JP4872857B2 - 記憶制御装置、方法及びプログラム、並びに、情報監視装置 - Google Patents

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Description

本発明は、記憶制御装置、方法及びプログラム、並びに、情報監視装置に関し、例えば、情報通信ネットワークにおいて、監視ネットワーク上を流れるパケット情報を監視する情報監視装置が備える記憶装置、方法及びプログラムに適用し得るものである。
例えば、ブルームフィルタ(Bloom Filter)は、1970年にBurton H.Bloomが考案した記録方式であり、空間効率の良い確率的データ構造で、ある要素が集合のメンバーであるか否かを判定するために使用されるものである。
まず、データ構造として2ビットのビット配列を記憶装置5(例えば、DRAMやストレージ等)上に用意する。そして、各ビットの初期値は0であり、nビットの長さの値(0〜2−1の値を取る)をインデックスとしてアクセス可能であるとする。
図2は、記憶装置5へのアクセス方法を例示する図である。図2において、nビット値に対して、ビット配列の先頭アドレスを加算することによって、対象とするビット値が属する記憶装置5上のアドレスを特定することができる。
図3は、記憶装置5に対して要素の追加を説明する図である。また、図4は、要素の追加処理手順を示すフローチャートである。
図3において、まず、追加要素を入力とし、この要素にハッシュ関数を用いてハッシュ演算を行ない、nビットのハッシュ値を複数種類(図3ではk個)生成する(ステップS51)。そして、各ハッシュ値をインデックスとし、各ハッシュ値から記憶装置5上のアドレスを算出し(ステップS52)、そのアドレスから1ワード分のビット列を読み込み(ステップS53)、ビット配列上のビット値に1を書き込む(ステップS54)。そして、元のアドレスへの書き込みを行なうことで要素の追加を行なう(ステップS55)。
図5は、記憶装置5から要素が集合に属しているか否かを判定する方法を説明する図である。また、図6は、要素の判定処理手順を示すフローチャートである。
図5において、まず、追加時と同様に、判定要素にハッシュ関数を用いてハッシュ演算を行ない、nビットのハッシュ値を複数種類(図5ではk個)生成する(ステップS61)。そして、各ハッシュ値をインデックスとして、記憶装置5上のアドレスを算出し(ステップS62)そのアドレスから1ワード分のビット列を読み込む(ステップS63)。そして、ビット配列上の対応するビットが1であるか否かを判断し(ステップS64)、k個のハッシュ値全てについて読み込んだビットが1であれば、要素が集合のメンバーであると判定(TRUE判定)し(ステップS65、S66)、1つでも0があれば、要素は集合のメンバーではないと判定(FALSE判定)する(ステップS67)。
ここで、ブルームフィルタの特徴である判定誤りについて説明する。ブルームフィルタは、判定結果の100%の確実性を保証するものではない。つまり、要素が集合のメンバーでないにも拘わらずメンバーであると判定してしまうこともある。この要素が集合のメンバーであるとの判定してしまう可能性を誤り率(False Positive Rate)といい、式(1)で示される
Figure 0004872857
式(1)は、使用する記憶領域を2ビット、ハッシュ値の個数をk個、追加した要素の個数をN個(互いに異なる要素とする)としたときの誤り率の算出式である。
図7は、式(1)に基づいて、ハッシュ値の数kを増加させたときの誤り率の変化の一例を示す図である。図7に示す誤り率の変化結果より、ハッシュ値の種類を複数(k個)とることで誤り率を最適な値へとすることができる。
特開2003−298651号公報 ウィキメディア財団,フリー百科事典「ウィキペディア」出展,「ブルームフィルタ」,最終更新日2007年6月28日,インターネット,検索日2007年8月28日,http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%A0%E3%83%95%E3%82%A3%E3%83%AB%E3%82%BF
しかしながら、上述した従来のブルームフィルタによる要素の追加・判定処理は、ハッシュ値の種類数(k個)に応じた回数だけ、記憶装置にアクセスする必要がある。そのため、高速処理が要求される場合には、この記憶装置へのアクセスに要する時間がボトルネックとなり性能が発揮できないことがある。
そこで、本発明は、記憶装置への要素の追加又は判定処理において、記憶装置へのアクセス時間を低減することができる記憶装置、方法及びプログラム、さらにこの記憶装置等を有する情報監視装置を提供する。
