Lec 15片上网络（一）：拓扑与流量控制（On-Chip Networks I: Topology / Flow Control）
Lec 15 片上网络（一）：拓扑与流量控制（On-Chip Networks I: Topology / Flow Control）
MIT 6.5900 Fall 2024 · Daniel Sanchez 主题：互连网络架构、拓扑（topology）及其度量、流量控制（flow control）协议
TL;DR
- 片上网络设计维度：互连架构横跨拓扑、路由、流控、路由器微架构与链路五个层次，核心度量包括网络直径、平均跳数与对分带宽。
- 消息层次与基本单位：消息在逻辑上划分为包（Packet，路由单元）、Flit（流控单元）与 Phit（物理传输单元），实现细粒度带宽与缓冲复用。
- 流控机制演进：从无缓冲电路交换到存储转发（SAF）、虚直通（VCT），再演进为虫孔（Wormhole）与虚通道（VC）流控，彻底化解线头阻塞（HOL Blocking）。
一、从互连网络到片上网络
互连网络按尺度从大到小：箱间（box-to-box）→ 板间（board-to-board）→ 芯片间（chip-to-chip）→ 片上网络（on-chip network, NoC）。
- 多芯片场景：超级计算机、数据中心、互联网路由器、服务器；
- 片上场景：服务器、笔记本、手机、HDTV、接入路由器。
本讲聚焦连接共享内存处理器中各私有缓存的片上网络。
什么是片上网络
在缓存一致的片多处理器（chip multiprocessor）中，网络在处理器核之间传输缓存一致性消息与缓存行。例如某核执行 Load reg1, addressA，请求需经网络到达地址 A 的归属节点（home node）或持有副本的共享者（sharer）。
二、互连网络架构的五个层面
| 层面 | 问题 |
|---|---|
| 拓扑（Topology） | 如何把节点（处理器、存储器、路由器线卡……）连起来？ |
| 路由（Routing） | 消息应走哪条路径？ |
| 流量控制（Flow control） | 消息实际如何从源转发到目的？ |
| 路由器微架构 | 如何构建路由器？ |
| 链路微架构 | 如何构建链路？ |
本讲采用自底向上：先讲流量控制（假设路由已定），下一讲讲路由算法。
三、拓扑及其度量
拓扑性质
- 路由距离（Routing Distance）：路径上的链路数；
- 直径（Diameter）：最大路由距离；
- 平均距离（Average Distance）；
- 若移除一组链路会使图断开，则称该组链路划分了网络；
- 对分带宽（Bisection Bandwidth）：穿过把网络一分为二的最小割的带宽。
线性阵列与环
路由 由相对地址 给定。
| 度量 | 线性阵列（Linear Array） | 环 / 1-D 环面（Ring / Torus） |
|---|---|---|
| 直径 | （N 为偶数） | |
| 平均距离 | （N 为偶数） | |
| 对分带宽 |
环面例子：FDDI、SCI、FiberChannel Arbitrated Loop、Intel Xeon。环可排布成使用短线的形式。
多维网格与环面
- d 维阵列： 个节点，用 d 维坐标向量 描述；
- d 维 k 元网格（k-ary d-mesh）：，；
- d 维 k 元环面（k-ary d-cube）：在网格基础上加环绕链路。
四、消息的分层单位
| 单位 | 含义 |
|---|---|
| 包（Packet） | 路由与排序的基本单位，大小受限（如 64 bits – 64 KB） |
| flit（flow control digit） | 带宽/存储分配的基本单位；同一包的所有 flit 走同一路径 |
| phit（physical transfer digit） | 单个时钟周期内传输的数据 |
为什么要 flit？为了支持可变包长，并以更细粒度分配带宽与缓冲。
路由 vs 流量控制
- 路由算法选择包从源到目的应走的路径；
- 流量控制方案为穿越网络的包分配资源（缓冲、链路、控制状态）。
路由算法的性质
- 确定性/无关（Deterministic/Oblivious）：路径仅由 (源, 目的) 决定，与中间状态（流量）无关；
- 自适应（Adaptive）：路径受沿途流量影响；
