TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 305~3 1 3   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.1262        305     Re cei v ed Se ptem ber 28, 2014; Revi se d De cem ber  2, 2014; Acce pted De cem b er 29, 201 4   Topology Architecture and Routing Algorithms of  Octagon-Connected Torus Interconnection Network       You y ao Liu*, Lidong Xing, Xin Zhou  Schoo l of Elect r onic En gin eer i ng, Xi’a n Univ e r sit y  of Posts &  T e lecommu nic a tions Xi’a n 7 101 21, Ch ina   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  l yya o20 02@ xupt.edu.c n       A b st r a ct  T w o important   issues  in  the  d e sig n  of  interc onn ectio n  n e tw orks for  massi vely  para lle l c o mp uters   are sca lab ility  and s m all  di a m eter. A  new  interco nnecti on  netw o rk topo l ogy, cal l ed  oct ago n-con necte d   torus (OCT ), i s  propos ed. T he OCT  netw o rk comb in es  the sma ll di a m et er of  octagon  topol ogy a nd th e   scala bil i ty of torus top o lo gy.  T he OCT  net w o rk has bet t e r pro perties,  such as s m all  dia m eter, reg u lar,  symmetry a nd  the scal abi lity. T he no des  of the OCT  netw o r k  ado pt the  Jo hnso n  co din g  s c he me w h ic h c a n   mak e  routi ng  alg o rith ms si mple a nd efficie n t. Both  unica sting an d broa dcastin g  routin g alg o rith ms a r e   desi gne d for the OCT  netw o rk, and it is base d  on t he Jo hns on cod i n g  sche m e. A deta i l ed  ana lysis show s   that the OCT  n e tw ork is a bett e r interc onn ection  netw o rk in t he pr operti es o f  topolo g y an the perfor m anc of commu n ic ati on.     Ke y w ords tor u s, octago n, intercon nectio n   n e tw ork, Johnso n  codi ng, routi n g   al gorith m s       1.   Introduc ti on  The la rge - sc ale mult ip ro ce ss or  sy st e m  wh i c co ntains th ou sand s of p r o c e s sors  become s  p o ssible  with th e  develop ment  of ha rd ware  techn o logie s ,  especi a lly th e improveme n of VLSI technology [1]-[3] .  For exampl e, ther e exi s ts 716 8 comp uting nod es i n  Tianh e -1A  [4],  and the  num ber  exce ed 80,000 i n  the  Fujitsu  su pe rcomp u ting  sy stem [5]. In the comin g  ye ars,  new appli c ati ons and algo rithms will  pro m otes sin g le  chip  proce ssor  core to h a v e sam e  num ber  with  the 198 0s’ sup e rcom puting syste m   nod [3 ]. We  are  hea d ed for the ex ascale  co mp uting   age a nd  will  rea c h thi s   ne w e r a in  20 1 8  with  su percomp uting  sy stem h a s 1 e x aFLOPS (1 0 18   FLOPS) [2],[3],[6].   In the exa s ca le computin age, multip ro ce ssor   syste m  will  ha s hu ndre d s of mill ions of   pro c e s sor co res. At th same  time, i n terconn ectio n  net works  have g r eat i n fluen ce  on  the  perfo rman ce   of su ch m a ssive system  a nd al so  d e termine the  com putational  an d sto r ag e abil i ty  of the mass ive parallel application in the fu ture [2],[3],[6]. Thus , in  order to improve the  comm uni cati on effici en cy of parallel  co mputation,   re sea r che r s ha ve bee n en g aged  in the  study  of interconne ction net wo rk with simpl e  stru ct ure, lo w deg ree  of node, sh ort  diameter, e a sy   routing  strate gy and fine scala b ility [1],[7]-[14].  For a  la rge scale syste m , the  topolo g y has a  maj o i m pact on  th e perfo rman ce  and co st  of the interco nne ction net work. The to pology of  Torus interco nne ction network has its sp ecial  feature s   su ch  as regul arity, sy mmet r y, fault-toleran c e,  sho r t di amete r , emb edd abil i ty and  so  on;   hence it is  well received am ong researchers and practitioners  [2],[5],[7],[8],[11]-[17]. Bei n rega rd ed  as one  of th e  mo st impo rtant and   att r active  types of typology  for  pa ralleli ng  comp utationa l netwo rk, it h a been  impl emented   in I B M BLUE  G E NE/Q net wo rk [1 5], 3D Cray  netwo rk [16]  and  Fujitsu  T o fu net wo rk [5]. Ho weve r,   whe n  d ealing  with  a n e two r k which  cont ain s   millions, o r  h undred s of b illions of p r o c e s sor  co res, the traditio nal Torus  ne twork would  not  suitabl e fo r th e conn ectio n   of the futu re  parall e syste m s fo r it s ove r ly lengt hene d dia m eter. A s   i s   requi re d that the parall e l progra m s shoul d acco mpli sh  frequent co mmuni cation  within one  se t of  node s (lo c al  commu nication), a num ber of To ru s-ba sed  HINs (hierarchi cal  interconn ect i on   netwo rks) [1 6]-[22] a r e  p u t forward. A m ong  the s hiera r chi c al i n terconn ectio n  net wo rks, l o w- level netwo rks, con s istin g  of computati onal nod es,  carry local  communi catio n , and high-l e vel  netwo rks, co nsi s ting of cl uster g r o u p s , are re sp on si ble for teleco mmuni cation.  