JP5600573B2 - 負荷分散装置及びプログラム - Google Patents
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また、特許文献1のように、隣接ノード間の割り当て範囲を調整する方式であっても、ノードの配置がもともと偏っている場合には、割り当て範囲の調整範囲が狭くあるいは広くなりすぎてしまう。そのため、固定的数を割り当てる仮想ノード手法を併用することが必要となり、根本的な解決にはならない。
この態様によれば、キーに対応した値を保持するノード装置を検索するためにノード装置の特定情報とノードIDとを対応づけたキー検索用ノードテーブルを用いるKey-Value型データ管理システムにおいて、ノード装置の参加や離脱が発生した際、負荷分散装置は、各ノード装置のキーの管理範囲長の差異が所定の範囲内になるまで、管理範囲長が最も狭いノード装置に対して仮想ノードのノードIDを割り当ててキーの管理範囲長を増加させる処理を繰り返し、ノード装置の特定情報と当該ノード装置に対して生成されたノードIDとからなるキー検索用ノードテーブルを生成する。
なお、ノード装置のキーの管理範囲は、そのノード装置のノード特定情報に対応してキー検索用ノードテーブルに登録されているノードIDに基づいて決まる。ノード装置に割り当てるノードIDは、そのノード装置のノード特定情報と、当該ノード装置に割り当て済みのノードID毎に固有の情報とを元に算出されたハッシュ値を用いることができる。
一例として、ノードIDに対応した管理範囲は、隣接するノードIDから自ノードIDまでである。但し、範囲の境界がどちらに属するかは適宜予め定める。
管理範囲長は、上記の管理範囲の長さであり、各ノード装置のキーの管理範囲長は、そのノード装置に割り当てられた各ノードIDに対応した管理範囲の長さの総計である。
各ノードのキーの管理範囲長の差異を所定の範囲内とすることは、各ノード装置の負荷を同等に近くするということである。
これにより、各ノード装置のキーの管理範囲長の不均衡を効率的に是正し、システム全体に割り当てる仮想ノードの数を抑えることができる。キーの管理範囲長の不均衡を是正することによって各ノード装置の負荷の偏りも是正され、従って、キー検索用ノードテーブルの増加を抑えながら、各ノード装置の負荷分散を行なうことが可能となる。
この態様によれば、負荷分散装置は、ノード性能の指標値によって各ノード装置におけるキーの管理範囲長を重み付けし、重み付けした管理範囲長が同等に近くなるまで、重み付けした管理範囲長が最も狭いノード装置に対して仮想ノードのノードIDを割り当てる。一例として、キーの管理範囲長の重み付けは、キーの管理範囲長に、CPUの性能を示す値の逆数を乗算したり、総ディスク容量の逆数を乗算したりすることにより行なう。言い換えれば、ノードの性能値に対するキーの管理範囲長の比の値を用いる。
従って、ノード装置の処理能力やメモリ容量などに応じた管理範囲長を各ノード装置に割り当てることができる。
この態様によれば、負荷分散装置は、一旦算出した各ノード装置のキーの管理範囲長を記憶しておき、ノード装置に仮想ノードのノードIDが追加されてキー検索用ノードテーブルが更新されたときは、追加されたノードIDの仮想ノードについてキーの管理範囲長を算出する。そして、記憶していた管理範囲長のうち、仮想ノードが追加されたノード装置と、仮想ノードに隣接するノードに対応したノード装置とについて記憶していたキー管理範囲長のみを変更する。
これにより、各ノード装置のキーの管理範囲長を高速に算出することが可能となる。
この態様によれば、キー検索用ノードテーブルに、ノード特定情報としてノードアドレスが設定される。
これにより、キーテーブル処理部は、キー検索用ノードテーブルからキーを管理するノード装置のアドレスを取得することができるため、読み出したアドレスを宛先に用いてキーに対応する値の問合せを行なうことが可能となる。
[1.1 全体構成]
