Avaliando a Vazão de Redes-em-Chip Sem Fio Single-Hop
Amanda Maria P. Amorim
Pontifı́cia Universidade Católica de Minas
Gerais, PUC Minas
Belo Horizonte, Brasil
[email protected]
Henrique C. Freitas
Pontifı́cia Universidade Católica de Minas
Gerais, PUC Minas
Belo Horizonte, Brasil
[email protected]
RESUMO
REDES-EM-CHIP SEM FIO
As WiNoCs multi-hop podem ter a sua escalabilidade e desempenho prejudicados pelas comunicações broadcast, devido a inundação da rede causada por elas. Acredita-se
que WiNoCs single-hop podem ser melhores para algumas
aplicações por realizarem as comunicações diretamente entre os nós origem e destino. Pois isso reduz a inundação
da rede causada pelas retransmissões usadas para os pacotes chegarem aos seus destinos. Assim, o objetivo deste artigo é avaliar a vazão dos pacotes transmitidos na execução de
aplicações paralelas em uma WiNoC single-hop. Pelos resultados conclui-se que a WiNoC projetada possui um bom desempenho para as aplicações paralelas. Mas necessita de melhorias em relação às comunicações N:1, visto a baixa vazão
de pacotes unicasts deste tipo.
Nas Wireless Networks-on-Chip roteadores são conectados a
cada núcleo e possuem como interface de rede entre os roteadores antenas que emitem sinais de rádio frequência para
prover a comunicação em arquiteturas many-core reduzindo
o consumo de energia e a latência da chegada dos pacotes
decorrentes pelo uso de fios [12].
Palavras-chave
A busca por melhorias nas arquiteturas WiNoCs vem impulsionando diversas pesquisas que propõem WiNoCs hı́bridas [6,
10, 11]. Nestas propostas as WiNoCs são divididas em subredes onde os seus núcleos são conectados por meio de fios
e se comunicam de forma multi-hop, e as sub-redes por conexões wireless single-hop. Todos os autores destacam o melhor desempenho das WiNoCs hı́bridas em relação as NoCs.
As aplicações paralelas são as que melhor exploram este tipo
de arquitetura. Essas aplicações são divididas em threads que
são processadas pelos diversos núcleos da arquitetura. Em
suas execuções as threads se comunicão por meio dos padrões
de comunicação: 1 para 1, 1 para N, N para 1 e N para N [4].
TRABALHOS RELACIONADOS
Avaliação de Desempenho; Redes-em-Chip Sem Fio
Single-Hop; Carga de Trabalho Paralela.
INTRODUÇÃO
As Redes-em-Chip (NoCs, do inglês Networks-on-Chip), surgiram como uma proposta para reduzir o alto consumo de
energia e alta latência em arquiteturas multi-core, que ocorrem devido ao uso de um maior comprimento de fios para conectar os núcleos a medida que o seu número aumenta. Mas
com o crescente aumento do número de núcleos (arquiteturas many-core) estes problemas voltam a ser significativos.
As Redes-em-Chip Sem Fio (WiNoCs, do inglês Wireless
Networks-on-Chip) aparecem como uma alternativa escalável
e flexı́vel para conectar os núcleos eliminando os problemas
causados pelo uso dos fios.
Na literatura não foi encontrada nenhuma analise de WiNoCs com comunicações em sua totalidade single-hop. Foram encontrados apenas trabalhos de propostas hı́bridas. Diante disso, a contribuição deste artigo é avaliar o comportamento de WiNoCs single-hop com cargas de trabalho paralelas do NPB (NAS Paralell Benchmarks). Através deste estudo espera-se verificar os impactos de todas as comunicações
serem diretamente entre os nós de origem e destino.
Segundo a autora de [9], as arquiteturas WiNoCs multi-hop
possuem um bom desempenho nas comunicações unicast,
mas as comunicações broadcast podem limitar a escalabilidade e degradar o desempenho devido a inundação da rede.
ARQUITETURA WINOC SINGLE-HOP E O AMBIENTE DE
SIMULAÇÃO
Um ambiente de simulação de WiNoCs foi desenvolvido, em
[9], usando o simulador Network Simulator (NS-2) versão
2.29 [8] integrado com os módulos Ultra Wide Band (UWB)
[7] e Fast Broadcast [5]. Em [3] foi integrado ao NS-2 os
traces dos NAS como geradores de tráfego. A arquitetura
apresentada e avaliada neste artigo é um resumo dos resultados alcançados em [1, 2]. A Tabela 1 apresenta alguns dos
parâmetros da arquitetura WiNoC single-hop proposta, como
a topologia de rede mesh e a tecnologia de rádio UWB.