As the diam eter  of HINs is the product  of  the net work  diameters of  every level, it  still turns  out to be relatively  large. In co ntrast, the Toru s embe dde d Hypercu be  [1 2],[13] is the  combi nation  of Toru s network  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  305 – 3 1 3   306 and  Hype rcu be n e two r k a nd its dia m et er i s  th sum   of two  interco nne cted  one,  whi c gre a tly  cut  down the len g th of diameter of the whol e netwo rk.   Octag on [23]  interconn ecti on network i s  appl i ed to  on-chip -n etwork  by F. Karim and  other  re se archers. Its to po logica l stru cture po ssesse s cha r a c teri st ics of  regul arity, symmetry,  and sh ort dia m eter. In ord e r to further redu ce t he dia m eter of the Toru s net work and imp r ov e its  fault-toleran c e, local co mmuni cation  perfo rman ce, the pape r provid es  a new type  of  interconn ecti on net wo rk,  the o c tag on-con n e c ted  toru s (oct agon -conn ect ed torus OC T )   interconn ecti on network, based on the  incorpo r atio n of Toru s n e twork’ s  sca l ability and short  diamete r  of  Octag on to p o logi cal  stru cture. O C T i s  a symm etri cal and  re gula r  interco nne ction   netwo rk  whi c h is ch ara c te rize d by sho r t diameter, g ood scal ability and local  comm uni cati on   perfo rman ce.  Network ext ensi on a nd  routing al gorit hm could  be  easily  achie v ed if ado pting  Joh n son codi ng schem e o n  the node of  OCT top o log y   Und e r conditi ons of a giv en topolo g y, the  perfo rma n ce of inte rconne ction n e t work is  determi ned by the routing  algorithm [8],[24]. Ther efore, the uni casting an d broadcasting  routi n algorith m s a r e desi gne d in  this article b a se d on t he structu r e of O C T interco n n e ction n e two r k.       2. Octag on-Conn ected T o rus Inter c o nnec t ion Ne tw o r k   2.1. Prelimin aries   Defini tion 1.  Binary  unit-di stan ce cycli c  cod e   is  a bin a ry code  who s e e a ch two  adja c ent   cod e s h a ve one and only  one bit different(unit di st a n ce  cha r a c te ristic),  and the first co de  and  the last one i n  those  cod e s  have on e a nd onl y one b i t different(cy c le characte ri stic).  Defini tion 2.  Binary cod e  represents  each numb e in the descendin g  se qu ence of  integers { n -1, n -2,…,2, 1,0}  as a bina ry string of len g th  m = 2 / n   by an orde r. T h e   bin a ry cod e   has the p r op erties of defin ition 1 and as follows: i) for 0< k < m Q = Z m -1 Z k   O k -1 O 0 ( Z i  stan ds f o 0,  O j   stand s for  1,  k i m-1 , 0 j k- 1 ) is  the code  of i n teger  k ; i i )  fo r   k > m ,    Q = O m -1 O k- m   Z k - m - 1 Z 0 ( Z i  stan ds  fo r 0,  O j   st and s fo r 1,  0 i k - m- 1 , k- m j m- 1 ) i s  t he  code  of integ e k ; iii) for  k m Q = O m -1 O 0 ( O i   stand s for  1,  0 i m- 1 ) is the code of i n teger  k ; iv) for  k 0,  Q = Z m -1 Z 0 ( Z i   s t an ds   for 0,  0 i m-1 ) is the  code  of integer  k This bin a ry code is  calle d Joh n son cod e Defini tion 3.  Two no de s in  two-dim e n s i onal(2D) plan e are na med  as adj acen cy, if and   only if there is differen c e b e twee n their  cod e s, an d o n ly one bit varies.   Defini tion 4.  If two rando m node s in 2 D  plan e are adja c ent, the n  a (di r e c t) li nk exist s   betwe en the m , accordi ng  to the definition 3.  Defini tion 5.  The 2 k ×2 m  2 D  T o ru s   ( a bbr e v ia te  as  T ( k m )) interco n nectio n  network i s  a  netwo rk to pol ogy whi c h h a s  followi ng p r opertie s :1 ) it con s i s ts of 2 k ×2 m  node s and 8 k × m  direct  links. 2) The  node’ s hori z ontal ordi nat e can b e  m a rked with  m -bits  John so n cod e , and  the  vertical  coo r d i nate ca n be  marked with   k -bit s Jo hn son co de. Th e vertical  co ordin a te of n ode  take a s  hig h -orde r  po sitio n , and take the ho rizontal  ordin a te a s  low o r de r, the n  com b ine th em   into a node s codi ng, thus  any node s ca n be identifie d by binary coding of  k + m  bits. 3) The rule   of nod es  cod i ng: if a nd  o n ly if there i s  o n e  and  o n ly one  bit  d i fference  bet wee n  two n o des  codi ng in T ( k m ), the nodes a r e a d ja cent an d that mean s there  exists a dire ct link bet we en   them.    Figure 1 i s  a  diag ram  sho w ing to polo g i c al  st ru cture  of 4×6  2D T o ru s inte rcon nectio n   netwo rk. Inte rco nne ction  n e twork T  ( k m ) sho w s g o od prope rties, such as   node codi ng in   each ro w a n d  col u mn a r e bina ry unit  distan ce  cy clic  co de.    There are o n ly four adj a c ent  node s in a n y cod ed no de  whi c h can n a t urally form  structu r e of T o ru s (but  bidi mensi onal  gray  node d o e s  n o t meet this prop erty wh e n  the amount  of encodi ng  bits is g r eate r  than or eq ua l to   5).   