一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置

摘要

本申请公开了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置，方法包括：在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；根据划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构，解决了现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题。

权利要求

1.一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，包括：在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对所述计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对所述计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；

根据所述划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；

根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构；

所述划分结果包括：角节点区；

所述角节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2，3，...，+∞。

2.根据权利要求1所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，所述预置形状为方形网格状；

相应的，所述划分结果还包括：边节点区和内部节点区。

3.根据权利要求2所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，所述边节点区中各节点的通讯端口映射关系为：其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2，3，...，+∞。

4.根据权利要求2所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，所述内部节点区中各节点的通讯端口映射关系为：ri＝{bi+L，bi+L+1，bi+1，bi‑L，bi‑L‑1，bi‑1}；

其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2，3，...，+∞。

5.根据权利要求1所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，所述根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构，之后还包括：当所述类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于所述最短路径选择所述脉冲包的传输路径。

6.根据权利要求1所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，其特征在于，各节点包含6个所述通讯端口。

7.一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置，其特征在于，包括：划分单元，用于在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对所述计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对所述计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；

构建单元，用于根据所述划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；

连接单元，用于根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构；

所述划分结果包括：角节点区；

所述角节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2，3，...，+∞。

8.根据权利要求7所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置，其特征在于，所述装置还包括：计算单元，用于当所述类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于所述最短路径选择所述脉冲包的传输路径。

9.根据权利要求7所述的类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置，其特征在于，各节点包含6个所述通讯端口。

说明书

一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置

技术领域

[0001] 本申请涉及计算机技术领域，尤其涉及一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置。

背景技术

[0002] 大规模类脑计算机计算过程主要是依靠脉冲神经网络完成的。脉冲神经网络(Spiking Neuron Network,SNN)以脉冲的形式实现神经元之间的信息传输，最接近生物神经网络的原理，经常被誉为第三代人工神经网络。大规模脉冲神经网络往往用以探索生命和生物组织(如人脑)的机能。SNN的信息通过神经元动力学模型编码为脉冲包的时序信息，在大规模SNN模型模拟仿真过程中每周期会产生海量微小脉冲包(每个脉冲包约几个字
节)，将这些海量微小脉冲包的高效及时送达是保证大规模SNN模型正确仿真的关键。目前脑科学研究表明，生物大脑的神经元更新周期大概为1‑10ms，在此时间尺度下完成大规模SNN的生物实时模拟是一个具有十分挑战性的工作，其中很大程度取决于仿真系统的通讯能力。

[0003] 由于计算机网络结构研究发展较早，其网络拓扑和通讯系统的研究很成熟。传统的计算机集群网络通讯方法主要是通过星型拓扑网络完成，其特征在于将所有的计算机处理器与中心节点连接，集群之间的通讯必须通过中心节点才能完成。传统的计算机网络拓扑结构处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵问题。

发明内容

[0004] 本申请提供了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置，用于解决现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题。

[0005] 有鉴于此，本申请第一方面提供了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，包括：

[0006] 在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对所述计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对所述计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；

[0007] 根据所述划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；

[0008] 根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0009] 可选的，所述预置形状为方形网格状；

[0010] 相应的，所述划分结果包括：角节点区、边节点区和内部节点区。

[0011] 可选的，所述角节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0012]

[0013] 其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2,3,...,+∞。

[0014] 可选的，所述边节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0015]

[0016] 其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2,3,...,+∞。

[0017] 可选的，所述内部节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0018] ri＝{bi+L,bi+L+1,bi+1,bi‑L,bi‑L‑1,bi‑1)}；

[0019] 其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2,3,...,+∞。

[0020] 可选的，所述根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构，之后还包括：

[0021] 当所述类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于所述最短路径选择所述脉冲包的传输路径。

[0022] 可选的，各节点包含6个所述通讯端口。

[0023] 本申请第二方面提供了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置，包括：

[0024] 划分单元，用于在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对所述计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对所述计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；

[0025] 构建单元，用于根据所述划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；

[0026] 连接单元，用于根据各节点的所述通讯端口映射关系连接所述计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0027] 可选的，所述装置还包括：

[0028] 计算单元，用于当所述类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于所述最短路径选择所述脉冲包的传输路径。