Diante disso, espera-se que WiNoCs single-hop podem favorecer algumas aplicações por realizar as comunicações diretamente entre os nós origem e destino. Pois assim há a redução
da ocupação dos nós e inundação da rede causadas pelas retransmissões necessárias para que os pacotes cheguem aos
seus destinos, principalmente em comunicações broadcast.
Portanto, o objetivo deste trabalho é avaliar a vazão dos pacotes enviados durante a execução de aplicações paralelas em
uma WiNoC single-hop.
Para que as comunicações entre os núcleos de uma WiNoC
sejam single-hop é necessário que o sinal de transmissão (IRUWB) seja propagado por toda a rede, atingindo todos os nós.
1
Parâmetros
Valor
Topologia
Distância entre os nós
Abordagem ad-hoc
Tecnologia de rádio
Frequência central
Altura da antena
Taxa de dados
Mesh
1 mm
Single-hop
UWB
3,6 GHz
3 mm
1,16 Gbps
de coletar dados sobre as comunicações existentes nas suas
execuções. Por meio dessas informações foram gerados os
arquivos usados na geração de tráfego no NS-2.
As simulações das comunicações unicast (1:1 e N:1) e broadcast (1:N e N:N) em WiNoCs single-hop foram avaliadas segundo as seguintes métricas: Taxa de injeção (número médio
de bits de pacotes injetados pelos nós na rede por segundo
(bps)) e vazão (número médio de bits de pacotes recebidos
pelos nós da rede por segundo (bps)).
Table 1. Caracterı́sticas da arquitetura simulada.
Avaliação de Desempenho
Para tanto, foi identificado que era preciso aumentar os valores das potências do transmissor, receptor e sinal utilizados
na configuração da WiNoC.
As Figuras 1 e 2 mostram respectivamente as taxas médias de
injeção e vazão das comunicações unicast. Ao comparar essas duas figuras pode-se observar que as cargas CG e MG, que
possuem comunicações unicast do tipo 1:1, apresentam taxas
de injeção praticamente idênticas às vazões. Isso indica que a
WiNoC single-hop possui um bom desempenho para este tipo
de comunicação. Já nas cargas FT e IS (comunicações predominantemente do tipo N:1) há uma queda nas vazões em
relação as taxas de injeção. Isso ocorre devido ao nó destino
conseguir receber apenas um pacote por vez, fazendo com
que dos N pacotes enviados, somente um seja recebido. A
carga EP não possui comunicações unicast.
Teste foram realizados com cargas sintéticas para verificar as
menores potências necessárias para transmitir pacotes na rede
em um único salto, independente da distância entre os nós de
origem e destino. A Tabela 2 exibe as potências obtidas para
cada tamanho de rede.
Númenro de processos
Potência do
receptor
Potência do
transmissor/sinal
4
8
16
32
64
128
256
1,6
4,16
7,36
23,52
39,69
110,88
181,92
0,9
2,34
4,14
13,23
22,32
62,37
102,33
Table 2. Potências alteradas para o contexto single-hop (em miliwatt).
O módulo Fast Broadcast integrado ao NS-2 é responsável
por realizar as comunicaões broadcast em redes multi-hop.
Para isso, alguns roteadores retransmitem os pacotes de mensagens broadcast recebidos para os seus vizinhos, fazendo
com que a mensagem seja recebida por todos os nós.
Afim de continuar a utilizar esse módulo para realizar as
comunicações broadcast sem que os pacotes fossem roteados, o método recv da classe BroadcastAgent foi alterado
para não executar o método process data broadcastMsg responsável por retransmitir os pacotes do tipo brodcast após os
seus recebimentos. Testes com cargas sintéticas foram feitos
para garantir que a alteração do módulo atingiu o objetivo de
realizar comunicações broadcast em redes single-hop.
Figure 1. Taxa de injeção unicast.
RESULTADOS
Metodologia de Avaliação
Para avaliar o comportamento da WiNoC single-hop projetada, ao realizar comunicações existentes em aplicações paralelas foram utilizados os seguintes programas do NPB [7]:
BT (Block Tridiagonal), CG (Conjugate Gradient), EP (Embarassingly Parallel), FT (Fast Fourier Transform), IS (Integer Sort) e MG (Multi-Grid), com modelo de programação
MPI e tamanho de problema definido pela classe A. Esses
programas foram escolhidos por terem sido gerados para avaliar o desempenho de supercomputadores paralelos.
Figure 2. Vazão unicast.