Whe n  k  or   increa se o ne  positi on, the n u mb er of  co rre sp ondin g  no de  only increa se s 4 m   or 4 k   (the nu mber of bidi mensi onal g r ay node is 2 k ×2 , therefore, when  k  or  increase one   positio n,  the numbe r of co rre sp ondi ng n ode wo uld  do uble to  its ori g inal  amou nt).   XO Ring   any  two nod es  co ding, the sum  of the total n u mbe r  of  1 in the result wh ich al so can  be reg a rded  as  the minimu m  dista n ce bet wee n  the s e t w node s.   Thi s  n e twork po sse s se simple  ro uting  mech ani sm o f  Hypercube -l ike.   Defini tion 6 .  Octa gon i n terconn ect  ne twork i s  a  n e twork to pol ogy whi c h  h a s th followin g  pro pertie s : 1) it  con s i s ts of  8 nod es  and  12 direct lin ks. 2 )  Its  co ordin a te can  be  identified by 4-bits  Jo hn so n cod e . 3) Th ere exi s ts  on e dire ct link b e twee n two a d jacent nod e s  in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Topology Architecture and  Routing Algorithm of Octagon-Connect ed To rus .... (Youyao Liu)  307 interconn ect netwo rk whe n   these  two coding  hav e o ne and only one bit difference or the e a ch   bit of the resu lt of XOR is 1.  Figure 2 pre s ents the topo logical stru ct ure of  interco nne ct netwo rk Octa gon, a nd also  sho w s go od  qualitie s of  Octag on. 1 )   In this n e two r k, a n y no de conn ectivity is 3, a nd i t diamete r  i s   2 .  Octa gon  is  regul arity, sy mmetry;  me a n whil e it h a other go od  q ualities,  su ch  as  sho r t diamet er, low conn ectivity and so on. 2)  The r e are 3 un crossed lin ks b e twee n any two   node s in O c tagon. At the same time, the length  of  these 3 lin ks are 1,4,4 if  two node s li nk  dire ctly, or it  woul d be  2,3,3. T herefore, this net wo rk  has  high fa ult-toleran c e a n d  pa ralleli sm.  3)  Whe n  the re sult of the XOR of two n ode s’ cod e  is one 1 or fou r  1s, the nod es are adjoin ed.  Whe n  the re sult is two o nes o r  thre e  ones, the di stan ce bet we en to node is 2. Ho wev e r,  Octag on is la ck of scal abili ty.    Most of pa rall el pro g ra m communi cate f r equ ently in a  set of nod es, the commu nicatio n   perfo rman ce   has  a maj o r i m pact  on the  efficien cy of  parall e l p r og ram, and th prin cipal fa ct or i s   distan ce  of in tra-g r ou p no d e  [8],[10]. Thus, LIU F A e t  al. [10] puts  forwa r d s  a  ki nd of pa ram e ter  whi c can  b e  u s ed i n  ev aluating l a ye red i n tercon n e ction  netwo rk,  whi c h m e ans the o p timal  grou ping i s  a n  evaluation  method on la yered  inte rco nne ction net work pe rform ance.   Defini tion 7.   The distance of node group [10 ],[11]: the distan ce of node group  G  ca be defin ed  as the  maxi mum di stan ce between  any two n o des  wh en t he  G  i s  i n  t h e   interconn ecti on network  N Defini tion 8 .  Optimal g r oupi ng [10], [ 11]: for the  given po sit i ve integer  λ , the   interconn ecti on n e two r N  contai ns multiple  g r o u p s of  λ  no de s, un der this ci rcu m sta n ce, the  minimum di stance gro up is the  optimal group  whi c h contain s   λ  n ode s ,  r e c o r d ed  a s   G λ ( N ).   Defini tion 9.   Group divisible  perform ance [10],[11]: for the  given interconnec t ion   netwo rk  N 1  a nd  N 2 there exists  the distance of  G λ ( N 1 ) le ss th an  or eq ual to  the dista n ce  of  G λ ( N 2 ) for a n y positive integer  λ , then the gro u p  divisible p e rform a n c of interco nne ction   netwo rk  N 1  is  sup e rio r  to the interconn ection netwo rk  N 2 .   If the group divisible pe rf orma nce of interconn ectio n  netwo rk  N 1  is supe rior to the   interconn ecti on net work  N 2 , makin g  u s e of the  co ndition that communi catio n  co st of a set of   comp utationa l co de G λ  ( N 1) i s  le ss t han th e o n e  of  G λ  ( N 2 ) , thus the  ne twork  divisibl e   perfo rman ce  can b e  sh owed its own sig n ifican ce.   Within the l i mitations of  hard w a r resou r ces, i n  ord e r to  improve  calcul ated   perfo rman ce  of  the whol e   parallel syst em,  the  n e twork shoul d o c cupy resou r ce s a s  l e ss  as  possibl e, and  packin g  de n s ity can  eval uate the h a rd ware resource of intercon nectio n  net work  [18].  Defini tion 1 0 . The  pa cki ng  den sity of int e rconn ectio n   netwo rk is de fined a s  th ratio of  the numbe r o f  nodes of a n e twork to the  prod uct of net work dia m ete r  and de gree   [18].      