Generalidades sobre las Redes de Interconexión
La red de interconexión modifica el rendimiento global del sistema y la topología de la arquitectura. Es el vehículo a través del cual se comunican los diferentes elementos del sistema, como la memoria con el procesador, los elementos periféricos o los procesadores entre sí.
Se utilizan en sistemas como computadoras matriciales, multiprocesadores o multicomputadores. Dependiendo del tipo de sistema, los elementos que se interconectan pueden variar, pero la topología de la red y sus protocolos suelen ser comunes e independientes del sistema específico.
Definiciones Básicas en Redes de Interconexión
Tamaño de la Red
Es el número de nodos que contiene, es decir, el número de elementos interconectados entre sí. Estos elementos pueden ser procesadores, memorias, computadoras, etc.
Grado del Nodo
Es el número de canales que entran y salen de un nodo, y se representa por d (degree). El grado del nodo representa el número de puertos de E/S (Entrada/Salida) y, por lo tanto, influye directamente en el coste del nodo.
Diámetro de la Red
El diámetro (D) de una red es el máximo de los caminos más cortos entre dos nodos cualesquiera. La longitud del camino se mide por el número de enlaces o «saltos». El diámetro de la red nos proporciona el número máximo de saltos entre nodos, ofreciendo una medida de la eficiencia de la comunicación en la red.
Anchura de la Bisección
La anchura de la bisección (B) es el número mínimo de canales que, al ser cortados, separan la red en dos partes iguales. La bisección de cableado es el número de cables que cruzan esta división. Cuando la red se divide en dos partes iguales, al número mínimo de canales que atraviesa el corte se le denomina anchura de canal biseccional. En una red de comunicaciones típica, cada canal estará compuesto por un número W de bits, hilos o cables.
Longitud del Cable
La longitud total del cableado es también un factor importante, puesto que tiene efectos directos sobre la latencia de la señal, el desfase del reloj (clock skew) e incluso los requerimientos de potencia del sistema.
Redes Simétricas
Una red es simétrica si es isomorfa, es decir, si su topología se percibe igual desde cualquier nodo. Este tipo de redes tiene la ventaja de simplificar muchos de los problemas de asignación de recursos.
Ejemplo: Dado un patrón de tráfico uniforme, en las redes simétricas se produce una carga uniforme de los canales, algo que no ocurre en las redes asimétricas.
Factores de Rendimiento en una Red de Interconexión
El rendimiento global de una red de interconexión depende de varios factores clave:
- Funcionalidad: Determina cómo opera la red y su capacidad para entregar mensajes de manera eficiente.
- Latencia de la Red: Indica el retraso de un mensaje en el peor de los casos a través de la red. Es el tiempo que tarda un mensaje en viajar desde el origen hasta el destino.
- Ancho de Banda: Indica la velocidad máxima de transmisión de datos, generalmente medida en Mbytes/s, que se pueden transmitir a través de la red.
- Complejidad del Hardware: Se refiere al costo de implementación, incluyendo el costo de cables, conmutadores, conectores, lógica de arbitraje e interfaz.
- Escalabilidad: Indica la capacidad de una red para expandirse de forma modular con nuevos recursos, sin un detrimento significativo en el rendimiento global.
Capacidad y Puntos Calientes
Capacidad de Transmisión de la Red
La capacidad de transmisión de una red se define como el número total de datos que pueden ser transmitidos a través de ella por unidad de tiempo. Permite calcular el número total de mensajes que pueden coexistir en la red simultáneamente.
Puntos Calientes (Hot Spots)
Un punto caliente suele estar formado por un par de nodos (o un solo nodo, como un servidor de memoria) que reciben una porción desproporcionadamente grande del tráfico total de la red, pudiendo crear cuellos de botella.
En una red de dimensiones más elevadas, los cables se asignan a una dimensión particular y no pueden ser compartidos entre dimensiones, lo que puede afectar a cómo se maneja la congestión.
Componentes Clave del Diseño de Red: Topología, Encaminamiento y Control de Flujo
El diseño de una red de interconexión se fundamenta en tres capas conceptuales independientes:
Topología: Es la estructura física o lógica de la red. Se evalúa en términos de parámetros como la anchura de la bisección, el grado del nodo, el diámetro de la red, la longitud del cableado y su simetría.
Encaminamiento (Routing): Es el algoritmo que elige el camino que un mensaje debe seguir para llegar a su destino. La relación de encaminamiento (R) identifica los caminos permitidos. Los métodos se clasifican en:
- Determinista: El camino depende únicamente del origen y el destino.
- Inconsciente (Oblivious): Se pueden elegir varios caminos, pero sin usar información del estado de la red.
- Adaptativo: Utiliza información sobre el estado de la red (ej. congestión) para seleccionar la mejor ruta.
Control de Flujo: Es el mecanismo para regular el tráfico y la asignación de recursos (canales, búferes). Si dos mensajes intentan usar el mismo canal simultáneamente, el control de flujo determina:
- Qué mensaje obtiene el canal.
- Qué sucede con el otro mensaje (si es bloqueado, desviado o descartado).
Clasificación de las Redes de Interconexión según su Topología
Redes de Medio Compartido
El medio de transmisión es compartido por todos los dispositivos con capacidad de comunicación. En estas redes, solo un dispositivo puede utilizar el medio en un momento dado.
Redes Directas
Utilizan enlaces punto a punto que conectan de forma directa cada elemento de comunicación con un subconjunto (normalmente reducido) de otros dispositivos. Un componente común en estos nodos es un encaminador (router), que gestiona la comunicación entre nodos mediante el envío y recepción de mensajes.
Redes Indirectas
También conocidas como redes basadas en conmutadores (switches), forman el tercer grupo principal. En lugar de conexiones directas entre nodos de procesamiento, la comunicación entre cualquier par de nodos se realiza a través de uno o más conmutadores.
Redes Híbridas
Combinan mecanismos de redes de medio compartido con redes directas o indirectas. Su objetivo es incrementar el ancho de banda en comparación con las redes de medio compartido y reducir la distancia media entre nodos en comparación con las redes directas e indirectas puras.
Ejemplos de Topologías de Red
Redes de Medio Compartido
- Redes de Área Local (LAN)
- Bus de contención (Ej: Ethernet)
- Bus de paso de testigo (Ej: ARCNET)
- Anillo de paso de testigo (Ej: FDDI Ring, IBM Token Ring)
- Bus de Sistema (Ej: Sun Gigaplane, DEC AlphaServer 8X00, SGI PowerPath-2)
Redes Directas (Estáticas y basadas en Encaminador)
- Topologías Estrictamente Ortogonales
- Malla (Mesh)
- Malla 2-D
- Malla 3-D
- Toros (Torus)
- Toro 1-D unidireccional (Anillo)
- Toro 2-D bidireccional
- Hipercubo (Ej: Intel iPSC, nCUBE)
- Malla (Mesh)
- Otras Topologías Directas: Árboles, Ciclos Cubo-Conectados, Red de De Bruijn, Grafos en Estrella, etc.
Redes Indirectas (Dinámicas y basadas en Conmutadores)
- Topologías Regulares
- Barra Cruzada (Crossbar)
- Redes de Interconexión Multietapa (MIN)
- Redes con bloqueo (Blocking Networks): MIN Unidireccionales, MIN Bidireccionales.
- Redes sin bloqueo (Non-blocking Networks): Red de Clos.
- Topologías Irregulares (Ej: DEC Autonet, Myrinet, ServerNet)