[0029] 可选的，各节点包含6个所述通讯端口。

[0030] 从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

[0031] 本申请提供了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法，包括：在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；根据划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0032] 本申请中，根据构建的各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构不包含传统网络中用于信息交互的中心节点，在传输海量脉冲包时不会受到中心节点的限制，可以避免出现信道拥堵问题，从而解决了现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题。

附图说明

[0033] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0034] 图1为本申请实施例提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的一个流程示意图；

[0035] 图2为本申请实施例提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的另一个流程示意图；

[0036] 图3为本申请实施例提供的一种星型网络拓扑结构的一个结构示意图；

[0037] 图4为本申请实施例提供的各节点的通讯端口的编码方式和方向的一个示意图；

[0038] 图5为本申请实施例提供的节点区域划分结构的一个示意图；

[0039] 图6为本申请实施例提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构的一个示意图；

[0040] 图7为本申请实施例提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构的节点数与最大的最短路径长度间的关系示意图；

[0041] 图8为本申请实施例提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置的一个结构示意图。

具体实施方式

[0042] 本申请提供了一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法和装置，用于解决现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题。

[0043] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0044] 为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的一个实施例，包括：

[0045] 步骤101、在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果。

[0046] 请参考图3提供的一种星型网络拓扑结构，该网络由中心交换机实现通讯，其处理通讯数据的能力受到中心交换机的限制，在海量脉冲包需要传输时，会出现信道拥堵的问题。

[0047] 为了解决上述问题，本申请实施例将计算机集群中的节点(PC机或服务器)按照预置形状排布，构成一组群阵列，在该阵列上部署类脑计算机专用网络拓扑结构，具体的，按照方形网格状对该计算机集群中的节点进行排布。在此之前，在该计算机集群上部署FPGA+6口高速光纤模块板卡以实现大规模实时类脑计算机专用网络拓扑结构，每个FPGA板卡上有6个通讯端口，即，计算机集群中的各节点包含6个通讯端口，各通讯端口的编码方式和方向如图4所示。每个节点的6个通讯端口及其信道为物理上真实存在的，因此构成了6个独立并行的IO链路。在此基础上，结合FPGA的通讯协议硬件实现方式，可进一步提升IO通讯性能。

[0048] 对该计算机集群进行节点区域划分，主要划分成三个部分，分别为角节点区、边节点区和内部节点区，如图5所示。

[0049] 步骤102、根据划分结果构建各节点的通讯端口映射关系。

[0050] 根据前述划分得到的划分结果构建各节点的通讯端口映射关系。首先，可以构建角节点区域中的四个角节点的通讯端口映射关系，当i＝1时，表示角节点1；当i＝(L‑1)L+2
1，表示角节点2；当i＝L时，表示角节点3；当i＝L ，表示角节点4。角节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0051]

[0052] 其中，ri为第i个节点的通讯端口映射关系，b为节点，i为节点索引，L＝2,3,...,+∞。

[0053] 其次，可以构建边节点区中各节点的通讯端口映射关系，当i＝L+1,2L+1,...,(L‑1)L+1时，表示上边节点区；当i＝2L,3L,...,(L‑1)L时，表示下边节点区；当i＝2,3,...,L‑
1时，表示左边节点区；当i＝(L‑1)L+2,(L‑1)L+3,...,(L‑1)L+L‑1时，表示右边节点区。边节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0054]

[0055] 最后构建内部节点区中各节点的通讯端口映射关系为：

[0056] ri＝{bi+L,bi+L+1,bi+1,bi‑L,bi‑L‑1,bi‑1)}。

[0057] 步骤103、根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0058] 计算机集群中各节点的通讯端口映射关系构建好后，根据各节点的通讯端口映射关系连接各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构，以图3中计算机集群的9节点为例，通过计算9个节点的通讯端口映射关系并根据该通讯端口映射关系连接各节点的通讯端口，可以得到如图6所示的类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0059] 本申请实施例中，根据构建的各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构不包含传统网络中用于信息交互的中心节点，在传输海量脉冲包时不会受到中心节点的限制，可以避免出现信道拥堵问题，从而解决了现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题。

[0060] 以上为本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的一个实施例，以下为本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的另一个实施例。

[0061] 为了便于理解，请参阅图2，本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的另一个实施例，包括：