かかる課題を解決するために、第1の本発明の記憶制御装置は、(1)ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段と、(2)入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算手段と、(3)入力されたデータ列の追加又は判定の際に、第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択手段と、(4)プロセッサのレジスタ上に読み込まれているビット配列の中で、入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行手段と、(5)アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、プロセッサのレジスタ上のデータ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込手段とを備えることを特徴とする。
第2の本発明の記憶制御方法は、ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段を用いる記憶制御装置の記憶制御方法であって、記憶制御装置が、一意値演算手段、対象選択手段、アクセス実行手段、対象書込手段を備え、()一意値演算手段が、入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算工程と、()対象選択手段が、入力されたデータ列の追加又は判定の際に、第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択工程と、()アクセス実行手段が、プロセッサのレジスタ上に読み込まれているビット配列の中で、入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行工程と、()対象書込手段が、アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、上記プロセッサのレジスタ上のデータ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込工程とを有することを特徴とする。
第3の本発明の記憶制御プログラムは、ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段を用いる記憶制御装置を、(入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算手段、(入力されたデータ列の追加又は判定の際に、第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択手段、()プロセッサのレジスタ上に読み込まれているビット配列の中で、入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行手段、()アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、プロセッサのレジスタ上のデータ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込手段として機能させるものである。
第4の本発明の情報監視装置は、監視ネットワークを通過する信号の信号情報を監視する情報監視装置において、監視ネットワーク上を流れる信号の信号情報を、入力されたデータ列として記憶する記憶制御手段が、第1の本発明の記憶制御装置に対応するものであることを特徴とする。
本発明によれば、記憶装置への要素の追加又は判定処理において、記憶装置へのアクセス時間を低減することができる。
(A)第1の実施形態
以下、本発明の記憶制御装置、方法及びプログラム、並びに、情報監視装置の第1の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第1の実施形態は、例えば、監視ネットワーク上を通過するパケット情報を監視するシステムで用いる記憶装置及び記憶方法に本発明を適用する場合を例示して説明する。
(A−1)第1の実施形態の構成
図8は、第1の実施形態の監視ネットワーク上を通過するパケット通過監視システム10の概略的な構成を示す構成図である。
図8において、第1の実施形態のパケット通過監視システム10は、高速回線4を通過するパケットを監視する監視プローブ装置1、管理回線3を通じて監視プローブ装置1と接続するマネージャ装置2、タップ5を有する。
高速回線4は、例えば、IP(Internet Protocol)ネットワークなどの高速回線であり、監視プローブ装置1の監視対象回線である。
タップ5は、高速回線4を流れるパケットを複製し、その複製したパケットを監視プローブ装置1に与えるものである。タップ5は、高速回線4を流れる双方向のパケットを複製可能に構成されるものである。なお、図8では、タップ5を例示したが、通信パケットを観測プローブ装置1に与えることができれば、タップ装置に限定されず転送装置のミラー回線などとしてもよい。
マネージャ装置2は、監視プローブ装置1を管理するものである。マネージャ装置2は、管理回線3を通じて監視プローブ装置1に対して監視対象の問い合わせを行なうものである。
監視プローブ装置1は、高速回線4を通過するパケットのパケット情報を監視するものである。監視プローブ装置1は、タップ5を介して受信したパケットをパケットのパケット情報を記憶するものである。また、監視プローブ装置1は、管理回線3を通じてマネージャ装置2と接続しており、マネージャ装置3から監視対象の問い合わせがなされると、その監視対象のパケット通過を判定し、その判定結果をマネージャ装置1に与えるものである。
