JP5909595B2 - 情報処理システム及び情報処理システムの構成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、情報処理システム及び情報処理システムの構成方法に関し、特に、計算機間のデータ通信の効率化を図る技術に関する。
一般に、並列計算機システムではサーバの並列度の増加に伴い通信性能が低下する傾向にある。これは、実装やコストの面で、サーバ規模に見合うネットワークを構成することが難しくなるからである。このため、実装やコストの制約下で効率の良いネットワークを如何に構築するかが非常に重要な課題となっている。
通信コスト最小化を目的としたネットワークトポロジを設計する技術として特許文献1に記載の技術がある。特許文献1に記載の技術は、遺伝的アルゴリズムと局所探索法を組み合わせ、拠点間の通信コストが最小となるようネットワークトポロジを探索するものである。
ネットワークトポロジはサーバ間の接続関係を表すものであり、サーバ間の通信がネットワークトポロジ内のどのパスを介して行われるか(ルーティング)についてはルーティングアルゴリズムで決まる。つまり、ネットワークトポロジの良し悪しを判定するにはそのルーティングパスも合わせて考える必要がある。
特許文献1に記載のネットワークトポロジ設計技術ではルーティングアルゴリズムとして最短経路探索を用いている。しかしながら、最短経路探索ではパスの混雑度を考慮しないため、そのルーティングパスは必ずしも最適とはならない。その一方で、最適なネットワークトポロジの探索と最適なルーティングパスの探索を同時に行った場合、各々の探索がNP困難な問題に属することから、現実的な時間で有用な解を求めることができなくなってしまう。
本発明は、ネットワークトポロジとルーティングパスの両方を効率良く探索する技術を提供することを目的とする。
本発明では、計算ノード間を接続するネットワークトポロジを可変とし、第1のルーティング規則に基づいてネットワークトポロジを決定し、決定したネットワークトポロジに対して、第1のルーティング規則を含む複数のルーティング規則の候補から、適用するルーティング規則を選択することで上述の課題を解決する。
本発明によれば、現実的な時間でデータ転送時間最小化に対する準最適な解を求めることができ、ネットワークトポロジとルーティングパスの両方を効率良く探索することができる。
図1に、本発明の実施の形態に係る情報処理システムとして、並列計算機システム2000を示す。本実施例では、並列計算機システム2000の処理対象の例として、最短経路探索などのグラフ解析を用いて説明する。図1に示されるように、並列計算機システム2000は、処理サーバ装置100、管理サーバ装置101、これらサーバ装置群を接続するスイッチ200、及びスイッチ200間を接続する光スイッチ300を有している。並列計算機システム2000は、スイッチ200間で接続があってもかまわないし、光スイッチ300は複数の光スイッチを接続して構成してもかまわないが、以降、代表して図1の構成について説明する。
図2は、図1に示される処理サーバ装置100及び管理サーバ装置101の内部構成を示すブロック図である。処理サーバ装置100や管理サーバ装置101は、図2に示す内部構成と同等の機能を有していれば良く、例えば、サーバ装置毎に異なるメーカや性能であってもかまわない。各処理サーバ装置100は、計算ノードとして働き、並列計算を実現する。管理サーバ装置101は、管理ノードとして働く。処理サーバ装置100及び管理サーバ装置101は、CPU110、メモリ120、ストレージ130、入力装置140、出力装置150、ネットワークインタフェース160、及びバス170を備える。
処理サーバ装置100及び管理サーバ装置101内の構成要素間のデータ転送は主にバス170を介して行われる。処理サーバ装置100では、CPU110がメモリ120を使用してグラフ解析プログラムを実行するとともに処理サーバ装置100内部の動作を制御する。管理サーバ装置101では、CPU110がメモリ120を使用して処理対象のグラフ頂点のクラスタリング、ネットワークトポロジの探索、及びルーティングパスの探索の各種プログラムを実行するとともに、スイッチ200、光スイッチ300、管理サーバ装置101内部の動作を制御する。