図1は、本発明の第1の実施形態によるデータ管理システムの構成図である。本実施形態のデータ管理システムは、DHTを用いたKey-Value(キー(鍵)−値)型データ管理システムであり、例えば、分散型データベースシステムや、分散ファイルシステムなどである。同図に示すように、データ管理システムは、通信ネットワーク5を介して複数のノード装置1を接続することにより構成される。通信ネットワーク5は、例えば、ルータなどの通信装置やケーブルなどの通信線等の各種ネットワーク装置から構成されるIP(Internet Protocol、インターネットプロトコル)通信網である。ノード装置1は、負荷分散装置10とデータ記憶部30とを備える。データ記憶部30は、データ管理システムにおいて管理対象となるファイル等のデータを記憶する。
負荷分散装置10は、各ノード装置1内で動作する。ノード装置1は、例えば、ノードを実行するコンピュータ装置であり、負荷分散装置10は、ノード装置1がアプリケーションプログラムを実行することにより実行されるプロセスに相当する。各負荷分散装置10は、Key-Value型データ管理システムに参加しているノード装置1を管理するノードテーブルと、キー管理を行っているノード装置1の発見に用いるキー検索用ノードテーブルを保持している。Key-Value型データ管理システムへの新たなノード装置1の参加や、Key-Value型データ管理システムに参加していたノード装置1の離脱が発生した場合に、負荷分散装置10が動作してノードテーブル及びキー検索用ノードテーブルを修正する。全ての負荷分散装置10は同じ動作をするため、Key-Value型データ管理システム内の全ての負荷分散装置10のノードテーブルとキー検索用ノードテーブルは同一に保たれる。
図2は、本実施形態による負荷分散装置10の構成を示すブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみ抽出して示している。同図に示すように、負荷分散装置10は、ノードテーブル管理部11、仮想ノード登録部12、ノードID生成部13、管理範囲長演算部14、記憶部15、及び、キーテーブル処理部16を備えて構成される。
図3は、本実施形態によるノードテーブル21のデータ構成例を示す図である。
同図に示すように、ノードテーブル21は、データ管理システムを構成するノード装置1のノードIDとノードアドレスと対応付けたデータのリストである。ノードテーブル21は、ノードIDの数値順にソートされている。ノードテーブル21のノードIDには、仮想ノードのノードIDは含まれない。本実施形態では、ノード装置1のIP(Internet Protocol)アドレスとポート番号の組み合わせをノードアドレスとして用いる。
同図に示すように、キー検索用ノードテーブル22は、オーバーレイネットワークを構成するノードのノードID、ノードアドレス、及び、仮想ノード数を対応付けたデータのリストである。キー検索用ノードテーブル22は、ノードIDの数値順にソートされている。キー検索用ノードテーブル22のノードIDには、ノード装置1のノードIDに加え、仮想ノードのノードIDも含まれる。DHTを用いたKey-Value型データ管理システムである本実施形態のデータ管理システムは、キー管理を行うノードの発見にこのキー検索用ノードテーブル22を用いる。すなわち、キー検索用ノードテーブル22がDHTにおける円状のオーバーレイネットワークを示している。ノードアドレスは、ノード装置1を特定するノード特定情報として用いることができる。
同図に示すように、キーテーブル23は、データ管理システムで管理するキーと値との組み合わせを対応付けたデータのリストである。本実施形態では、キーがデータを特定するデータIDであり、値がデータを記憶しているノード装置1のノードアドレスである場合を例に説明する。
次に、負荷分散装置10の動作について説明する。
まず、DHTを用いたKey-Value型データ管理システムにおける参加及び離脱の通知手順の一例について説明する。ノード装置1がオーバーレイネットワークに参加する場合、当該ノード装置1内の負荷分散装置10は、既にオーバーレイネットワークに参加しているいずれかのノード装置1内の負荷分散装置10に対して参加を要求する。参加の要求を受信した負荷分散装置10は、ノードの参加をスライス・リーダー(Slice Leader)へ通知し、スライス・リーダーは他のスライス・リーダーへ通知を行い、さらに、スライス・リーダーから自領域内のユニット・リーダー(Unit Leader)への通知を行なう。このように、ノードの参加情報をオーバーレイネットワーク内の全ノードに通知する。なお、負荷分散装置10は、ノードテーブル21に登録されているノードIDに基づいてスライス・リーダー、ユニット・リーダーなどの通知先を決定する。