000 00 00 001 0 0011 0 0111 00110 00100 010 00 01 001 0 1011 0 1111 01110 01100 110 00 11 001 1 1011 1 1111 11110 11100 100 00 10 001 1 0011 1 0111 10110 10100               0000 0001 0011 0111 1111 1110 110 0 10 00      Figure 1. To pology an d n ode codin g  of T( k m )               Figure 2 Topol ogy  and nod e co ding                       k =2,   m =3                                        of  Octagon       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  305 – 3 1 3   308 2.2. Octag o n - Co nnec t ed  Torus Inte rc onnec t ion Net w o r k   With 8 × 2 k ×2 nodes, th e octa gon -co nne cted toru s (O CT ( k , m ),  whe r k m  are the   para m eters o f  network sca l e) intercon ne ction net work should b e  constructe d by integrating t he  sho r t diamete r  of Octag on  and the scal a b ility of Torus as followi ng  ways:    1) Fi rstly, ba sed  on  defini t ion 6, ei ght  node ca n fo rm a n  O c tag on n e two r k.   There  will  be 2 k ×2 Octagon net works in the e nd  and ea ch of  them is referred to as a sli c e.  2) Fo rm 2 k ×2 m  slices   int o  Toru s net work: e n code  2 k ×2 slice s  by 4 bits of Joh n son  cod e  and,  co mplying with  the definition  5, conn ec t n ode s of sam e  cod e s i n  e a ch  slice to form   netwo rk T  ( k m ).  3)  En co de O C T ( k,  m ):  Code  of ea ch   node  con s ist s  of t w part s -A and A o .  A o ( J oh ns o n   cod e  4 )  i s   code  of no de  in ea ch  O c ta gon  network.    A (John so n  co de  k + m ) i s   cod e  of  ea ch  Octag on area , namely the cod e  of node  in each T ( k m ) network.   The top o logi cal structu r e o f  interconn ect i on net work  OCT  ( k,  m )  is  as   s h ow n  in  F i g . whe r e the  sol i d lines  rep r e s ent the O c ta gon inte rcon nectio n  network li nk, the  dashed lin es  are   the intercon n e ction n e two r k T( k m ) link and the ci rcl e s a r e no de  of netwo rk. T he direct lin ks   exist betwe en  endpoint s which ma rks a r ound a r e the  same. Th e scale of internet work O C T( k, m node s ca n b e  expande d to form intercon ne ction n e twork O C ( k, m + 1)  o r  OC T ( k+ 1, m )  by  increa sing  on e bit on the  code- m  or  k whi c h e nable s  two li ne s or colum n (4 or   4 m  relev a nt  node s ad ded  ) adde d in ne twork T( k m ) and 8×4 or  8 × 4 node adde d in net work O C T ( k , m ) .  In the o r igi n al net work O C T( k, m ), the r e i s   no  ch a nge  of the  n e twork conn ection s i n  e a c h   Octag on a r e a  and th e con nectivity of n ode s. In the i n terconn ectio n  network T ( k m+ 1) or T( k+ 1,  m ) , exce pt th e no de con n e cting  the  ad ded  one s,  th e r rem a in s n o  chan ge  of o t her  nod es a nd  con n e c tion s. As the examp l e in Figure 3,  interc o nne cti on network O C T(2,3) is fo rmed from eig h Octag on area s add ed on th e right sid e  of network O C T(2,2 )        A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 A1 E1 E2 E3 E 4 E5 E6 E7 E8 F1 F2 F 3 F4 F 5 F6 F7 F8 G1 G2 G3 G 4 G5 G 6 G7 G8 H1 H2 H3 H4 H 5 H6 H7 H8 E1 E2 E3 E 4 E5 E6 E7 E8 F1 F2 F 3 F4 F 5 F6 F7 F8 G 1 G2 G3 G 4 G5 G 6 G7 G8 H 1 H2 H3 H4 H 5 H6 H7 H8     Figure 3.Top o logi cal struct ure of O C T(k, m)  k= 2, m=2       Theorem . In interconn ecti on network O C T ( k m ), with two node A  ( A m + k +3 A m + k A m + k - 1 A m A m -1 A 1 A 0 ),  B ( B m + k +3 …  B m + k B m + k -1 B m B m -1 B 1 B 0 ) A i B i ,  A j B j {0,1} i {4,…,  m + k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Topology Architecture and  Routing Algorithm of Octagon-Connect ed To rus .... (Youyao Liu)  309 +3 } j { 0 ,   1,   2, 3} the  distance  between A a nd B will  be  d ( A , B )=    j j j ij j j i i j j j ij j j i i B A for B A B A B A for B A B A } 4 , 3 { , 1 } 2 , 1 { ,   Proof.   Each  node s co din g  in Octag o n  slice a nd th e node s codi ng in T ( k m ) are  Joh n son  cod e . From th constructio n  p r oce s s of inte rcon ne ction n e twork  OCT  ( k m ), it can  be  see n  that th e  dista n ce b e twee n a n y two no de s e qua ls the  di stan ce of the  two   node s i n  T  ( k m plus th ose in  Octag on. In  Octag on  slice, t here i s  o n e  and  only o ne bit differe nce  between  any  two n ode or  the result of  XOR i s   1, the s e t w nod es are a d jacent,  that  is the  di stan ce  betwe en   any two  no de s i s  the  different bits of two no de s o r  th e same  bits  o f  two n ode p l us  one; th ere  is  one a nd  only  one  bit difference bet wee n  two  nod es i n  T ( k m ), th e nod es are  adja c ent, that  is  the di stan ce  of any two n ode s i s  the  n u mbe r  of  di fferent  bits in  any two  no de s. Th erefo r e,  thi s   theore m  is e s tablish ed.       2.3. The Properties o f  O C T (k, m)  Char acter 1 . The  inte rco nne ction  net work of O C T (k, m )  i s   regul ar on e, and  the   con n e c tivity o f  any node is  7.  Owin g to ev ery O c tago n  belon gs to   the re gula r  i n terconn ectio n  network, a nd the  con n e c tivity of any nod e is  3. Accordi ng  to the  form ation of the i n te rco nne ction  n e twork  OCT ( k,  m), taking  O c tago n as a  node, a s  the  result, th is interconn ectio n  netwo rk is interconne cti on  netwo rk of  T( k m ),an d  the  con n e c tivity of no de i s  4.T h u s , O C T(k,m )  is th reg u lar  interconn ecti on network, and the co nne ctivity of node is 3+4 = 7.   