[发明专利]可靠快速的数据广播方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及数据广播，更具体地涉及一种包括复数个节点的系统内的可靠快速的信息广播。

背景技术

并行计算系统，例如计算机集群、对称多处理（SMP）计算机及其他架构正变得越来越买得起和物有所值，从而广泛应用。许多这样的系统通过产品和相对廉价的计算机部件连接高速网络（例如LAN，专有互连等）或系统区域网络（SANs）而构建。这些类型的计算系统比得上历史性的昂贵的定制的超级计算机。

大部分规划模型提供写并行应用，以及多数并行应用使用集/散通信操作。此外，多数科学的应用唯一依靠集/散操作来实现它们的通信。因此，提供一种高性能的且可扩展的集/散通信方法以广播信息，对基于并行技术系统的产品的操作和成功来说是至关重要的。

提供一种高性能的且可扩展的集/散通信方法的一个关键问题是可靠地且快速地广播一条消息。现有的方法需要至少O(log n)步以可靠地传送一条消息到n个节点。这意味着对于可靠数据广播的努力和时间，增加以对数方式的节点数量。

图1A～1C为详细显示了现有技术中通过并行计算体制以广播数据的方框图。如图1A所示，广播数据的最简单的方法是将数据一个接一个的发送到群里的每个接收机。当节点的总数为n时，这个方法需要n次发送和n次接收。因此需要0(2n)步。

图1所示的方法的直接改进是使用特定的互联连接（例如，以太网，无限带宽Infiniband等）的广播/组播功能。然而，这种广播和组播的协议支持仅仅是不可靠的数据报网络服务，其不能保证可靠的数据传送。

因此需要使用硬件支持广播/组播功能，以及额外的可靠协议来代替。所有已知的和现有技术中实施这种可靠协议的方法为（1）一种简单的方法，其中每个接收机发送一个确认直接回到根处（root）；或（2）一种可逆的基于树的确认方法，其中树叶（leaves）开始发送确定到合作根（co-roots）和最后通知主根（main root）所传送的消息。

例如，结合如图1B所示的第一种改进，根节点使用组播，同时其他节点等待它。当接收到消息时，发送一个确定（ACK）返回到该根节点。该根阻滞（blocks）和等待所有将被接收的ACK。如果不是所有的ACK在特定的时间内到达，则超时以及再传送消息。这种方式为0(n+l)，其中发送为0(1)以及返回确定为O(n)。

第二种改进是使用基于树型结构的算法，其基于点到点的通信操作。与滚雪球原理相似，根发送（消息）到多个节点，反过来，每个节点发送每个（消息）给多个节点，直至到达树叶。在基于树型结构的方法中，到达树叶节点的步骤数随着典型地使用对数方式0(log n)的节点的总数n而增加。

更特别地，如图1C所示，与图1B的方案相反，通过根发送机的广播后，避免一连串的ACK全部在相同时间到达（hitting）发送机（如我们所知的“ACK内爆（ACK implosion）情况），使用一种分级结构实现ACK收集，从而分散负担到多个节点上。用于收集ACK的基于树的结构中，所有节点形成带根的树结构，且作为树的根。中间节点负责为它们的孩子收集ACK。一种称为合作根（co-root）的方案，其中除了根节点以外，还选择其他节点的子集作为合作根以通过可靠方式接收数据。剩下的节点被称为树叶节点。每一个根以及合作根负责一组树叶节点并实施上述操作。这种类型的方法使用0(log n)步给n个节点。

虽然基于树型结构的方案提高了吞吐量（throughput），随着节点数量的增加仍然会增加延迟（尽管通过log n的减慢对数因子）。

以及存在即使在基于树的实施的额外延迟的原因。例如，广播通常作为一种阻滞操作被实施，以保证该操作在通信缓冲器能够被重新使用前不会返回到根节点。相应地，可靠协议将重发消息以及通信缓冲器只好保持最初的消息直到最后一个节点已经确定接收。对于接收节点来说，该操作仅仅在广播数据已经传送到各自的接收缓冲器以后才返回。这个阻滞要求因此能够产生明显的延迟，尤其当节点的数量增加以及通信中断发生的可能性相应的增加。

基于树型结构的方法的另一个缺点是，如果期望发送广播数据的中间节点为忙时，它们延迟发送，从而给应用的执行时间带来不利的影响。

相应地，渴望获得一种可靠的方法，其仅仅需要固定数量的步骤以实现并行计算系统中的散/集通信功能，以及允许使用基于集群计算机的简单产品以实现和定制的超级计算机相比的相似的性能。

发明内容