図6は、本実施形態によるノードテーブル管理部11のノードテーブル更新処理フローを示す図である。
ノードテーブル管理部11は、他の負荷分散装置10からノードの参加の通知あるいは離脱の通知を受信する。参加の通知には、「参加」を示す通知種別、及び、参加したノード装置1のノードアドレスが含まれる。また、離脱の通知には、「離脱」を示す通知種別、及び、離脱したノード装置1のノードアドレスが含まれる。ノードテーブル管理部11は、参加の通知または離脱の通知に含まれるノードアドレスと、仮想ノード数「0」とをノードID生成部13に出力し、ノードIDの生成を指示する。ノードID生成部13はノードアドレスと仮想ノード数の組み合わせからノードIDを生成し、ノードテーブル管理部11に通知する(ステップS11)。
また、ノードテーブル管理部11は、離脱の通知を受信した場合、ステップS11の処理を行なわず、ステップS13において、離脱の通知に設定されているノードアドレスと、当該ノードアドレスに対応付けられたノードIDの組のデータを削除してもよい。
図7は、本実施形態による仮想ノード登録部12のキー検索用ノードテーブル更新処理フローを示す図である。このキー検索用ノードテーブル更新処理により、仮想ノード登録部12は、ノードテーブル21からキー検索用ノードテーブル22を生成する。仮想ノード登録部12のメモリ121には、図示しない入力手段などにより設定された管理範囲しきい値Thと、最大仮想ノード数Vmaxが予め記憶される。
そして、最終的に、ステップS23において、仮想ノード数の合計が最大仮想ノード数Vmaxに達し、パラメータNが最大仮想ノード数Vmax以上であると判断した場合(ステップS23:YES)、あるいは、ステップS25において、最大管理範囲長Lmax/最小管理範囲長Lminが管理範囲しきい値Th以下であると判断した場合(ステップS25:NO)、仮想ノード登録部12は、処理を終了する。
なお、管理しきい値Thが1に近いほど、各ノード装置1において管理されるキーの数が均等に近くなるが、その反面、仮想ノード数が増え、結果としてキー検索用ノードテーブル22のサイズが増加してしまう。そのため、実験等の結果に基づいて、キー検索用ノードテーブル22のサイズが大きくなりすぎない範囲で管理しきい値Thを決定する。また、最大仮想ノード数Vmaxが大きいほど、キー検索用ノードテーブル22のサイズが大きくなる可能性がある。そのため、最大仮想ノード数Vmaxは、記憶部15として使用されるメモリの容量に基づいて決定される。
次に、本実施形態によるノードID生成部13のノードID生成処理を説明する。
ノードテーブル管理部11または仮想ノード登録部12からノードアドレス及び仮想ノード数を受信すると、ノードID生成部13は、ノードアドレスと仮想ノード数とを結合したデータにハッシュ関数を用いてノードIDを生成する。仮想ノード数は0からはじまる整数である。本実施形態では、ハッシュ関数としてSHA−1(Secure Hash Algorithm 1)を用いる。従って、ノードID生成部13は、ノードIDとして160ビットの値を生成する。例えば、ノードアドレスが「192.168.100.10:3939」であり、仮想ノード数が「3」である場合、ノードID生成部13は、ノードアドレスと仮想ノード数を結合したデータ「192.168.100.10:3939_3」を生成する。SHA-1のハッシュ関数をHash()とすると、ノードID生成部13は、Hash(“192.168.100.10:3939_3”)によりノードIDを算出する。ノードID生成部13は、ノードアドレス及び仮想ノード数の出力元であるノードテーブル管理部11または仮想ノード登録部12に、算出したノードIDを返送する。
次に、本実施形態による管理範囲長演算部14の管理範囲長算出処理を説明する。管理範囲長演算部14は、管理範囲長算出処理において、オーバーレイネットワークに参加している各ノードのハッシュ空間上での管理範囲長を計算する。