Char acter 2.  The m a xim u m di stan ce  (the  diamet er) bet ween  any two  no des the   interconn ecti on network of OCT (k,m) is  k + m +2.   As the di ame t er of inte rco nne ction n e twork  of T ( k m ) is the di ameter  of 2 m  and  2k  node  ring s, whi c h is  m + k . According t o  the pro c e s s formatio n o f  the interco n nectio n  network  OCT ( k m ), takin g  as a T ( k m ) as a n ode, as the result, this int e rconn ectio n  network is t he  Octag on inte rcon ne ction n e twork, an d the diam eter  i s  2. Thu s , th e diamete r  of  internet i s  th e   combi nation  of the diameter of Torus a nd Octa gon,  whi c h are  m + k+ 2.   Char acter 3 . The Symmetrical net work o f  OCT( k, m ) interco nne ction  network.   Acco rdi ng to t he p r o c e s s fo rmation  of the  OCT ( k, m ) interconn ectio n   netwo rk, ta ki ng a n node m a rk in  this net work as a i n itial p o int, that  is we ca n come t o  the same  concl u si on fro m   observing  ev ery no de.  Realizi ng the   simplific ation  of ro uting  algorith m  tha t  is the   routi n g   algorith m  and  the node po sition is irrelev ant.    Char acter 4.  The link n u m ber of the inte rco nne ction n e twork of O C T( k, m )  is  1 12× k × m.   The lin nu mber of inte rco nne ction   netwo rk of  OCT ( k m ) i s  the  combi nation  with  2 k ×2 of  O c tago lin k numbe r 12  and 8 2 k ×2 of Toru 2×2 k ×2 m,  that is 2 k ×2 m ×12 +   8×2 × 2 k ×2 m  =11 2 × k × m.   Char acter 5.  The bisectio n  width of intercon ne ction n e twork of O C T( k, m ) is 24 × k × m.   The inte rcon nectio n  net work bi se ction  width i s  that  whe n  the i n te rco nne ction  n e twork i s   divided into  two eq ual  subnet s, the  minimum lin k numb e r m u st be d e lete d. The bi se ct of  OCT ( k, m ) i n terconn ectio n   netwo rk i s  di viding 2 k ×2 O c tagon  inte rco nne ction  n e twork,  and  th e   width is 6,thu s  the bisectio n width is 6 × 2 k ×2 m  =24 × k × m.   For furth e r e x plain the go od f eature of the intercon nectio n  network, the T abl e 1 gives  the comp ari s on three  kind s of static net works.   The  scalabilit y of the inte rco nne ction  netwo rk is th at netwo rk topolo g y perf o rma n ce   maintain the   same, th e ab ility to expand the no de  will influe nce  the ro utes  e fficiency. In t h e   interconn ecti on network  of OCT (k,m ), the expan sion of  n e t w ork  si ze  an d  the config uration  informatio n of the interco n n e ction n ode  st ay the same,  and have the  good expa nsibility.      Table 1. Perf orma nce ch aracteri stics of th ree  kind s of static net works [12],[13]   T y pe  of net w o rk   Node Deg r ee   Number of  Links  Net w ork Diamete r   Bisection Width  OCT ( k m )  7  112× k × m   k + m +2  24×k×m  (2 k ,2 m ,3)- OMM H  7  112× k × m   k + m +3  16×k×m  T(2 k ,4 m )  4  64× k × m  2 k +4 m  min{8 k,  6m }  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  305 – 3 1 3   310 The diam ete r  of the interconn ectio n  network d e termin es th e informatio n might  experie nce th e num be r of t he h op. Th node  de gr e e   of intercon ne ction  network determine s t he  compl e xity of the hard w a r e. Since the  diameter  wil l  get smalle r of higher n ode de gre e , the   diamete r  an d nod e mu st take into  con s id erat io n  for the ev aluation  of the cost of  the   interconn ecti on net work [ 13],[18]. Accordin g to  the  definition 1 0  and tabl et 1 ,  the packa gi ng   den sity of three  inte rco nne ction  net work O C T( k , m ), (2 k ,2 m ,3)- OMMH,  T(2 k ,4 m ) can  demon strate in the figure  4. The high er the packi n g  den sity of a netwo rk, the  smalle r the  chip   area  req u ired  for its VLSI layout. The fig u re  sh o w s th at the OCT  (k, m) has th highe st pa cki ng  den sity while  T(2 k ,4 m ) req u ire s  the lowest pa cki ng d ensity.  The id eal th rough put of t he inte rconn ection  net work a nd the  bi se ction  width  is di re ct  prop ortio n  [8],[14]. Thus,  we  can  dete c t from the  T a ble 1, the  wi dth of  halve   intercon ne ction   netwo rk OCT ( k , m ) bigg er  than (2 k ,2 m ,3)- OMM H T(2 k ,4 m ), that is the ide a l throu ghp ut of  interconn ecti on network O C T( k, m ) is b e tter than (2 k ,2 m ,3)- OMM H T( 2 k ,4 m ). Meanwhile, the  interconn ecti on net wo rk  o f  OCT ( k, m ) i s  in the mi ddl e propo rtion  wi th the i n ternet pe rform a nce,  and ha s the b e tter band wid t h expansi b ility.        Figure 4.  Assembly de nsit y of  three kin d s of intern etwork      From the  ch ara c ter 1,2,3 , 4,5,  and rel a ting explan ation of OCT( k, m ) interconne ctio n   network has t he better  scal ability.    