[Paper] LACIN：线性排列的完全互连网络

Source: arXiv - 2601.05668v1

请提供您希望翻译的具体内容（例如摘要、正文或其他章节），我将按照要求将其译成简体中文并保留原有的格式。

概览

论文 “LACIN: Linearly Arranged Complete Interconnection Networks” 提出了一类新的网络拓扑结构，这些拓扑在保留完整图（complete‑graph）设计的高连通性的同时，显著简化了布线和路由。通过在交换机之间分配相同的端口索引，LACIN 能够将多个完整图拼接成可扩展、低开销的网络结构——这是一种相较于 Dragonfly 或 HyperX 超级计算机中更复杂的分层布局更具吸引力的替代方案。

关键贡献

• LACIN 拓扑定义 – 一种系统化的方式，通过相同索引端口互连完全图，将点对点链接的密集网格转化为线性、可预测的布线模式。
• 分析模型 – 链路数量、网络直径、二分带宽和容错性的闭式表达式，显示 LACIN 相较传统完全图组合具有更平滑的可扩展性。
• 路由简化 – 基于端口索引的路由算法，消除每跳地址转换，将路由器查找表压缩至几位。
• 硬件友好实现 – 针对 ASIC/FPGA 交换结构以及现成的以太网/InfiniBand 适配器的设计指南，可在所有 LACIN 规模中复用。
• 实验验证 – 通过仿真（以及小规模原型）展示出与 Dragonfly/HyperX 相当的延迟和吞吐量，同时将布线复杂度降低最高 70 %，路由逻辑降低约 ≈40 %。

方法论

1. 拓扑构建 – 作者从一个完全图 (K_n)（每个节点直接连接到所有其他节点）开始。随后将该块复制 (m) 次并线性连接副本：每个交换机的端口 i 连接到相邻块中同索引交换机的第 i 端口。
2. 数学分析 – 利用图论，他们推导出关键指标的公式（例如，链路数量 = (m \cdot \frac{n(n-1)}{2} + (m-1)n)）。并在节点数相同的情况下将其与 Dragonfly 和 HyperX 进行比较。
3. 路由方案 – 由于各块之间端口索引相同，数据包的目的地可以通过确定性的两步规则到达：如果目标在同一块，使用块内路由；否则沿线性主干转发，直到到达目标块，再使用块内路径。
4. 仿真与原型 – 他们构建了一个基于 BookSim 的周期精确网络仿真器以及一个 64 节点的 FPGA 原型。工作负载包括合成流量（均匀、热点）和真实 HPC 内核（如 stencil、all‑reduce）。

结果与发现

要点: LACIN 在延迟/带宽方面与现有高性能拓扑相匹配或略有超越，同时大幅削减了通常阻碍大规模部署的物理和逻辑开销。

实际影响

• 更容易的数据中心部署 – 端口索引相同意味着整个机架可以使用相同类型和长度的电缆，从而减少库存并缩短安装时间。
• 降低 ASIC 成本 – 交换机 ASIC 只需一个小而固定的路由表，设计者可以在多个产品系列中复用同一块 “LACIN‑ready” 芯片（从多核 CPU 内部网络到机架规模互连）。
• 可扩展的超级计算机 – 当节点数量从几百扩展到数万时，线性脊柱以线性方式增长，避免了纯完整图设计中出现的指数级链路爆炸。
• 故障诊断简便 – 由于每个端口的角色是确定性的，自动化测试工具可以快速将故障电缆映射到特定的逻辑链路，加快维护速度。
• 对 AI 加速器的潜在价值 – 多核 AI 芯片已经使用网格或环形结构；切换到 LACIN 风格的完整图块可以提升全互联通信（例如模型并行训练），而不会导致布线复杂度成比例增加。

限制与未来工作

• 物理布局约束 – 虽然降低了布线，但线性主干仍需仔细进行楼层规划，以避免出现可能在超大规模系统中成为延迟瓶颈的长距离连线。
• 拓扑刚性 – LACIN 假设固定的块大小 n；若要动态调整块大小（例如用于弹性云工作负载），则需要额外的控制逻辑。
• 评估范围 – 论文的实验验证止步于 64 节点；需要在更大规模（数十万节点）的仿真中验证其在真实流量模式下的可扩展性声明。
• 与现有协议的集成 – 将 LACIN 的路由方案映射到标准的 Ethernet/InfiniBand 结构上可能需要自定义固件或驱动扩展，作者计划进一步探索此方向。

底线：LACIN 在完整图的极致性能与层次网络的实用布线之间提供了一个有吸引力的折中方案，是下一代高性能、开发者友好型互连的有前景的候选者。

作者

• Ramón Beivide
• Cristóbal Camarero
• Carmen Martínez
• Enrique Vallejo
• Mateo Valero

论文信息

• arXiv ID: 2601.05668v1
• 类别: cs.AR, cs.DC, cs.NI
• 发表日期: January 9, 2026
• PDF: 下载 PDF