As taxas médias de injeção e vazão das comunicações broadcast são exibidas pelas Figuras 3 e 4, respectivamente. Em
todas as cargas as vazões são consideravelmente maiores que
as taxas de injeção. Esse fato ocorre devido aos pacotes transmitidos serem recebidos por todos os nós da rede. Por esse
Essas aplicações foram executadas com 4, 8, 16, 32, 64, 128 e
256 processos em um cluster de multiprocessadores [9], afim
2
mesmo motivo as vazões aumentam de forma significativa
com o crescimento da rede. A WiNoC single-hop obteve um
excelente desempenho nas comunicações broadcast, com nenhuma perda de pacote na carga EP (100% broadcast) e perda
máxima de 2,21% pela carga MG.
REFERÊNCIAS
1. Amorim, A. M. Avaliação de desempenho de
Redes-em-Chip Sem Fio Single-hop com NAS Parallel
Benchmarks. Monografia de graduação, Pontifı́cia
Universidade Católica de Minas Gerais, Belo Horizonte,
2013.
2. Amorim, A. M., and Freitas, H. C. Avaliação de
desempenho de Redes-em-Chip Sem Fio Single-hop
com NAS Parallel Benchmarks. In WSCAD-SSC 2013
(Porto de Galinhas, Ipojuca, Pernambuco, oct 2013).
(No prelo).
3. Amorim, A. M. P., Oliveira, P. A. C., and Freitas, H. C.
Integrando traços de execução de aplicações paralelas ao
Network Simulator para simulação de WiNoC. In
Anais..., Workshop de Iniciacao Cientifica, XIII
Simposio em Sistemas Computacionais, WSCAD-WIC
(Petrópolis, Out. 2012).
4. Duato, J., Yalamanchili, S., and Lionel, N.
Interconnection networks. Morgan Kaufmann
Publishers, San Francisco, 2002.
Figure 3. Taxa de injeção broadcast.
5. FAST-BROADCAST. Resources - Fast Broadcast
modules for NS-2. Disponı́vel em
http://www.math.unipd.it/c̃palazzi/fastbroadcast.html.
Acesso em mai., 2013.
6. Ganguly, A., Chang, K., Deb, S., Pande, P. P., Belzer, B.,
and Teuscher, C. Scalable hybrid wireless
network-on-chip architectures for multi-core systems.
Journal Transactions on Computers 60, 10 (2011),
1485–1502.
7. NPB. NAS Parallel Benchmarks. Disponı́vel em
http://www.nas.nasa.gov/publications/npb.html. Acesso
em mai., 2013.
Figure 4. Vazão broadcast.
8. NS. Network Simulator (NS-2). Disponı́vel em
http://isi.edu/nsnam/ns/. Acesso em mai., 2013.
CONCLUSÕES
Diante dos resultados apresentados é possı́vel concluir que a
WiNoC single-hop projetada possui um comportamento favorável às aplicações paralelas. No entanto, esta arquitetura
mostrou-se ineficiente em realizar comunicações N:1, visto a
baixa vazão e alta perda de pacotes unicasts nas simulações
com cargas que possuem comunicações desse tipo.
9. Oliveira, P. A. C. Avaliação de desempenho e
caracterização de cargas de trabalho paralelas para
redes-em-chip sem fio. Dissertação de mestrado,
Pontifı́cia Universidade Católica de Minas Gerais, Belo
Horizonte, 2012.
10. Pande, P. P., Ganguly, A., Chang, K., and Teuscher, C.
Hybrid wireless network on chip: a new paradigm in
multi-core design. In Proc. 2th International Workshop
on Network on Chip Architectures, NoCArc (New York,
Dec. 2009), 71–76.
Dessa maneira, trabalhos futuros devem trabalhar melhorias
no projeto da WiNoC single-hop que tenham o intuito dos nós
da rede receberem mais de um pacote por vez, reduzindo assim a perda de pacotes e aumentando a vazão. Além disso,
comparações entre a WiNoC single-hop deste artigo e as WiNoCs hı́bridas propostas nos trabalhos relacionados é importante para verificar as vantagens de desvantagens de cada uma
e qual possui melhor desempenho para cada tipo de aplicação.
11. Wang, C., Hu, W.-H., and Bagherzadeh, N. A wireless
network-on-chip design for multicore platforms. In
Proc. 19th International Euromicro Conference on
Parallel, Distributed and Network-Based Processing,
PDP (Ayia Napa, Feb. 2011), 409–416.
AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e ao Fundo de Incentivo à Pesquisa de PUC
Minas (FIP/PUC Minas).
12. Zhao, D. Ultraperformance wireless interconnect
nanonetworks for heterogeneous gigascale
multi-processor SoCs. In Proc. 2th Workshop on Chip
Multiprocessor, Memory Systems and Interconnects,
CMP-MSI (Beijing, Jun. 2008), 1–3.
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