Char acter 6 .  Gro up divi sible prope rty of interconn e c tion n e two r k OCT ( k, m ) i s  sup e rio r   to  (2 k ,2 m ,3)-OMMH and T ( 2 k ,4 m ).   Acco rdi ng to the con s tru c ti on pro c e s s o f  OCT( k , m ) and the definit ion 3 4  an d 5 ,  th e   optimal group  distan ce of OCT ( k m ), ( 2 k ,2 m ,3)-OMMH , T(2 k ,4 m ) re spe c tiv e ly  is    d ( G λ ( T or us ))  =    2 ( 1 ) (1)     d ( G λ (OMM H) ) =   9 2 1 8 log 2 for for  (2)     d ( G λ (O CT) )  =     9 8 3 2 2 2 , 1 for for for  (3)     0 1 000 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 70 00 80 00 0 5 10 15 20 25 30 35 N o de  s c al e P a c k i n g  de ns i t y     OC T ( k ,  m ) (2k , 2m , 3 )- O M M H T( 2 k , 4 m ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Topology Architecture and  Routing Algorithm of Octagon-Connect ed To rus .... (Youyao Liu)  311 From exp r e s sion (1)~(3),  the group d i vi sible prope rty of interne t work OCT( k m ) is  s u pe r i or  to   ( 2 k ,2 m ,3)-O MMH and   T ( 2 k ,4 m ), whi c m ean s OCT ( k m has better l o cal   comm uni cati on ability.     With the i n crease of n e twork no de  an d the  in crea se  of proba b ility of node  or lin ks  failure, the int e rconnection  network   should have the certain fault- tol e rant  ability.  Because there  exists T ( k m ) and  Octa g on in O C T( k, m ) simultane ously, the re routing  of messag e ca be  achi eved by simple u pdati ng the no-fa ult tolerant  routing algo rit h m whe n  me eting the sin g le   node a nd lin k failure. The failure of a  sin g le nod e or li nk in any no n - so urce n ode  or de stinatio n   node ca be  corre c ted by addin g   two h ops of  no des and lin ks in  bypass p a ths. When  source  node, de stina t ion node a n d  error n ode  or links a r e i n  same  su b-netwo rk of T ( k , m ), it can adds  one of hop s in Octag on to forwa r d me ssag e to the adjacent sub - n e twork of T( k , m ), and adds  anothe r h op  can b a ck to th e form er  su b-netwo rk of T ( k , m ). In the  same  way, wh en  sou r ce n o de,  destin a tion n ode a nd e rro r node o r  lin ks are in  sam e   sub - net wo rk  of Octag on, it can  add s on e of  hop s in T( k , m ) to  forwa r d  message to the adjacent su b - net wo rk  of Octago n, and add s an other  hop can ba ck to the former sub-network  of Octago n.  The form er a nalysi s  sh ows that interco nne ction net work O C T ( k , m ) has good scalability,  well lo cal co mmuni cation  perfo rman ce  and hig h  fault-tolerant abilit y.      3. Routing al gorithms in OCT   Routin g alg o rithm is  key  factor which  affects the e fficiency  of th e commu nica tion of  netwo rk,   an d this se ction mainly  an alyzes  th e r outin g  algo rithm  an d pe rforman c e of u n icast  a nd  multicast.     3.1. Unicas t Rou t ing Alg o rithm on O C T(k,m)  3.1.1. Unicas t routing alg o rithm   Assu ming  th at No de  A ( A m + k +3 A m + k , A m + k -1 A A m -1 …  A 1 A 0 ) se nd the  data  to No de   B ( B m + k +3 B m + k B m + k -1 B m B m -1 B 1 B 0 ), the Hamming  Dista n ce bet wee n  No de A  and Node B  is  H A , B = Hammi ng A B ,“ ” m e a n s bit w ise X O R o n  A an d B and “Ha mming” fu nct i on   mean s the  pl us  com putati on of “1”  after XO R on   A  and  B . Fro m  en codin g   method  on n ode   T( k , m ) & Oct agon a nd the  con s tru c tion  pro c e ss  of OCT ( k , m ), the sh orte st ro ute of OCT ( k , m can b e  se en  as follo ws.    If  A  and  B  are in a sa me Octag on,  as 2.2 has  mentione d, their T( k , m ) coding a r same, that is  when Hammi ng A m + k +3 A m A m -1 A 5 A 4 B m + k +3 B m B m -1 …  B 5 B 4 0, the distan ce  betwe en  sou r ce n ode A a n d  de stination  B ia 1 or 2  o n ly routing i n   A o A 3 A 0 B o B 3 B 0   of  Oc tagon. If Hamming A 3 A 0 B 3 B 0 =1  or 4, n ode  A   sen d s messa ge to  node   B  dire ctly.  Otherwise,  A o   should firstly compute the distan ce  betwe en  A ’s adja c ent nod es  A o 1 A o 2 A o 3   and  B o  , and  sen d  me ssag e to adja c e n t node  whi c h i s  1 a w ay fro m  destin a tion  node, a nd th en   to node  B .    If A and B are in a sa me T( k , m ), as 2,2 ha s me ntioned,  their Octago n co ding are   same, that is Hammi ng A 3 A 0 B 3 B 0 0 o n ly by routing  from no de  A t A m + k +3 A A m - 1 A 5 A to  B t B m + k +3 B m B m -1 B 5 B 4   in T ( k m ). In netwo rk T ( k m ), there onl y a difference in  hori z ontal axi s  and al so in  ordinate of  adja c ent no d e . The nod e whi c h is left to node  A t  is  A l A m + k +3 A l A k +1 A k 4 A A k -1 A p A and  the n ode  which  rig h t i s  to  node   A t  is  A r A m + k +3 A l A k +1 A k   A k -2 A p A 5 A 4 1 k A   ,    the  nod e which  i s  on  t he  no de  A t  is  A u k A S m + k +3 A l A k +1 A k -1 A p A 4,  the node which i s  lower tha n  the node  A t   vertically is  A d A m + k +2 A l A k +1 A k 3 k m A A k -2 A p A 5 A k -1 the n  the di stan ce bet ween  th e adja c e n t n ode  of  A t   and  B t   is  H l = Hamming A l B t H r = Hamming A r B t H u = Hamming A u B t H d Hammi ng A d B t . After  H min min{ H l , H r , H u , H d sendin g  thi s   data p a cket  to the  rela tive   adja c ent no d e  of  H min   and modifying  A to the co de of  that adjacent  code,  we ca n com puting t h e   res u lt of  H=   Hammi ng A t B t , if  H 0 and  A will be  a de stination  node, oth e rwise the p r o c ess  will be re peat ed.   