また、監視プローブ装置1は、通信パケットの記憶処理やパケット通過判定処理などの監視プローブ装置1の処理を司るプロセッサ12と、例えばDRAMなどの記憶装置11とを有する。
図1は、監視プローブ装置1が有する記憶装置11上に確保されるデータ構造を示すデータ構造図である。
図1に示すように、記憶装置11上に確保されるデータ構造は、記憶領域において、1ワードを1つのビット配列として、複数個のビット配列112−1〜112−nを連なった構造をしている。また、ビット配列112−1〜112−nにはそれぞれ先頭アドレス111が付与されている。
つまり、従来は、記憶装置11上の記憶領域の全てを1つのビット配列として使用していたが、第1の実施形態では、記憶領域において1ワードを1つのビット配列として複数個連ねた形で記憶させる。
なお、第1の実施形態では、1ワードが32ビットの場合を示したが、1ワードのビット数は特に限定されるものではない。また、記憶装置11上のビット配列が1ワードのワード長である必要なく、1ワードのワード長の整数倍のワード長としてもよい。
(A−2)第1の実施形態の動作
次に、第1の実施形態の監視プローブ装置1における要素の追加・判定処理の動作を図面を参照しながら説明する。
まず、監視プローブ装置1における要素の追加処理について、図9及び図10を参照して説明する。図9は、監視プローブ装置1における要素の追加処理を説明する説明図である。また、図10は、監視プローブ装置1における要素の追加処理を示すフローチャートである。
高速回線4上を流れるパケットは、タップ5を介して監視プローブ装置1に与えられる。監視プローブ装置1にパケットが与えられると、入力されたパケットは追加要素として監視プローブ装置1の記憶装置11に記憶される。
監視プローブ装置1において、追加要素はハッシュ関数によりハッシュ演算が行なわれ、インデックス値22となるハッシュ値が生成される(ステップS11)。
次に、生成したインデックス値22に基づいて、記憶装置11から対応するアドレス領域112−mを割り出し(ステップS12)、記憶装置11上のアドレス領域112−mから1ワード(32ビット)のデータをプロセッサ12のレジスタ113上に読み込む(ステップS13)。
このとき、プロセッサ12は、インデックス値22とするハッシュ値に基づいてアドレス変換処理を行ない、記憶装置11における記憶領域を選択する。例えば、プロセッサ12が、インデックス値22とするハッシュ値と記憶装置11の記憶領域とを対応付けたアドレス変換テーブル(図示しない)を有し、プロセッサ12がこのアドレス変換テーブルを参照して、インデックス値22とするハッシュ値に対応する記憶領域を選択することができる。
1ワード(32ビット)のデータがプロセッサ12のレジスタ113上に読み込まれると、入力された追加要素に対してハッシュ関数によるハッシュ演算を行ない、複数(k)個のハッシュ値1〜kが生成される(ステップS14)。
そして、これらハッシュ値1〜kのそれぞれに対してレジスタ113上のビット配列の対応するビット値に「1」を書き込む(ステップS15)。
このとき、プロセッサ12は、各ハッシュ値に基づいてレジスタ113上のビット配列のビット位置を指定する。例えば、プロセッサ12は、各ハッシュ値とビット配列のビット位置とを対応付けるビット位置対応テーブル(図示しない)を有し、プロセッサ12が、このビット位置対応テーブルを参照して、各ハッシュ値に対応するビット位置を指定することができる。
その後、レジスタ113上のビット配列が元のアドレス領域112−mに対して書き込まれる(ステップS16)。
続いて、監視プローブ装置1における要素の判定処理について図11及び図12を参照して説明する。図11は、監視プローブ装置1における要素の判定処理を説明する説明図である。また、図12は、監視プローブ装置1における要素の判定処理を示すフローチャートである。
監視プローブ装置1は、マネージャ装置2から監視対象の問い合わせを受ける。このマネージャ装置2からの問い合わせに係る監視対象が判定要素31として監視プローブ装置1に入力され、監視プローブ装置1において要素判定処理が行なわれる。
まず、監視プローブ装置1において、判定要素31からインデックス値32となるハッシュ値が生成される(ステップS21)。次に、生成されたインデックス値32に基づいて記憶装置11から対応するアドレス領域112−mが割り出される(ステップS22)。
このとき、プロセッサ12が、インデックス値32とするハッシュ値に基づいて、アドレス変換テーブルを参照して、記憶装置11上の記憶領域を割り出す。
そして、アドレス領域112−mから1ワード(32ビット)のデータがプロセッサ12のレジスタ113に読み込まれる(ステップS23)。
1ワード(32ビット)のデータがプロセッサ12のレジスタ113に読み込まれると、判定要素に対してハッシュ関数によるハッシュ演算を行ない、ハッシュ値1〜kが生成される(ステップS24)。
