フリット（コンピュータネットワーク）

コンピュータネットワークにおいて、フリット（フロー制御ユニットまたはフロー制御数字）は、ネットワークパケットまたはストリームを形成するリンクレベルの原子的な部分です。^[1]最初のフリットはヘッダーフリットと呼ばれ、このパケットのルート（つまり宛先アドレス）に関する情報を保持し、パケットに関連付けられた後続のすべてのフリットのルーティング動作を設定します。ヘッダーフリットの後には、実際のデータペイロードを含む0個以上のボディフリットが続きます。最後のフリットはテールフリットと呼ばれ、2つのノード間の接続を閉じるためにブックキーピングを実行します。

仮想接続は、パケットのフリットの処理を調整するために必要な状態を保持します。この状態は、少なくとも、ルートの次のホップの現在のノードの出力ポートと仮想接続の状態（アイドル、リソース待ち、またはアクティブ）を識別します。仮想接続には、現在のノードでバッファリングされているパケットのフリットへのポインタと、次のノードで使用可能なフリットバッファの数も含まれる場合があります。^{[2] : 237}

コンピューティング システムに対するパフォーマンスの要求が高まるにつれ、業界はマルチコアおよびメニーコアの分野へと進みました。この設定では、カーネル (プログラム) の実行が複数のプロセッサに分割され、計算が並列に行われるため、実行時間に関するパフォーマンスが保証されます。ただし、これはプロセッサが互いに通信し、データと制御信号をシームレスに交換できる必要があることを意味します。1 つの簡単な方法は、すべてのプロセッサを接続するワイヤのグループであるバス ベースの相互接続です。ただし、この方法は、システム内のプロセッサの数が増えると拡張できません。^{[要出典]したがって、拡張可能な高性能相互接続ネットワークが}並列コンピュータ アーキテクチャの中核となります。

相互接続ネットワークの正式な定義

「相互接続ネットワークIは、強く接続された有向マルチグラフI = G(N,C)によって表されます。マルチグラフNの頂点の集合には、処理要素ノードの集合Pとルータノードの集合RTが含まれます。弧の集合Cは、処理要素をルータに接続するか、ルータ同士を接続する単方向チャネル (仮想チャネルの場合もある) の集合を表します」。^[3]

相互接続ネットワークに期待される主な点は、レイテンシを可能な限り低く抑えることです。つまり、あるノードから別のノードにメッセージを転送するのにかかる時間を最小限に抑えながら、多数のトランザクションを同時に実行できるようにすることです。^[4]他のエンジニアリング設計のトレードオフと同様に、相互接続ネットワークは、実装コストを可能な限り低く抑えながら、これらの特性を実現する必要があります。ネットワークに期待されることについて説明したので、必要なパフォーマンスを得るために調整できる設計ポイントをいくつか見てみましょう。

相互接続ネットワークの基本的な構成要素は、トポロジ、ルーティング アルゴリズム、スイッチング戦略、およびフロー制御メカニズムです。

トポロジ: これは相互接続ネットワークの一般的なインフラストラクチャ、つまり複数のプロセッサが接続されるパターンを指します。このパターンは規則的または不規則的のいずれかですが、今日の多くのマルチコア アーキテクチャでは、非常に規則的な相互接続ネットワークが使用されています。

ルーティング アルゴリズム: 宛先ノードに確実に配信するために、メッセージがどのパスをたどるかを決定します。パスの選択は、レイテンシ、セキュリティ、関係するノードの数など、複数のメトリックに基づいて行われます。さまざまなルーティング アルゴリズムがあり、それぞれ異なる保証を提供し、異なるパフォーマンスのトレードオフを提供します。

スイッチング 戦略: ルーティング アルゴリズムは、メッセージが宛先ノードに到達するためにたどるパスのみを決定します。ネットワーク内でのメッセージの実際のトラバースは、スイッチング戦略の役割です。スイッチング戦略には基本的に 2 つのタイプがあります。回線交換ネットワークは、メッセージが宛先ノードに配信されるまで、パスが予約され、他のメッセージからブロックされているネットワークです。回線交換ネットワークの有名な例は、通話のために多くのスイッチを介して回線を確立する電話サービスです。もう 1 つのアプローチは、メッセージがパケットと呼ばれるより小さなコンパクトなエンティティに分割されるパケット交換ネットワークです。各パケットには、データの一部に加えてシーケンス番号が含まれています。これは、各パケットを個別に転送し、宛先でシーケンス番号に基づいて組み立てることができることを意味します。