[0062] 步骤201、在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果。

[0063] 步骤202、根据划分结果构建各节点的通讯端口映射关系。

[0064] 步骤201至步骤202的具体内容与前述步骤101至步骤102的具体内容一致，在此不再对其进行赘述。

[0065] 步骤203、根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0066] 根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构可以采用无向图表示：A＝(B,F,R)。B＝{bi，i＝1,2,...,I}为节点bi构成的二维方形网格结构，i为节点索引，节点的索引方向为列，(ui，vi)为节点bi在二2
维网格中的坐标，每个节点bi有6个自由度(如图4所示)，I＝L为节点个数，为二维方形网格的行数或列数；F为通讯链路的集合，表示为：

[0067] F＝{fs＝f(bi,bi′)；s＝1,2,…,S；i,i′＝1,2,…,I,且ii≠i′}；

[0068] 其中，S＝3B2为计算机专用网络连接边的个数，f(bi,bi′)为任意两个节点对的连接边映射函数；R＝{ri；i＝1,2,...,I}节点通讯端口的映射集合，每个节点的通讯端口映射关系为ri＝{rie；e＝0,1,2,…,5}。

[0069] 步骤204、当类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于最短路径选择脉冲包的传输路径。

[0070] 当类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，可以通过Dijkstra算法计算无向图A中的任意两个节点间的最短路径，得到所有节点间的最短路径矩阵C＝[cii′]B×B，其中，cii′＝(bi‑fs1‑bs1‑…‑fsl‑bsl‑bi′)为节点bi到bi′的最短路径，fs1,…,fsl∈F为路径cii′内的边，bs1,…,bsl为fs1,…,fsl连接的后续节点，l为路径长度(跳数)。此外，每条路径也可以通过通讯端口进行表示：P＝[pii′]B×B，pii′＝{e1,e2,…,el}，e1,e2,…,el分别为bi到bs1，bs1到bs2，...，bsl到bi′对应的通讯端口号。

[0071] 计算得到各节点间的最短路径后，各节点基于最短路径选择脉冲包的传输路径，最大化降低了计算机专用网络中的数据传播量，进一步通过了网络通讯性能。

[0072] 请参考图7提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构的节点数与最大的最短路径长度间的关系示意图，根据图7可知，最大的最短路径长度随着节点个数的几何级数(平方)增长呈现低于线性增长的趋势，特别低，当节点数为25×25＝625时，最长的最短路径长度仅为16跳，即，在25×25的节点网络中，最极端条件下脉冲包仅需16个节点的转发就可得到目标节点，体现了本申请提供的类脑计算机专用网络拓扑结构的优越性。

[0073] 本申请实施例中，根据构建的各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构不包含传统网络中用于信息交互的中心节点，在传输海量脉冲包时不会受到中心节点的限制，可以避免出现信道拥堵问题，从而解决了现有的计算机网络拓扑就采用星型拓扑网络，其处理通讯数据的能力受到中心节点的限制，在海量脉冲包需要传输的时候，会出现信道拥堵的技术问题；

[0074] 进一步，本申请中的类脑计算机专用网络拓扑结构使得容易节点间的通讯路径最短(跳数最少)，最大化降低了信道拥堵问题，也降低了计算机专用网络中的数据传播量，进一步提升了网络通讯性能。

[0075] 以上为本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计方法的一个实施例，以下为本申请提供的类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置的一个实施例。

[0076] 请参考图8，本申请提供的一种类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置，包括：

[0077] 划分单元301，用于在配置计算机集群中的各节点的通讯端口和对计算机集群中的节点按照预置形状排布后，对计算机集群进行节点区域划分，得到划分结果；

[0078] 构建单元302，用于根据划分结果构建各节点的通讯端口映射关系；

[0079] 连接单元303，用于根据各节点的通讯端口映射关系连接计算机集群中各节点的通讯端口，得到类脑计算机专用网络拓扑结构。

[0080] 作为进一步地改进，本申请实施例中的类脑计算机专用网络拓扑结构设计装置还包括：

[0081] 计算单元304，用于当类脑计算机专用网络拓扑结构中各节点进行脉冲包传输时，计算各节点间的最短路径，使得各节点基于最短路径选择脉冲包的传输路径。

[0082] 作为进一步地改进，各节点包含6个通讯端口。

[0083] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0084] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0085] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

[0086] 另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0087] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式
体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read‑Only Memory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：
RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0088] 以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。