ハッシュ値1〜kが生成されると、レジスタ113上に読み込まれているビット配列のうち、ハッシュ値1〜kのそれぞれに対応するビット値を見て(ステップS25)、各ハッシュ値1〜kに対応する全てのビット値が「1」である場合、当該判定要素が集合のメンバーであると判定(TRUE判定)し(ステップS27)、1つでも「0」のビットがある場合、当該判定要素が集合のメンバーでないと判定する(FALSE判定)。
なお、ビット値を見る際、プロセッサ12は、各ハッシュ値に基づいてビット位置対応テーブルを参照して、各ハッシュ値に対応するビット位置のビット値を判断する。
続いて、第1の実施形態の要素判定処理の誤り率について説明する。下記式(2)は、第1の実施形態の要素判定処理の誤り率を算出する算出式である。
Figure 0004872857
式(2)は、記憶装置12の領域を2ビット、ワード長を2ビット、ハッシュ値の個数をk個、追加した要素の個数をN個(互いに異なる要素とする)としたときの誤り率の算出式である。
第1の実施形態の要素判定処理では、1ワードのワード長が2であるから、記憶装置12の記憶領域に構造されるビット配列は、2n−w(=2/2)個だけ確保することができる。
追加要素21を追加する際、図10のステップS12及びS13に示すように、インデックス値21に基づいて、2n−w個のビット配列から1個のビット配列を選択する。このインデックス値21は、追加要素21に対してハッシュ演算を施した結果求められるものであるから、それぞれのビット配列は一様な確率で選択される。そのため、例えばN個の互いに異なる要素を追加するときには、それぞれのビット配列が選択される回数は、平均値にみればN/2n−w回となる。
また、記憶領域の1ワードのワード長が2ビットであるから、それぞれのビット配列が2ビットの大きさの従来方式のブルームフィルタと同等である。そこで、第1の実施形態の要素判定に係る誤り率は、それぞれのビット配列が2ビットの大きさをもつ従来のブルームフィルタにおいて、N/2n−wの要素の入力があった場合を考えればよい。
そこで、第1の実施形態の要素判定に係る誤り率を算出する算出式は、上述した式(1)において、記憶装置12で使用する記憶領域を2ビット、ハッシュ値の個数をk個、追加した要素の個数をN/2n−w個(互いに異なる要素とする)としたときに等しい。これにより、第1の実施形態の要素判定処理に係る誤り率を算出する算出式として、式(2)を得る。
図13は、第1の実施形態の要素判定処理に誤り率の算出式(式(2))と、従来の要素判定処理に係る誤り率の算出式(式(1))とにより求めた誤り率について、ハッシュ値の種類数の違いに応じたシミュレーション結果を示す図である。
図13に示すように、第1の実施形態の式(2)による誤り率と、従来方式の式(1)による誤り率とを比較すると、ハッシュ値の種類数が1〜8個程度の場合には、第1の実施形態の要素判定処理の誤り率は従来方式のそれと同等であり、ハッシュ値の種類数が多くなるについて、従来方式に比べて軽微な劣化があるが、第1の実施形態の誤り率は従来方式のそれとほぼ同等である。
(A−3)第1の実施形態の効果
以上のように、第1の実施形態によれば、1ワードのビット配列を複数個連ねたデータ構造とし、プロセッサのレジスタ上に読み込んだ1ワードのビット配列を用いて、要素の追加・判定処理を行なうことにより、従来よりも記憶装置の記憶領域へのアクセス回数を低減させることができる。その結果、要素の追加・判定処理に要する時間を低減させ、高速処理を実現することができる。
(B)他の実施形態
第1の実施形態では、監視対象ネットワーク上を流れるパケットのパケット情報を監視する監視プローブ装置における要素の追加・判定処理に本発明を適用した場合を例示したが、本発明はパケット情報の監視システムに限定されるものではなく、要素が集合のメンバーであるか否かを判定する要素判定技術に広く適用することができる。
また、第1の実施形態では、記憶装置の例として、主記憶装置(例えばDRAM)を例示して説明したが、記憶装置であれば、例えば、ハードディスク、フロッピー(登録商標)ディスクなどの外部記憶装置にも適用することができる。
第1の実施形態では、1ワードが32ビットの場合を例示して説明したが、1ワードのビット数は、特に限定されるものではなく、使用するプロットフォームに応じて変更することができる。
また、第1の実施形態では、記憶装置の記憶領域にアクセスするアクセス単位を1ワードとする場合を例示して説明したが、アクセス単位を2ワード以上であってもよい。これにより、プラットフォーム(例えば、プロセッサ、メモリ方式など)に応じて、適切にアクセス単位を調整することができる。この場合、アクセス対象とする2ワード、3ワード…のそれぞれと、インデックス値とを対応付けるテーブルをプロセッサが備えることで実現することができる。