メモリ120は、SDRAMなどの1次記憶であり、CPU110がプログラムを実行する際に必要な命令やデータを保持する。ストレージ130は、HDDやSSDといった2次記憶であり、プログラムやデータを長期間保持する他、メモリ120のスワップ領域としても利用される。後述のグラフデータ、クラスタリングデータ、トラフィックテーブル、トポロジテーブル、及びルーティングテーブルはストレージ130に保持される代表的なデータである。入力装置140は、マウスやキーボードなどであり、出力装置150は液晶パネルなどの表示装置やスピーカーなどである。ネットワークインタフェース160は他のサーバ装置との通信に利用されるものであり,Ethernet(登録商標)やInfiniBandなどを用いることができる。
図3は、スイッチ200のブロック図である。スイッチ200は、複数のポート201を備え、各ポート201を介して、処理サーバ装置100、管理サーバ装置101、及び光スイッチ300と接続される。スイッチ200は、処理サーバ装置100及び管理サーバ装置101が出力したパケットを受け付け、パケットのヘッダ中に含まれる宛先アドレスを読み出す。その後、読み出した宛先アドレスとルーティングテーブルから転送すべきポート201を決定し、クロスバスイッチ202の接続を切り替えてパケットを転送、出力する。破線210や1点鎖線211はパケット転送経路の例を示している。
図4は、光スイッチ300のブロック図である。光スイッチ300は複数のポート301を備え、ポート301を介してスイッチ200と接続される。光スイッチ300は、MEMSミラー302で光路を変更することで、ポート301間の接続を変更する。本実施例の光スイッチ300は、パケットをルーティングする機能は持たないが、例えばMEMSミラー302をソフトウェア制御することでポート301間の接続の組み合わせを任意に設定可能な機能を持つスイッチである。破線310、1点鎖線311、点線312は光パスの例である。本実施例では、スイッチ200間のネットワークトポロジの切り替えに光スイッチ300を用いている。そして、並列計算機システム2000では、スイッチ200と光スイッチ300とで、計算ノードである処理サーバ装置100間を接続するネットワークトポロジを可変としている。
次に、本実施例の並列計算機システム2000におけるネットワークトポロジ変更フローについて説明する。図5は、並列計算機システム2000のネットワークを後続のグラフ解析に適したトポロジへ変更させ、その後に解析を行うという一連の動作を示したフローチャートである。
まず、管理サーバ装置101は、解析対象であるグラフデータをストレージ130から読み出す(S100)。ここで指すグラフとは頂点及び辺からなる集合であり、例えば図6のように視覚的に表現できる。図6の円は頂点を意味し、円内の数字は頂点の番号を示している。また、辺は頂点を結ぶ線で表わされている。このグラフをデータ構造として表現したものがグラフデータであり、例えば、ある頂点(接続元頂点)に対して接続する頂点(接続先頂点)を並べた図7のようなデータである。
次に、管理サーバ装置101は、読み出したグラフデータを基に各頂点をクラスタに割り当てるクラスタリング処理を行い、クラスタリング結果を示すクラスタリングデータを作成する(S101)。クラスタリングは、複数の処理サーバ装置100でグラフ解析を並列に実行するためのグラフデータの割り当てを決めるものであり、並列処理を行う処理サーバ装置100の数のクラスタを生成する。クラスタリングデータは、例えば、図8のような各クラスタに属する頂点番号を並べたものである。図8には、図6のグラフを8個のクラスタに分割した結果を示している。クラスタリング手法は、クラスタに対する頂点のランダムな割り当てでもよいし、より望ましくはクラスタを跨ぐ辺の数が少なくなるような割り当てを適用できる。