- 最小（Minimal）：只选最短路径；
- 无死锁（Deadlock-free）：任何流量模式都不会导致没有包能前进。
五、流量控制协议
竞争（Contention）
两个包试图同时使用同一链路——因为共享带宽与缓冲资源而产生。缓冲有限或没有缓冲时尤为突出。
协议谱系（复杂度与效率递增）
- 无缓冲（Bufferless）：电路交换、丢弃、误路由；
- 有缓冲（Buffered）：存储转发、虚直通、虫孔、虚通道。
1. 电路交换（Circuit Switching）
源到目的先建立一条"电路"：用探测包建立路径 → 预留所有链路 → 数据通过 → 释放。无缓冲。
优点：实现简单。缺点：浪费，短包延迟约为 3 倍（请求—确认—释放的往返开销）。
2. 丢弃（Dropping）
若两者同时到达而资源不足，丢弃其一（互联网的流量控制哲学）。
缺点：需重传；流量与缓冲之间的权衡很差。
3. 误路由（Misrouting）
故意把包路由远离拥塞，无需缓冲。
"若每节点每次只能进/出一个消息，网络就永不拥塞"——错！多跳会造成拥塞。问题：活锁（livelock），需保证有进展。
有缓冲路由：链路级背压
既然不能丢包，就要管理缓冲。关注吞吐/延迟与缓冲利用率。背压技术：
- 朴素停顿（on/off）：源能否发送；
- 复杂停顿（基于信用，credit-based）：能向下游发多少个 flit；
- 推测（ack/nack）：先假设能发并保留副本，按 ack/nack 决定丢副本或重发。
4. 存储转发（Store-and-Forward，基于包）
在每个中间站等整个包到齐才继续前进。
优点：其他包可用中间链路。缺点：每跳都经历串行化延迟（serialization latency）。
5. 虚直通（Virtual Cut-Through，基于包）
包的头 flit 先冲出去，不必等整包到齐；头被阻塞时整包阻塞在一个中间节点。用于 Alpha 21364。
优点：更低延迟。缺点：缓冲按包分配 → 缓冲大、利用率低；信道按包分配 → 不公平、利用率低。
6. 虫孔（Wormhole，flit 缓冲流量控制）
包阻塞时，就地阻塞各 flit 当前所在之处。类似直通，但信道与缓冲按 flit 分配（信道状态即虚通道，分配给包以便体 flit 跟随头 flit）。
优点：所需缓冲空间更小。缺点：可能在包中途阻塞一条信道，使其他包无法用其带宽。
7. 虚通道（Virtual-Channel, VC）流量控制
消息阻塞时，不占住物理链路，而是占住虚链路。缓冲中有多个队列（像高速公路上的多车道），虚通道可理解为信道状态 + flit 缓冲。
优点：显著减少阻塞。缺点：路由器更复杂，需公平的 VC 分配。
片上网络拓扑与流量控制机制总结
- 片上网络的设计分拓扑、路由、流量控制、路由器/链路微架构五个层面；
- 拓扑用直径、平均距离、对分带宽度量，线性阵列/环/多维网格与环面是基础结构；
- 消息分为 packet / flit / phit；
- 流量控制从无缓冲（电路交换、丢弃、误路由）到有缓冲（存储转发、虚直通、虫孔、虚通道），虚通道用最小代价显著降低阻塞。
虫孔流控与虚通道（Virtual Channel）打破线头阻塞的本质
在片上网络早期，虫孔流控（Wormhole Flow Control）凭借「以 Flit 为粒度分配缓冲」的优势，将片上路由器的 SRAM 面积开销压缩到了极致——一个数据包可以像蠕虫一样身跨多个路由器。然而，虫孔流控的致命软肋在于线头阻塞（Head-of-Line Blocking, HOL）：当包头 Flit 遭遇下游拥塞停顿在某一输入端口时，其后续跟随的 Body Flits 会被钉死在整条物理路径上，强行占据沿途物理链路的带宽并剥夺其他就绪数据包的前进机会。
Bill Dally 提出的虚通道（Virtual Channel, VC） 技术在微架构层面实现了神来之笔：在单个物理链路上多路复用多个独立的 Flit 缓冲队列与逻辑状态。虽然物理连线依然共享，但不同虚通道的数据包在逻辑上完全解耦。当 VC 0 中的数据包停顿阻塞时，VC 1 中不相干的数据包可以自由借用同一物理链路向前穿行，如同在单行道上动态开辟出「超车道」。这种以极少量寄存器控制逻辑换取网络吞吐翻倍的微架构创新，不仅彻底消除了线头阻塞，更成为后续构建无死锁路由和划分一致性虚拟网络（Virtual Networks）的绝对基石。
下一讲：路由器（交换机）微架构与路由算法