将它们视为一个交换机，那么这个交换机的端口数为 **k‘**=a(p+h)

在一个较小规模的网络中， **g**=ah+1 个group可能会较多，可以将任意两个Group之间的连接数由一条增加为多条，这样任意两个Group之间就有 floor((ah+1)/g) 条链路连接。

不难发现，在确定了 **p**，**a**，**h**，**g** 四个参数之后我们就可以确定一个dragonfly的拓扑，因此一个Dragonfly的拓扑可以用 **dfly(p,a,h,g)** 来表示

一种推荐的较为平衡的配置是方法是：a=2p=2h

## 路由算法

Dragonfly的路由算法主要有两类，最小路由算法（Minimal Routing，最短路径的路由）与由Valiant提出的可以在系统层面上应用的非最短路径的路由算法（Non-Minimal Routing，非最短路径的路由）。此外作者在论文中还提出了UGAL(Universal Globally-Adaptive Load-balanced，全局自适应负载均衡路由)算法。具体来讲：

◼ Minimal Routing：最短路径的路由，简写为**MIN**。由于拓扑的性质，Minimal Routing中最多只会有1条Global Link和2条Local Link，也就是说最多3跳即可到达。在任由两个Group之间只有一条直连连接时（即**g**=ah+1时），最短路只有一条。

◼ Non-Minimal Routing：非最短路径的路由，可以简写为**Non-Min**，来自论文[A scheme for fast parallel communication](https://ldhulipala.github.io/readings/ValiantPermutationRouting.pdf)。有的地方叫Valiant algorithm，简写为**VAL**，还有的地方叫Valiant Load-balanced routing，简写为**VLB**。随机选择一个Group，先发到这个Group然后再发到目的地。由于拓扑的性质，VAL最多会经过2条Global Link和3条Local Link，最多5跳即可到达。

◼ Universal Globally-Adaptive Load-balanced(**UGAL**)：全局自适应负载均衡路由，来自论文[Load-Balanced Routing in Interconnection Networks](https://static.aminer.org/pdf/PDF/000/338/323/balanced_routing.pdf)。当一个数据包到达交换机时，交换机根据 最短路径路由MIN 和 非最短路径的路由VAL 的 路径上所有交换机队列的排队长度的和，来选择路由。

因为要获取到全局网络状态信息太难了，所以提出了一系列变种，在Dragonfly中有如下若干种实现方式：

◼ UGAL-G：只根据发送节点所在的Group的所有交换机的队列排队长度来进行判断。但是要实现这个依然很难，也是一个非常理想的情况。

◼ UGAL-L：只根据本地交换机的队列排队长度来进行判断，这种方式会产生一个问题：当在源Group中进行路由时，如果最短路径和非最短路径都要经过源Group中另一个交换机时，此时这两条路径的出口队列一致，因此总是会选择最短路径。

◼ UGAL-LVC：针对UGAL-L的问题进行了一点改进：将最短路径和非最短路径分为两个VC，分别排队来计算长度。但是这样又会导致数据包更偏向选择非最短路由，导致在均匀流量模式下性能不好。

◼ UGAL-LVC_H：针对UGAL-LVC的问题又进行了一点改进：只有在MIN和VAL的输出端口不一样的时候，才用VC的队列长度来进行判断，否则还是直接使用队列长度来判断。

◼ UGAL-LCR：由于只用本地信息来判断拥塞，在buffer越大时反而造成的延迟越大，因为buffer被填满了之后，上游的交换机才能通过没有credit了感知到。为了克服这个问题，可以通过当前拥塞情况主动增加credit的返回延迟，上游交换机认为返回credit越快的交换机拥塞程度越小。

## 死锁避免

在Dragonfly中，形成环路的概率要高很多。因此，如果使用最短路由，需要2个VC来避免死锁；如果使用非最短路由，需要3个VC来避免死锁。

参考资料：

1、https://ngdcn.com/post/208.html

2、https://www.cnblogs.com/Nreyab/p/15590684.html

3、http://blog.sysu.tech