クラスタリング処理では、管理サーバ装置101は、さらにクラスタ間のトラフィック量の見積もり結果であるトラフィックテーブルを作成する。グラフ解析では、頂点間で辺に沿ってトラフィックが発生するため、クラスタ間を跨ぐ辺の数をカウントし、1トラフィックのデータサイズを掛けることでトラフィックテーブルを容易に作成することができる。図9には、図8のクラスタリング結果に対するトラフィックテーブルを示している。ここでは、トラフィックのデータサイズを24バイトとして計算している。24バイトの内訳は、転送元頂点番号の情報が8バイト、転送先頂点番号の情報が8バイト、演算用の数値データが8バイトである。なお、入力データからトラフィックテーブルを作成することが可能ならば、あるいは、アプリケーションを複数回実行する場合に実測値からトラフィックテーブルを作成することが可能ならば、並列計算機システム2000の処理対象はグラフ解析に限らない。
次に、管理サーバ装置101は、トラフィックテーブルを入力としてネットワークトポロジの探索を行い、トポロジテーブルを作成する(S102)。この探索における目的関数は並列処理に関係する全処理サーバ装置100間での最大のデータ転送時間を最小化することであり、制約条件はスイッチ200と光スイッチ300で利用するリンク数(=コスト)である。この問題はNP困難なクラスに属しており、現実的な時間で良い解を求めるために、本実施例では遺伝的アルゴリズムを利用しているが、他の手法を用いてもかまわない。遺伝的アルゴリズムによるネットワークトポロジ探索の詳細は後述する。トポロジテーブルは、例えば図10のようなクラスタ間の接続を示すテーブルとなる。テーブル内の数値はクラスタ間のリンク数を意味する。参考として、図10のトポロジテーブルで示されるトポロジを、スイッチ200が8台、各スイッチ200に処理サーバ装置100が1台ずつ接続するシステムで構成した場合の光スイッチ300内のパスを図11に示す。ここで、処理サーバ装置100内の数値は各処理サーバ装置100へ割り当てたクラスタ番号を意味する。
次に、管理サーバ装置101は、トラフィックテーブルとトポロジテーブルを入力として、ルーティングパスの探索を行い、ルーティングテーブルを作成する(S103)。この探索における目的関数は並列処理に関係する全処理サーバ装置100間での最大のデータ転送時間を最小化することである。この問題もネットワークトポロジ探索と同様にNP困難なクラスに属しており、現実的な時間で良い解を求めるために、本実施例では遺伝的アルゴリズムを利用しているが、他の手法を用いてもかまわない。遺伝的アルゴリズムによるルーティングパス探索の詳細は後述する。図示しないがルーティングテーブルは、スイッチ200毎にポート番号と宛先アドレスを並べたテーブルであり、これにより、各スイッチ200が、受け取ったパケットをどのポート201へ出力するかを一意に決定できる。
次に、管理サーバ装置101は、トポロジテーブルで示されるトポロジを構成するように光スイッチ300の制御を行うとともに、ルーティングテーブルを各スイッチ200へ配布する(S104)。
光スイッチ300と各スイッチ200の設定変更完了後、管理サーバ装置101の指示を受け、クラスタが割当てられている各処理サーバ装置100は、グラフ解析などのアプリケーションを実行する(S105)。この際、各処理サーバ装置100はクラスタリングデータを読み出すことで、どの処理サーバ装置100でどの頂点が処理されるかを特定でき、複数の処理サーバ装置100による並列処理が可能になる。
以上が、所望のグラフ解析に適するようにネットワークトポロジを変更させ、その後に解析を行うという一連の動作フローであるが、同じグラフを用いてグラフ解析を複数回実行する場合は、二度目以降のグラフ解析はネットワークトポロジを変更する必要がないため、グラフ解析のみを繰り返して実行すれば良い。また、対象となるグラフデータがあればルーティングパス探索までの処理を事前に実施しておくことが可能であるため、グラフ解析の実行に先立ってその結果を参照し、光スイッチの制御とルーティングテーブルの配布のみを実行するようにしてもかまわない。
ネットワークトポロジ探索とルーティングパス探索で利用する遺伝的アルゴリズムの処理フローを図12に示す。始めにネットワークトポロジ探索について説明する。