以下、ノードID=iのノードxをノードx[i]と記載する。
また、ノードB全体の管理範囲長は、ノードB[140]単独のキー管理範囲「91〜140」の管理範囲長「50」と、ノードb[240]単独のキー管理範囲「191〜240」の管理範囲長「50」と、ノードb[70]単独のキー管理範囲「61〜70」の管理範囲長「10」を合計した「110」である。
管理範囲長演算部14は、キー検索用ノードテーブル22に設定されているノードIDに順に注目していき、注目しているノードIDと、注目しているノードIDよりも小さい隣接するノードIDとの差から、注目しているノードID単独の管理範囲長を求める。
続いて、キーテーブル処理部の動作例について説明する。
いずれかのノード装置1がデータ記憶部30に新たなデータを記憶すると、キーテーブル処理部16は、この新たなデータのデータ名からSHA−1ハッシュ関数によりデータIDを生成する。キーテーブル処理部16は、データ記憶部30に保存されているキー検索用ノードテーブル22から、生成したデータIDに時計回りに近いノードIDを検索し、そのノードIDに対応したノードアドレスを取得する。キーテーブル処理部16は、取得したノードアドレスを宛先として、データIDと自ノード装置1のノードアドレスを設定したキー登録要求を送信する。キー登録要求を受信したノード装置1において、負荷分散装置10のキーテーブル処理部16は、キー登録要求内のデータIDとノードアドレスの組をデータ記憶部30に記憶しているキーテーブル23に追加する。
図9は、本実施形態による負荷分散装置10を使った実験結果を示す。図9(a)は、データ管理システムに参加しているノード装置1の数と、全ノード装置1の管理範囲長の標準偏差との関連を示し、図9(b)は、データ管理システムに参加しているノード装置1の数と、キー検索用ノードテーブルのサイズとの関係を示す。
実験では、管理範囲しきい値Th=1.5、最大仮想ノード数Vmax=10000とし、ノード装置1の数を3〜1000の範囲とした。なお、比較として、全ノード装置それぞれに0、10、100個の固定数の仮想ノードを割り当てる方式を用いた場合における全ノード装置の管理範囲長の標準偏差と、キー検索用ノードテーブルのサイズを示している。
これらの実験結果から、本実施形態によれば、各ノード装置に固定数100の仮想ノードを割り当てるの場合と同程度の性能を、10分の1のサイズのキー検索用ノードテーブルによりで実現できることがわかる。
上述した第1の実施形態において、管理範囲長演算部14は、キー検索用ノードテーブル22に登録されている全てのノードの管理範囲長を求めた後、各ノード装置1が管理しているキーの管理範囲長を算出しているが、算出方法はこれに限定されるものではない。本実施形態では、各ノードが管理しているキーの管理範囲長を高速に算出する。
以下では、第1の実施形態との差分を説明する。
図10(a)は、図7のステップS26の処理によって、図8(a)に示すオーバーレイネットワークにノードAの仮想ノードであるノードa[230]が追加された場合の例を示している。また、図10(b)は、ノードa[230]の追加後の各ノード装置1の管理範囲長を示している。
結果として、図10(b)に示すように、管理範囲長の演算は、ノードAの管理範囲長に「40」を加算し、ノードBの管理範囲長から「40」を減算するだけで求めることが可能である。
第3の実施形態には、各ノード装置1のノード性能が異なる場合に適用する。つまり、DHTに参加する各ノード装置1の性能が同一ではない場合、それらのノード性能に応じて各負荷分散装置10が管理及び保管する(キー、値)のデータ量を制御する。以下、第1の実施形態及び第2の実施形態との差分を説明する。
図11は、本実施形態のノードテーブル21のデータ構成例を示す図である。同図に示すノードテーブル21が、図3に示すノードテーブル21と異なる点は、ノードID及びノードアドレスに対応付けて、ノード性能値が設定される点である。ノード性能値は、ノードの性能を示す指標についての定量的な値であり、例えば、CPU(central processing unit)の性能を示す値や、ノードが保管できる総ディスク容量などがある。