第1の実施形態の記憶領域に確保されるデータ構造を示すデータ構造図である。 従来の記憶装置へのアクセス方法を説明する説明図である。 従来の要素の追加処理を説明する説明図である。 従来の要素の追加処理を示すフローチャートである。 従来の要素の判定処理を説明する説明図である。 従来の要素の判定処理を示すフローチャートである。 従来の要素判定処理に係る誤り率の変化とハッシュ値の種類数の変化との関係を示す図である。 第1の実施形態のパケット通過監視システムの構成を示す構成図である。 第1の実施形態の追加処理を説明する説明図である。 第1の実施形態の追加処理を示すフローチャートである。 第1の実施形態の判定処理を説明する説明図である。 第1の実施形態の判定処理を示すフローチャートである。 第1の実施形態の要素判定処理の誤り率の変化とハッシュ値の種類数の変化との関係を示す図である。
符号の説明
1…観測プローブ装置、11…記憶装置、12…プロセッサ、111…先頭アドレス、112−1〜112−n…ビット配列、2…マネージャ装置、3…管理回線、4…高速回線、5…タップ、10…パケット通過監視システム。

Claims (5)

  1. ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段と、
    入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、上記入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算手段と、
    上記入力されたデータ列の追加又は判定の際に、上記第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択手段と、
    上記プロセッサのレジスタ上に読み込まれている上記ビット配列の中で、上記入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行手段と、
    上記アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、上記プロセッサのレジスタ上の上記データ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込手段と
    を備えることを特徴とする記憶制御装置。
  2. 上記アクセス実行手段が、上記プロセッサのレジスタ上の上記ビット配列の中の、上記入力されたビット列の上記複数個の第2の一意な値に対応する各ビットの同一性を判断して上記入力されたビット列の判定処理を行なう要素判定処理部を有することを特徴とする請求項1に記載の記憶制御装置。
  3. ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段を用いる記憶制御装置の記憶制御方法であって、
    上記記憶制御装置が、一意値演算手段、対象選択手段、アクセス実行手段、対象書込手段を備え、
    上記一意値演算手段が、入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、上記入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算工程と、
    上記対象選択手段が、上記入力されたデータ列の追加又は判定の際に、上記第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択工程と、
    上記アクセス実行手段が、上記プロセッサのレジスタ上に読み込まれている上記ビット配列の中で、上記入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行工程と、
    上記対象書込手段が、上記アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、上記プロセッサのレジスタ上の上記データ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込工程と
    を有することを特徴とする記憶制御方法。
  4. ワード長又はワード長の整数倍のビット配列を複数連ねたデータ構造で記憶する記憶手段を用いる記憶制御装置を、
    入力されたデータ列に基づいて第1の一意な値を求めると共に、上記入力されたデータ列に基づいて、複数個の第2の一意な値を求める一意値演算手段、
    上記入力されたデータ列の追加又は判定の際に、上記第1の一意な値をインデックス値として、当該インデックス値に対応する記憶領域に記憶されるビット配列を選択して、選択されたビット配列をプロセッサのレジスタに読み込む対象選択手段、
    上記プロセッサのレジスタ上に読み込まれている上記ビット配列の中で、上記入力されたビット列から求めた複数第2の一意な値に対応するビットに対して書き込み又は読み込みを行なうアクセス実行手段、
    上記アクセス実行手段による書き込み又は読み込み終了後、上記プロセッサのレジスタ上の上記データ配列を、元の記憶領域に書き込む対象書込手段
    として機能させる記憶制御プログラム。
  5. 監視ネットワークを通過する信号の信号情報を監視する情報監視装置において、
    上記監視ネットワーク上を流れる信号の信号情報を、上記入力されたデータ列として記憶する記憶制御手段が、請求項1又は2に記載の記憶制御装置に対応するものであることを特徴とする情報監視装置。
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