まず、管理サーバ装置101は、初期集団としてn個の遺伝子の作成を行う(S200)。この際、ネットワークトポロジを効率良く探索できるようにスイッチ200間のリンク情報を表す遺伝子を設計する必要がある。図13にトポロジ遺伝子1000の構成例を示す。トポロジ遺伝子1000は、リンクの張られているスイッチ200の識別番号のペアを染色体1001として持ち、リンクの本数を染色体の長さで表現する。例えば、識別番号1のスイッチ200の3つのポートは、それぞれ、識別番号2、3、6のスイッチ200に接続されることが表現されている。初期集団の遺伝子はランダムに生成されるが、スイッチ200に接続可能なリンク本数を超えるといったような、システム上実装できない遺伝子が生成された場合には、ネットワークトポロジ探索の効率の悪化を防ぐため、管理サーバ装置101は実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
次に、管理サーバ装置101は、遺伝子の適応度の計算を行う(S201)。まず、管理サーバ装置101は、トポロジ遺伝子1000で表現されるネットワークトポロジに対し、各処理サーバ装置100への最短経路探索でルーティングパスを決定する。次に、管理サーバ装置101は、そのルーティングパスに従いトラフィックテーブルに示されたデータ量を転送した場合の転送時間を見積もる。そして、管理サーバ装置101は、全処理サーバ装置100間のデータ転送における最大の転送時間の逆数を適応度として求める。適応度をこのように定義することで、適応度を高くすることが、処理サーバ装置100間のデータ転送時間のばらつきを抑え、かつ転送時間を削減することにつながる。このため、適応度の高いトポロジ遺伝子1000は優秀なネットワークトポロジを表していることになる。
次に、管理サーバ装置101は、現世代のn個の遺伝子と後述する交叉で生成した次世代候補のn個の遺伝子から次世代に残すn個の遺伝子の選択を行う(S202)。はじめてこの処理を行う場合は、次世代候補の遺伝子は存在しないため、現世代の遺伝子を選択することになる。遺伝子の選択は、適応度の高いものから残すエリート選択と適応度の高いものほど確率的に選ばれやすいルーレット選択を組み合わせて行うが、これらの選択を単体で用いる、あるいは他の選択を用いてもかまわない。
次に、管理サーバ装置101は、ネットワークトポロジ探索の終了チェックを行う(S203)。終了条件は、最も適応度の高い個体が一定の世代以上更新されなかった場合、もしくは遺伝子の世代が一定以上となった場合であるが、適応度が閾値よりも高くなった場合など他の条件で終了してもかまわない。
ステップS203で終了条件を満たさなかった場合、管理サーバ装置101は、次世代の遺伝子の候補を生成するために、遺伝子の交叉を行う(S204)。遺伝子の交叉は、染色体の交叉点を2箇所とする2点交叉で行うが、1点交叉や一様交叉などの他の交叉方法でもかまわない。本処理では、管理サーバ装置101は、次世代の候補となる遺伝子をn個生成する。なお、交叉によりシステム上実装できない遺伝子が生成された場合は、ネットワークトポロジ探索の効率の悪化を防ぐため、管理サーバ装置101は、実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
次に、管理サーバ装置101は、現世代の遺伝子と次世代候補の遺伝子に対し、染色体の値を一定の確率で変更する突然変異の処理を行う(S205)。但し、管理サーバ装置101は、現世代の遺伝子の中で適応度が最も高かった遺伝子には突然変異の処理を行わない。本実施例では、この処理と前述の遺伝子の選択(S202)でエリート選択を用いることで、世代を進めても最も適応度の高い個体が悪化することはない。
突然変異(S205)後は、管理サーバ装置101は、再び適応度の計算(S201)へ処理を進める。なお、交叉と同様に、突然変異によりシステム上実装できない遺伝子が生成された場合は、ネットワークトポロジ探索の効率の悪化を防ぐために、管理サーバ装置101は、実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
次にルーティングパス探索の処理について説明する。ルーティングパス探索も、図12に示したフローに従う。すなわち、管理サーバ装置101は、遺伝的アルゴリズムによる探索でルーティング規則の選択を行う。