If A and B  are  not in  same O c tag o n  nor in a  sam e  T( k , m ), they are  any two  node s,   then the  dat a pa cket  sh ould  be  rout ed firstly to  A’ ( A m + k -1 A m A m -1 B 3 B 2 B 1 B 0 ) in a  s a me  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  305 – 3 1 3   312 Octag on as t he way in  A &  B are in a same T ( k , m ) and then routing data  packa ge to the   destin a tion n ode B in the T( k , m ) as  the way in  3.1.2. Perfor mance analy s is of algorithm  The  advanta ge of  O C T( k , m ) routin g al gorithm  is th e ad option  of  Jo hn son  Co de in  T  ( k , m ), which makes the  Hammi ng A B of  any t w nod es coding  be com e  the  minim u distan ce  bet wee n  two  n ode s an d thi s  codin g  al so implie s ro uting info rma t ion and  rel a tio n   betwe en t w o  adja c e n t co des.  Thi s  alg o rithm  ca n g e t right  ro uting result onl y by savin g   the   curre n t codi n g  and de stin ation co ding  whe n  tr an smi tting data. Network O c tag on also ado p t Joh n son  co di ng, so th e n e t work  routin g  will  be  sim p l y  whe n  XO R re sult i s  a  1  or  ha on es,  whi c h mea n s the two node s are a d ja cen t, and XOR result is 2 on e s  or thre e on es which m a kes  the nodal di st ance is 2.   Data  sho u ld  have twice  operation a t  worst  acco rding to  uni cast ro uting a l gorithm   OCT ( k , m ), that mean s it n eed s  k+ rou nds’  com m un ication  ope rat i ons i n  a sam e  T( k m ) at the  worst, therefo r e, it needs  k+m + 2 ro und s’  commu ni cation ope ration s at the worst.  If the algorithm  can  send  dat a from  the  source  nod e t o  the d e stin a t ion nod e in  the  sho r test  way, this  kin d  of  algorith m  h a s high  commu nicatio n  effici ency. A ll  abo ve uni ca st ro uting al gorith m s fo rward d a ta   in a  sho r t e st   way ,  so  in t h e wo r s t  ca se,  t he ro uting p a th wo uld n o t excee d  the  n e twork  diame t er  k + m +2, a nd the com m uni cation efficien cy would be 1/ ( k + m +2 ).       3.2. Broad c a s ting Ro utin g Algorithm  on OCT ( k,m)  3.2.1. Broad cast ro uting  algorithm   It is assume d  that node A  sen d s d a ta to  all the other  node s. No de  A firstly send s data to  all the node s in the sam e  Octag on, and then  all  the node s whi c h have receive d  the dat a   conve r sely se nd the data to  all the node s in their own  T( k,  m ) with rec u rs ive doubling method.      3.2.2. Perfor mance analy s is of algorithm  Br o a d c a s t  r o u t in g  in  th is   w a y, n o d e  A s e nd in g  da ta  to  a ll th e  no d e s  in  th e   O c ta gon  need s 2 ro un ds of com m u n icatio n ope rations, an d then the data  broad ca sting  within T ( k,  m need m+k   round of com m unication operation s . T herefo r e, th radio  ne ed k+ m+ 2  rou n d s   of  comm uni cati on ope ration s, and the com m unication ef ficien cy of algorithm is  1/  ( k+ m+ 2 ).       4. Conclusio n   The inte rcon nectio n  net work To ru s a n d  the inte rco nne ction n e twork  Octa go n are the   most impo rta n t and the most attractive  interconn ecti on netwo rk topolo g y. Therefore, this paper  combi n es the scalability of the  i n terconnection network Torus  wi t h  the short  diameter of the  interconn ecti on  n e two r k Octag on  to  pre s ent   a si mple scalabl O C T( k , m ) intercon ne ction   netwo rk  stru cture. T h is i n terconn ectio n  network  is a kin d  of regula r  symm etrical  exten s ibl e   interconn ecti on network with 7 node s, can exp and t he network with the con s ta nt node de gree   and ma ke s t he ro uting al gorithm  simp le and  efficie n t adoptin g John son  Cod e . Analysis  a n d   experim ent result sho w  t he inte rconn ection  net work h a s a  goo d  co mmuni cati on p e rfo r man c e ,   fault toleran c e and  scala b ility, and it is a kin d   of in terco nne ction  netwo rk top o logy which i s   suitabl e for la rge scal e pa rallel com putin g.      Ackn o w l e dg ements   This work  wa sup ported by the  Natio nal  Scien c e  Fo undatio n of  Chi n a   (No.6 113 600 2 No.612 72 120), the Key  Proje c t of Chine s e Mini st ry of Educati on (No.21 11 80),  the Natural Scien c e Fo und ation of Shaa nx i Province  of China (No.  2014 JM83 11 ).      