상호연결망의 구조

상호연결망의 구조에 관하여

상호연결망의 구조에 관하여 알아보도록 하겠습니다. 버스를 이용한 프로세서 간의 연결 방식은 구조가 간단하지만 시스템의 규모가 커지면 하드웨어가 복잡해지기 때문에 구현에 많은 어려움이 존재합니다. 그렇기에 하드웨어의 복잡성을 줄이고 단일 버스의 구조보다는 성능을 크게 향상하며, 결함 허용도도 높여주는 여러 가지 상호연결망들이 지금까지 제안되어 왔습니다. 이러한 상호연결망은 여러 개의 처리 요소를 가진 병렬처리 시스템에서 처리 요소와 기억장치 사이를 연결해 주는 네트워크를 말합니다. 네트워크의 성능을 결정하는 요소들을 잠깐 살펴보자면 먼저 대역폭이 중요합니다. 대역폭은 네트워크를 통하여 전송될 수 있는 최대 데이터 전송률을 말합니다. 그리고 네트워크 지연입니다. 이는 네트워크를 통하여 메시지를 전송하는 데 소요되는 지연시간을 의미합니다. 다음으로 기능성입니다. 기능성은 네트워크가 데이터 경로 설정, 동기화, 인터럽트 처리 및 메시지 송수신 등과 동작을 어느 정도 지원해 주는지를 나타냅니다. 그리고 시스템에 새로운 하드웨어가 추가됐을 때 시스템 성능이 향상될 수 있도록 네트워크 확장이 가능한지를 나타내는 확장 가능성입니다. 이러한 요소들로 인해 네트워크의 성능이 결정되며 모두 적절히 성능을 발휘했을 때 상호연결망이 활발하게 이루어질 수 있습니다. 상호연결망을 통한 처리 요소 간의 통신목적과 통신영역은 사용되는 프로그램, 알고리즘, 계산 모델, 언어에 따라 달라집니다. 더불어 상호연결망은 정적 상호연결망과 동적 상호연결망으로 구분됩니다. 지금부터 정적 상호연결망과 동적 상호연결망의 구조에 대해서 자세하게 설명해 드리겠습니다. 먼저 정적 상호연결망은 시스템 요소 간에 직접 연결된 경로를 가지고 있으며 연결구조가 고정된 연결망입니다. 이때 한번 결정된 경로는 변경시킬 수 없습니다. 이러한 형태의 상호연결망은 통신유형을 예측할 수 있는 경우에 적합하며 구조는 선형, 링, 트리, 팻 트리, 메쉬, 토러스, 하이퍼큐브 등이 있습니다. 먼저 성형 구조는 허브라고 하는 특별히 할당된 노드와 연결되는 구조입니다. 허브 이용에 대한 충돌 때문에 10개가 조금 넘는 정도의 노드로 제한됩니다. 다음은 선형 구조입니다. 선형 구조는 가장 단순한 구조로 여러 개의 노드가 링크들에 의해 차례대로 연결되는 구조입니다. 모든 노드는 연결도로를 가지고 있기 때문에 추가하는 비용은 고정되며, 결합 노드가 발생했을 경우에는 모든 노드 사이의 통신이 마비됩니다. 이러한 통신 마비를 해결하는 방법으로는 결함 포용성을 가지도록 하는 것인데 결함 포용성 노드는 결함이 생겼을 때 그 노드를 네트워크에서 제거되도록 해서 메시지가 통과할 수 있는 하는 노드입니다. 다음은 링 구조입니다. 링 구조는 선형 배열을 변형한 구조로 양 끝이 연결되어 있는 선형 네트워크입니다. 이 구조는 결함 노드가 있을 때 다른 길로 감으로써 그 노드를 피해 갈 수 있다는 것이 특징입니다. 다만 통신 시간이 노드 수에 비례하여 증가하기 때문에 노드가 많은 경우에는 적합하지 않습니다. 다음은 트리 구조입니다. 트리 구조는 일정하게 유지하면서 확장이 가능한 구조라는 점이 장점이지만 통신거리가 상대적으로 길다는 것이 특징입니다. 오늘날의 컴퓨터는 이 구조나 계층적 구조의 상호연결망을 많이 가지고 있습니다. 따라서 트리 구조의 네트워크는 앞으로도 유망할 것으로 보입니다. 이러한 트리 구조를 개량한 것이 바로 팻 트리 구조입니다. 팻 트리의 채널 크기는 상위계층으로 올라갈수록 커지고 가지가 뿌리로 갈수록 점점 굵어지는 실제 나무 구조와 같습니다. 기존 트리 구조보다 상위 수준의 병목 현상을 해결할 수 있습니다. 다음은 메쉬 구조와 토러스 구조입니다. 이 구조들은 처리기 배열에 아주 적합합니다. 여기서 메쉬 구조는 노드들이 2차원망의 교차점에 배치되어 있어서 2개의 노드가 상하좌우로 근접하여 있으면서 서로 연결됩니다. 이러한 메쉬 구조를 변형한 것이 바로 일리악 메쉬 구조와 토러스 구조입니다. 다음으로 하이퍼 큐브 구조입니다. 기하학적으로 n 차원 공간에서 정의되는 큐브의 2n의 꼭짓점에 노드를 가진 구조를 가지고 있습니다. 이 구조는 처리기의 수가 증가하면 연결점과 그와 관련된 하드웨어가 로그의 수로 증가하므로 많은 처리기를 연결할 때 좋은 효율을 가지고 있으며 모든 노드가 동등하므로 모두 다 같은 경로 배정 방법을 사용할 수 있다는 것이 특징입니다. 여기까지 정적 상호연결망에 대해서 알아봤습니다. 다음으로 동적 상호연결망의 구조에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 동적 상호연결망은 시스템 요소 간의 연결 경로가 실행시간 동안에 다양하게 변경될 수 있으며, 프로그램 실행 중의 통신 패턴과 상황에 따라 필요한 경로를 설정하여 사용할 수 있는 연결망으로 가능한 한 모든 유형의 통신을 할 수 있기 때문에 보다 범용적인 시스템 구축에 적합합니다. 이러한 동적 상호 연결망은 버스, 크로스바, 다단계 네트워크 등이 있습니다. 먼저 버스 구조는 일반적으로 미니컴퓨터나 마이크로컴퓨터에서 이용됩니다. 사용되는 처리기의 수가 적을 때나 최대 버스 교통량이 버스 대역폭에 비해서 적을 때 아주 탁월한 성능을 발휘합니다. 또한 비용이 저렴하고 작은 규모의 다중처리 시스템에 적합하며 트리 구조의 시스템에서 지역적인 기반으로 이용될 수 있다는 것이 특징입니다. 다음으로 크로스바 구조는 지역 기반구조로 매우 유용하며 트리 구조 시스템의 하부 수준에서 프로세서와 기억장치의 클러스터를 조직할 때 좋은 성능을 가지고 있습니다. 그리고 다단계 네트워크는 근원지와 목적지 사이에 여러 개의 스위치 요소가 있는 상호연결망으로 많은 연결이 필요하고 처리기의 수가 많을 때 이용됩니다. 지금까지 상호연결망의 구조에 관하여 알아봤습니다.