まず、管理サーバ装置101は、初期集団としてn個の遺伝子の作成を行う(S200)。ある処理サーバ装置100に対するルーティングパスはスイッチ200間を接続するスパニングツリーとなるため、スパニングツリーを効率良く探索できるよう遺伝子を設計する必要がある。図14にルーティング遺伝子1100の構成例を示す。ルーティング遺伝子1100は、染色体1101の位置とその値でスイッチ200間のルーティングパスの存在を表現する。これにより、ルーティング遺伝子1100にはルーティング規則が表現される。例えば、図14の位置「1」にある「3」の値を持つ染色体は、識別番号1と識別番号3のスイッチ200間でルーティングパスが存在することを示している。スイッチ200の数をl個とすると、スパニングツリーはl−1本のパスで表現されるため、ルーティング遺伝子1100の長さはl−1となる。また、転送先の各スイッチ200に対し異なるスパニングツリーによってルーティングパスを決める場合、スイッチ200の数をm個とすると、ルーティング遺伝子1100の長さは(l−1)×mとなる。
初期集団の遺伝子として、1個はネットワークトポロジ探索で用いたルーティングパスとし、残りn−1個はランダムに生成する。本実施例では、ネットワークトポロジ探索で用いたルーティングパスは、最短経路探索で決定したルーティングパスである。なお、ランダムに生成する際、スパニングツリーとならない遺伝子が生成された場合には、ルーティングパス探索の効率の悪化を防ぐため、管理サーバ装置101は、実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
次に、管理サーバ装置101は、遺伝子の適応度の計算を行う(S201)。ルーティング遺伝子1100が示すルーティングパスに従いトラフィックテーブルに示されたデータ量を転送した場合の転送時間を見積もる。そして、全処理サーバ装置100間のデータ転送における最大の転送時間の逆数を適応度とする。適応度をこのように定義することで、適応度を高くすることが、処理サーバ装置100間のデータ転送時間のばらつきを抑え、かつ転送時間を削減することにつながる。このため、適応度の高いルーティング遺伝子1100は優秀なルーティングパスを表していることになる。
次に、管理サーバ装置101は、現世代のn個の遺伝子と後述する交叉で生成した次世代候補のn個の遺伝子から次世代に残すn個の遺伝子の選択を行う(S202)。はじめてこの処理を行う場合は、次世代候補の遺伝子は存在しないため、現世代の遺伝子を選択することになる。遺伝子の選択は、適応度の高いものから残すエリート選択と適応度の高いものほど確率的に選ばれやすいルーレット選択を組み合わせて行うが、これらの選択を単体で用いる、あるいは他の選択を用いてもかまわない。
次に、管理サーバ装置101は、ルーティングパス探索の終了チェックを行う(S203)。終了条件は、最も適応度の高い個体が一定の世代以上更新されなかった場合、もしくは遺伝子の世代が一定以上となった場合であるが、適応度が閾値よりも高くなった場合など他の条件で終了してもかまわない。
ステップS203で終了条件を満たさなかった場合、管理サーバ装置101は、次世代の遺伝子の候補を生成するために、遺伝子の交叉を行う(S204)。遺伝子の交叉は、染色体の交叉点を2箇所とする2点交叉で行うが、1点交叉や一様交叉などの他の交叉方法でもかまわない。本処理では、管理サーバ装置101は、次世代の候補となる遺伝子をn個生成する。なお、交叉によりシステム上実装できない遺伝子が生成された場合には、ルーティング探索の効率の悪化を防ぐため、管理サーバ装置101は、実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
次に、管理サーバ装置101は、現世代の遺伝子と次世代候補の遺伝子に対し、染色体の値を一定の確率で変更する突然変異の処理を行う(S205)。但し、管理サーバ装置101は、現世代の遺伝子の中で適応度が最も高かった遺伝子には突然変異の処理を行わない。本実施例では、この処理と前述の遺伝子の選択(S202)でエリート選択を用いることで、世代を進めても最も適応度の高い個体が悪化することはない。