次に、負荷分散装置10の動作について説明する。
図6のステップS11において、ノードテーブル管理部11が受信するノードの参加の通知には、通知種別「参加」、参加したノード装置1のノードアドレス、及び、参加したノード装置1の性能値が含まれる。ステップS13において、ノードテーブル管理部11は、記憶部15に記憶されているノードテーブル21に、ステップS11において管理範囲長演算部14から受信したノードIDと、参加の通知に含まれるノードアドレス及びノード性能値とを対応付けたデータを新たに追加する。また、ステップS14において、ノードテーブル管理部11は、記憶部15に記憶されているノードテーブル21から、ステップS11においてノードID生成部13から受信したノードIDと、当該ノードIDに対応付けられたノードアドレス及び性能値の組のデータを削除する。
図7のステップS21において、仮想ノード登録部12が、ノードテーブル21の設定内容をキー検索用ノードテーブル22にコピーする際、ノードID、ノードアドレス及び性能値の組がそのままコピーされる。また、ステップS26において、仮想ノード登録部12は、仮想ノードのノードID、最小管理範囲長ノード装置のノードアドレス及び性能値に、追加対象の仮想ノード数を対応付けたデータを、キー検索用ノードテーブル22に追加する。
本実施形態による管理範囲長演算部14は、上述した第1の実施形態、または、第2の実施形態のように算出した各ノード装置1の管理範囲長に、当該ノード装置1の性能値に応じて重み付けを行う。
この結果、性能が高いノードEの仮想ノードを増加させることになる。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、DHTを用いたKey-Value型データ管理システムを構成するノード装置に実装される負荷分散装置は、システムを構成しているノード装置の参加や離脱が発生した際、各ノード装置の管理範囲長が同等に近くなるまで、管理範囲長が最も狭いノード装置へ仮想ノードの割り当てを行う処理を繰り返し、ノード装置のアドレスと当該ノード装置に対して生成された仮想ノードのノードIDとからなるキー検索用ノードテーブルを生成する。よって、従来技術と比較して各ノード装置のキーの管理範囲長の不均衡を効率的に是正し、仮想ノードの数を抑えることが可能となるため、キー検索用ノードテーブルの増加が少ない。
また、各ノード装置を均等に負荷分散したり、各ノード装置のノード性能に応じて負荷分散したりすることが可能となる。
なお、上述した実施形態では、各負荷分散装置10においてノードテーブル21及びキー検索用ノードテーブル22を生成しているが、一部の負荷分散装置10においてノードテーブル21及びキー検索用ノードテーブル22を生成し、他の負荷分散装置10に配信してもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶部のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバーやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
10…負荷分散装置
11…ノードテーブル管理部
12…仮想ノード登録部
121…メモリ
13…ノードID生成部
14…管理範囲長演算部
15…記憶部
16…キーテーブル処理部
21…ノードテーブル
22…キー検索用ノードテーブル
23…キーテーブル
30…記憶部
5…通信ネットワーク
Claims (5)
- データ管理システムを構成するノード装置を特定するノード特定情報を含んだノードテーブルを記憶するとともに、前記ノード特定情報とノードIDとの対応付けを示すキー検索用ノードテーブルを記憶する記憶部と、
前記データ管理システムに参加したノード装置のノード特定情報を前記ノードテーブルに書き込み、前記データ管理システムから離脱したノード装置のノード特定情報を前記ノードテーブルから削除するノードテーブル管理部と、
前記キー検索用ノードテーブルに設定されているノードIDと、前記ノードIDに対応付けられた前記ノード特定情報とに基づいて、各ノード装置が管理対象とするキーの管理範囲長を算出する管理範囲長演算部と、
