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互连网络负载平衡理论与算法赵成贵著北京前言随着计算机技术的迅速发展，人们努力设计先进的计算结构模型并开发与之相匹配的计算机软件以达到最大限度地发挥计算机的潜能。作为这种努力的结果，各种计算技术应运而生，例如并行计算、分布式计算、P2P计算、网格计算以及云计算。研究者的目标是使这些计算技术体现出高效的优越性，这样才能吸引人们使用这些技术。负载平衡就是提高各项计算技术运算效率的关键措施。这正是这本书的主题，负载平衡的主要目标是在基于网络的程序执行时自动地调节各个计算节点的工作负载以改善系统运行性能。本书是关于在分布内存消息传递的并行计算机系统上执行负载平衡的，分布着的计算节点和它们之间的连接被建模做互连网络。每个处理器能够根据自己的地址和其他处理器通过消息传递机制通信。一般而言，个直接的、点对点的互连网络被用做通信结构。包括Intel Paragon和IBM SP2在内的很多商用计算机都属于这个类型。本书使用严格的数学分析方法和实际的执行对负载平衡主题提供了一个广泛的介绍。重点是关于最近邻居负载平衡方法，在这种方法里，每个处理器每一步只限于和他的直接邻居相互交换负载。最近邻居负载平衡方法本质上是迭代的，因为处理器之间通过连续的局部操作以达到全局平衡状态。在设计和分析最近邻居负载平衡算法时必须考虑的两个因素是稳定性和效率，在对静态负载平衡而言，稳定性是衡量算法迫使初始负载分布收敛到全局平衡状态的能力：而对动态负载平衡而言，稳定性是衡量限制处理器工作负载方差的能力。效率是衡量算法到达全局平衡状态的时间代价或者是将负载方差减小到一个确定的级别。本书研究的主要目标是设计具有好的稳定性和效率的最近邻居算法。两类众所周知的最近邻居算法是维交换算法和扩散算法。使用维交换算法，一个处理器每次只和它的最近邻居中的一个通信，而扩散算法则允许一个处理器同时和所有邻居通信。本书给了扩散算法严格的理论分析，然而讨论的算法确实将扩散和交换混合得到的新的非经典算法。这些非经典算法被证实是有效的，也是高效的。本书最主要的研究成果体现在一般的扩散算法只适用于的同构互连网络，在改变了它的扩散矩阵结构之后，将其推广到了异构的互连网络。并证明了推广后算法的有效性。对于一些目前得到广泛关注互连网络，例如光传送互连系统OTIS,立方连通圈，层次星图HS以及最近提出的OTS网络的一种改进型网络-双交换网络，由于其大规模的拓扑结构，扩散算法的参数计算和执行都面临挑战，我们重新在存在算法的基础上设计了该类层次性网络的最近邻居负载平衡算法，并给出了严格的理论证明和可信的实验验证。我们也总结了这些网络的结构特征，提出了一般由两个基本网络生成的多阶型网络的最近邻居负载平衡算法。本书共分十章。第一章给了负载平衡问题的一个综述并且建立了最近邻居负载平衡问题和算法性能评价的模型；第二章将一般负载平衡算法的扩散矩阵修改得到一般异构型网络上的负载平衡算法；第三章介绍了同构光传送互连网络OTIS上的DED-X型负载平衡算法；第四章将DED-X推广到了异构型光传送互连网络OTIS上；在第五章，我们提出了BSN网络上的负载平衡算法，并且证明了该算法是最优的；第六章继续讨论了通过代数群的半直积办法构建的互连网络的一般模型以及另外两个多阶型网络立方连通圈(CCC和层次星图(H$)上的负载平衡问题：第七章总结了前四章的算法和理论结果，提出将若干多阶网络统一构建成聚类连通多阶网络CCMN,并介绍在统一的CCMN模型下的LB策略；第八章介绍了在其他分布式计算中的负载平衡技术：第九章是前面章节所提出LB算法的一个实际执行的图像工程例子；第十章介绍了P2P覆盖网络的负载平衡算法。作者的研究得到云南省自然科学基金No.2010ZC095)的支持，本书的出版得到云南财经大学学术出版基金的赞助。赵成贵2011年3月于云南财经大学