Referen ces   [1]    Rinkl e RA. D e sig n  an d Re liab ilit y An al ys is of  a Class  of Irregular  Faul t-toler ant Multistag e   Interconnection Net w orks.  Internati ona l Jour nal of  Co mpute r  Applic ations 201 2; 39(8): 8- 14.   [2]      Liu N, Carot h ers C, Cope J ,  et al. Model   and Simu latio n  of Exasc a le  Communic a ti on Net w o r ks.  Journ a l of Si mulati on . 20 12; 6(4): 227 –2 36.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Topology Architecture and  Routing Algorithm of Octagon-Connect ed To rus .... (Youyao Liu)  313 [3]    John S, Su dip  D, John M. Exascal e  Com put ing T e chno log y  C hal len ges.  Lecture N o tes  in Co mpute r   Scienc e . 201 1; 6449: 1-2 5 .   [4]      Min X, Yuto ng  L, Kefei W ,  e t  al.  T i anhe-1A  Interconnecti o n  and Mess ag e-pass i ng S e rvices.  IE EE  Micro . 201 2; 32(1): 8-20.   [5]     Yuichiro A, T o mohiro I, Shin ya H, et al.  T he T o fu  Interconnect.  IEEE Micr o . 2012; 3 2 (1): 21-3 1 [6]     Roberto  G.  Towards sustainable  ex ascale com p uting 18th IEEE/IF IP VLSI S y ste m  on C h i p   Confer ence (V LSI-SoC). Mad r id. 201 0: 270 275.    [7]      Sona l S. Bh o p le, MA Ga ik w a d. D e si gn  of Mesh  an d  T o rus T opologi es for  Net w o r k-On-Ch i p   Appl icatio n.  Internati ona l Jour nal of Rec onf i g urab le an d E m bed de d Systems . 20 13; 2(2):  76-82.   [8]      Dally  W, T o w l es B.  Principl e s  and Practice s of Interconn ection N e tw orks . San F r ancis co. Morgan   Kaufman n  Pre ss. 2004.   [9]    You y a o   L, Ju nga ng  H, H u i m in D.  A  H y percu be-b a se d  Scal abl e Int e rcon nectio n   Net w ork  fo r   Massively  P a rallel Computing.   Journa l of Co mp uters . 200 8;  3(10): 13-1 9 [10]    F ang’ ai  L, Z h i y o n g  L,  Xian g z hen  Q. A Pr acti cal  Interco nnecti on  Net w ork RP(k)  an d  Its Routi n g   Algorit hms.  Science i n  Chi na  Series: Infor m a t ion Scie nces . 200 2; 44(6): 46 1-47 3.      [11]    W ang L, Che n  Z .  Research on Peterse n   Graphs an d  H y p e r-cub es  Conn ected Intercon necti on   Net w orks.   Lec ture Notes in C o mputer Sci e n c e . 2006; 4 186 : 495-50 1.  [12]    N Gop a lakr ish na K, M  Sathi s h K, Mruth yu nj a y a  HS. T o rus Emb edd ed   H y perc ube  Intercon nectio n   Net w ork: A Co mparativ e Stud y.  Internati o n a l  Journa l of  Co mp uter App lica t ions.  201 0; 1( 4): 29-31.   [13]    Ahmed  L, Ho n g ki S. A Sca l a b le Optic a H y percu be  base d  Interconn ectio n  Net w o r k for  Massivel y   Parall el C o mp uting.  Applied Optics.  1994; 3 3 (11): 75 88- 75 98.   [14]    Jose D, Su dh akar Y, Lio n e l  N.  Interconn ection N e tw orks: An Engi n eeri ng Ap pro a c h . Morgan  Kaufman n . 200 3.  [15]    Don g  C,  No el  AE, Phil ip  H, e t  al. T he IBM B l ue  Gen e /q Int e rcon nectio n   N e t w o r k F a bric.  IEEE Micro .   201 2; 32(1): 32 -43.  [16]    Steven LS, Gregor y MT T h e  Cray T 3 E Netw ork: Adaptive  Rout in g in a  H i gh Perfor manc e 3D T o rus 5th An nu al  S y mposi u m H i gh   Performanc e I n tercon nects ( H ot Interco n n e c ts IV) .  Stanfor d U n ivers i t y 199 6: 147- 156.   [17]   Erno S, Ari K,  T i mo DH.  Survey of Netw ork-on-C h ip pr op o s als . W h ite Pa per, OCP-IP. 2008: 1-1 3 [18]    Mostafa A,T u rki F A T opolo g ic al Prop erties  of Hierarc hica Intercon necti on  Net w orks: A R e vie w   an d   Comp ariso n Journ a l of Electr ical a nd  Co mputer Eng i n eeri n g .  201 1; 201 1: 1-12.   [19]    MM Hafizur  R, Yasush i I, F a iz AF , et al. S y mmetric  an F o lde d  T o ri C onn ected T o ru s Net w ork.   Journ a l of Net w orks . 2011; 6(1): 26-35.   [20]    Jain VK, Hor i guchi S.  V L SI   Consi der atio ns  for T ESH: A Ne w   Hi erarch i c al Interc on ne ction  Net w ork   for 3-D Integrat ion.  IEEE Trans on VLSI System s . 1 998; 6( 3 ) : 346-35 3.  [21]    Horiguchi S, Ooki T .   Hierar c hical  3D-T oru s  Interconn ecti on Netw ork . Internati o n a l S y mp osi u m on   Parall el Arch ite c tures, Algorith m and Net w o r ks.  T e xas, US A. 2000: 50- 56 [22]    Latifah, Er nas tuti, Djati K.  Structural P r operti es of  T o rus-Butterfl y  Interconn ecti on N e t w ork.  Internatio na l Journ a l of  Co mputer App lic ations . 201 2; 46( 16): 31-3 5 [23]    F a ra ydo n  K, Anh N, Sujit D.  An Interconn ect Architectur e  for Net w o r ki ng S y stems o n  Chi p IEEE   Micro . 200 2; 22(5): 36-4 5 [24]    T ao H, Xin g mi ng Z ,  T ao Q. Improvin Ne g a tive  F i rst  Rou t ing A l gor ithm  w i t h   Loa d E q u a lizati o n  o f   Virtual  Ch ann e l  in  No C.  T E L K OMNIKA Ind ones ian  Jo urn a l of E l ectric al  Engi ne erin g.  201 3;  11( 11):  646 0 – 64 67.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.