机群系统以良好的可扩展性、可用性、可靠性和很高的性能价格比占据着高性能计算机系统的主导地位,机群系统中处理结点的性能不断提高,要求系统内互连网络的性能也必须相应提高,否则会成为整个系统的瓶颈,因此对机群互连网络的研究是高性能计算机体系结构研究的重要课题。面向网格的高性能计算机体系结构是计算机体系结构发展的重要方向,内部网格系统中的网格交换机要求具有支持应用级通信的能力,以实现对系统中资源共享的支持,因此研究网格交换机及其网络结构具有重要意义。本文结合曙光高性能机群互连网络UX8的设计与实现,对如何实现高带宽、低延时、可扩展的机群互连网络的关键技术进行了研究。以智能中心提出的“面向网格的高性能计算机体系结构”为基础,研究了网格交换机的特点,提出了一种光纤全互连网络结构。具体研究成果如下:1.通过对主流机群互连网络的研究,归纳出了设计和实现机群互连网络的几项关键技术,它们是:互连网络的传输通道形式与时钟同步方式;虫洞路由交换与基于数据片的流量控制方式;可扩展的网络拓扑结构;简单的链路传输协议。本文提出了描述这些关键技术相互关系的层次模型。2.提出了一种采用伸缩缓冲流量控制方法、缓冲虫洞路由交换机制、支持可变长度数据包传输的链路控制协议。3.提出了实现交换芯片内部链路调度的LRSP调度策略。该策略的调度过程以数据包为单位,按近期最少服务优先原则为输入请求分配传输通道,逻辑实现结果表明,一次调度过程可以在3个时钟周期内完成。4.提出了采用双通道端口,分布式调度方式的交换芯片体系结构。双通道端口提高了交换芯片的端口带宽,分布式调度方式加快了芯片内部的仲裁处理速度,从而减小了寻径延时。基于FPGA器件的UX8交换芯片实现结果表明,双通道端口带宽达到了4Gbit/s,寻径延时为256ns。5.提出了网络适配器的设计原则。在网络适配器内部设置DMA控制器和通信处理机可以改善网络与处理结点之间的数据传输性能,同时提高了通信软件设计的灵活性。测试结果表明,提高通信处理机的处理能力是减小PIO方式下通信延迟时间的重要手段。6.提出了应用在内部网格系统中的光纤全互连网络结构。在该网络中取消了交换机,把路由选择功能转移到网络适配器上。本文设计了全互连网络的网络适配器结构,并定义了适配器各模块的功能。