フロー制御:相互接続ネットワークでは、複数のメッセージが同時に流れる可能性があることは既に述べました。どのメッセージを流し、どのメッセージを保留するかを決定するのは、ルーター レベルで実装されたフロー制御メカニズムの役割です。

すべてのネットワークには幅wと伝送速度fがあり、これらによってネットワークの帯域幅がb = w*fとして決定されます。1サイクルで転送されるデータの量は、物理単位またはphitと呼ばれます。ご覧のとおり、ネットワークの幅も phit サイズに等しくなります。したがって、ネットワークの帯域幅は phit/sec で定義することもできます。転送される各メッセージは、パケットと呼ばれる固定長エンティティの小さなチャンクに分割できます。パケットは、メッセージ フロー制御ユニットまたはflitに分割できます。

フリットは情報の論理単位を表すのに対し、フィットは物理ドメインを表す、つまり、フィットは単一サイクルで並列に転送できるビット数を表すことに注意することが重要です。Cray T3D について考えてみましょう。^[5]このスイッチには、フリット レベルのメッセージ フロー制御を使用する相互接続ネットワークがあり、各フリットは 8 つの 16 ビット フィットで構成されています。つまり、フリットのサイズは 128 ビットで、フィットのサイズは 16 ビットです。また、IBM SP2 スイッチについても考えてみましょう。^[6]このスイッチもフリット レベルのメッセージ フロー制御を使用しますが、フリットのサイズはフィットのサイズと同じで、8 ビットに設定されています。

フリット幅を決定する際、メッセージ サイズが (他の多くの要因の中でも) 主要な決定要因であることに注意してください。メッセージ サイズに基づいて、2 つの矛盾する設計上の選択肢があります。

• 各パケットのサイズを小さく保つと、パケットの数が増加し、トランザクションの合計数が増加しますが、個々のトランザクションのサイズは減少します。
• 各パケットのサイズを大きく保つと、パケットの数が減り、トランザクションの合計数が減りますが、個々のトランザクションのサイズは増加します。

パケットのサイズに基づいて、2 つのルータ間の物理リンクの幅を決定する必要があります。つまり、パケット サイズが大きい場合は、リンク幅も大きくする必要がありますが、リンク幅が大きくなると、面積が大きくなり、消費電力も大きくなります。一般に、リンク幅は最小限に抑えられます。リンク幅 (フィット幅も決定) は、フリット幅を決定する要素になります。^[7]

ここで、ルータ間の転送は必然的にフィットに基づいて構築されるが、スイッチング技術はフリットに基づいて処理されることに注意する必要がある。^[7]さまざまなスイッチング技術の詳細については、ワームホールスイッチングとカットスルースイッチングを参照のこと。スイッチング技術の大部分はフリットに基づいて動作するため、フリット幅の決定にも大きな影響を及ぼします。その他の決定要因としては、信頼性、パフォーマンス、実装の複雑さなどがあります。

フリットの観点からパケットがどのように送信されるかの例を考えてみましょう。この場合、図の A と B の間でパケットが送信されます。パケット送信プロセスは、次の手順で実行されます。

• パケットはフリット W、X、Y、Z に分割されます。
• A の送信バッファは最初のフリット Z をロードし、それを B に送信します。
• B は Z を受信した後、フリットをバッファから移動します。
• 次に、A の送信バッファは次のフリット Y をロードし、それを B に送信します。
• すべてのフリットが B に送信されるまで、上記のアクションを実行し続けます。
• 次に、B はすべてのフリットをまとめてパケット全体を取得します。

フリット（フロー制御単位/桁）は、メッセージがリンクレベルで送信されているときのデータの単位量です。受信側では、フロー制御プロトコルと受信バッファのサイズに基づいて、フリットを受け入れるか拒否するかを選択できます。リンクレベルのフロー制御のメカニズムにより、受信側は連続した信号ストリームを送信して、フリットの送信を継続するか、送信を停止するかを制御できます。パケットがリンクを介して送信される場合、送信を開始する前にパケットを複数のフリットに分割する必要があります。^{[引用が必要]}

• ワームホールスイッチング