前記ノードテーブル内のノード特定情報と、前記ノード特定情報により特定されるノード装置に対して生成されたノードIDとの対応付けを設定したキー検索用ノードテーブルを前記記憶部に書き込み、生成した前記キー検索用ノードテーブルに基づいて前記管理範囲長演算部により算出された各ノード装置の管理範囲長のうち最大の管理範囲長と最小の管理範囲長との差異が所定以内であると判断するまで、前記管理範囲長が最小の前記ノード装置に仮想ノードを追加し、前記仮想ノードが追加された前記ノード装置のノード特定情報と前記仮想ノードに対して生成されたノードIDとの対応付けを前記キー検索用ノードテーブルに追加して更新する処理を繰り返す仮想ノード登録部と、
前記キー検索用ノードテーブル内のノードIDと、指定されたキーに基づいて、前記キーに対応した値を管理している前記ノード装置のノード特定情報を取得するキーテーブル処理部と、
を備えることを特徴とする負荷分散装置。 - 前記管理範囲長演算部は、前記ノード装置の管理範囲長を、前記ノード装置の性能を示す値に応じて重み付けし、
前記仮想ノード登録部は、前記ノード装置の性能を示す値に応じて重み付けされた前記管理範囲長のうち最大の管理範囲長と最小の管理範囲長との差異が所定以内であるかを判断する、
ことを特徴とする請求項1に記載の負荷分散装置。 - 前記管理範囲長演算部は、前記仮想ノード登録部により前記仮想ノードが追加された前記ノード装置のノード特定情報と前記仮想ノードに対して生成されたノードIDとの対応付けが前記キー検索用ノードテーブルに追加された場合、前記キー検索用ノードテーブルに追加された前記仮想ノードのノードIDと隣接するノードIDを特定してキーの管理範囲長を算出し、前記仮想ノードが追加された前記ノード装置の管理範囲長を、算出した前記管理範囲長を加算した値に更新するとともに、前記キー検索用ノードテーブルから前記仮想ノードのノードIDに隣接するノードIDに対応したノード特定情報を読み出し、読み出したノード特定情報により特定される前記ノード装置のキー管理範囲長を、算出した前記管理範囲長を減算した値に更新する、
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の負荷分散装置。 - 前記ノード特定情報は、前記ノード装置のアドレスであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかの項に記載の負荷分散装置。
- 負荷分散装置として用いられるコンピュータを、
データ管理システムを構成するノード装置を特定するノード特定情報を含んだノードテーブルを記憶するとともに、前記ノード特定情報とノードIDとの対応付けを示すキー検索用ノードテーブルを記憶する記憶部、
前記データ管理システムに参加したノード装置のノード特定情報を前記ノードテーブルに書き込み、前記データ管理システムから離脱したノード装置のノード特定情報を前記ノードテーブルから削除するノードテーブル管理部、
前記キー検索用ノードテーブルに設定されているノードIDと、前記ノードIDに対応付けられた前記ノード特定情報とに基づいて、各ノード装置が管理対象とするキーの管理範囲長を算出する管理範囲長演算部、
前記ノードテーブル内のノード特定情報と、前記ノード特定情報により特定されるノード装置に対して生成されたノードIDとの対応付けを設定したキー検索用ノードテーブルを前記記憶部に書き込み、生成した前記キー検索用ノードテーブルに基づいて前記管理範囲長演算部により算出された各ノード装置の管理範囲長のうち最大の管理範囲長と最小の管理範囲長との差異が所定以内であると判断するまで、前記管理範囲長が最小の前記ノード装置に仮想ノードを追加し、前記仮想ノードが追加された前記ノード装置のノード特定情報と前記仮想ノードに対して生成されたノードIDとの対応付けを前記キー検索用ノードテーブルに追加して更新する処理を繰り返す仮想ノード登録部、
前記キー検索用ノードテーブル内のノードIDと、指定されたキーに基づいて、前記キーに対応した値を管理している前記ノード装置のノード特定情報を取得するキーテーブル処理部、
として機能させることを特徴とするプログラム。
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