突然変異後は、管理サーバ装置101は、再び適応度の計算(S201)へ処理を進める。なお、交叉と同様に、突然変異によりシステム上実装できない遺伝子が生成された場合には、ルーティング探索の効率の悪化を防ぐため、管理サーバ装置101は、実装可能な遺伝子となるように修正を行う。
本実施例のルーティングパス探索では、初期集団の遺伝子としてネットワークトポロジ探索で用いたルーティングパスを含んでいること、遺伝子の選択でエリート選択を用いること、適応度が最も高い遺伝子に対しては突然変異を行わないことから、ネットワークトポロジ探索後にルーティングパス探索を行っても結果が悪化することはない。
以上のように、本実施例のネットワークトポロジ探索方法では、サーバ装置間のトラフィック量を用いてデータ転送時間の最小化を目的としたネットワークトポロジの探索を行うことができる。さらに、決定したネットワークトポロジに対し、サーバ装置間のトラフィック量を用いてデータ転送時間の最小化を目的としたルーティングパスの探索を行うことで、ネットワークトポロジとルーティングパスの両方を効率良く探索することができ、現実的な時間でデータ転送時間最小化に対する準最適な解を求めることが可能になる。また、ネットワークトポロジの探索時に利用したルーティングアルゴリズムの結果をルーティングパス探索の評価基準として利用するため、ルーティングパス探索後のデータ転送時間は必ず探索前以下の数値となることを保証できる。
100:処理サーバ装置、101:管理サーバ装置、110:CPU、120:メモリ、130:ストレージ、140:入力装置、150:出力装置、160:ネットワークインタフェース、バス:170、200:スイッチ、201:ポート、202:クロスバスイッチ、210、211:パケット転送経路、300:光スイッチ、301:ポート、302:MEMSミラー、310、311、312:光パス、1000:トポロジ遺伝子、1001:染色体、1100:ルーティング遺伝子、1101:染色体。
Claims (10)
- 複数の計算ノードと、
前記複数の計算ノード間を接続するトポロジが可変のネットワークとを有し、
第1のルーティング規則に基づいて前記ネットワークのトポロジを決定し、
決定したトポロジに対して、前記第1のルーティング規則を含む複数のルーティング規則の候補から、適用するルーティング規則を選択する情報処理システム。 - 請求項1に記載の情報処理システムにおいて、
前記適用するルーティング規則を選択する際に、初期集団の遺伝子に前記第1のルーティング規則を含む遺伝的アルゴリズムによる探索でルーティング規則を選択することを特徴とする情報処理システム。 - 請求項2に記載の情報処理システムにおいて、
前記第1のルーティング規則は、最短経路探索に基づいて決定されることを特徴とする情報処理システム。 - 請求項1に記載の情報処理システムにおいて、
前記ネットワークは光スイッチを有することを特徴とする情報処理システム。 - 請求項1に記載の情報処理システムにおいて、
前記計算ノードはサーバ装置であることを特徴とする情報処理システム。 - 複数の計算ノードと、
前記複数の計算ノード間を接続するトポロジが可変のネットワークとを準備し、
第1のルーティング規則に基づいて前記ネットワークのトポロジを決定し、
決定したトポロジに対して、前記第1のルーティング規則を含む複数のルーティング規則の候補から、適用するルーティング規則を選択する情報処理システムの構成方法。 - 請求項6に記載の情報処理システムの構成方法において、
前記適用するルーティング規則を選択する際に、初期集団の遺伝子に前記第1のルーティング規則を含む遺伝的アルゴリズムによる探索でルーティング規則を選択することを特徴とする情報処理システムの構成方法。 - 請求項7に記載の情報処理システムの構成方法において、
前記第1のルーティング規則は、最短経路探索に基づいて決定されることを特徴とする情報処理システムの構成方法。 - 請求項6に記載の情報処理システムの構成方法において、
前記ネットワークは光スイッチを有することを特徴とする情報処理システムの構成方法。 - 請求項6に記載の情報処理システムの構成方法において、
前記計算ノードはサーバ装置であることを特徴とする情報処理システムの構成方法。
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