JP4286481B2 - クラスタリングシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的安価なコンピュータを組み合わせて高速処理を実現するクラスタリングシステムに関し、特に利用者および管理者の双方にとっての使い勝手を向上させたクラスタリングシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
複数台のコンピュータ、特にパーソナルコンピュータのように比較的安価なコンピュータを用いて、全体として極めて高価なスーパーコンピュータ並みの処理速度を実現するクラスタリングシステムが知られている。従来のクラスタリングシステムは、以下のような特徴を有する。
・管理者等が、クラスタを構成する全コンピュータを事前に登録する。
・管理者等が、登録されているコンピュータに対して、実行プログラムを事前にインストールする。
・各コンピュータ上で実行プログラムを起動し、実行する。
・クラスタリングシステムが、プログラム間通信を行うためのライブラリを提供する。利用者は、予めこのライブラリを用いて通信を行うためのプログラミングを自らして、各実行プログラムは必要とする入力データの配布、および各プログラムが出力したデータの収集を行う。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のクラスタリングシステムでは、以下のような問題点がある。すなわち、上述のように管理者等がクラスタリングシステムを構成する全コンピュータを設定ファイル等に、事前に登録する必要があり、その設定ファイルの維持、管理が面倒である。また、管理者等は、実行プログラムを設定ファイルに登録されている全コンピュータに事前にインストールしなければならないので、手間がかかる上、作業ミスが発生しやすい。さらに、プログラム間通信を行うためのプログラミングを、利用者自らが行う必要があるため、プログラムの作成コストがかかる。
【0004】
そこで、本発明の目的は、利用者のプログラミングの手間を軽減したクラスタリングシステムおよびそれを構成する各コンピュータを提供することである。
【0005】
本発明の別の目的は、管理にかかる手間を軽減したクラスタリングシステムおよびそれを構成する各コンピュータを提供することである。
【0006】
本発明のまた別の目的は、全体での処理性能を向上させるために、効率的に処理を分散することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの態様に従うクラスタリングシステムは、一のマスタマシンと、該マスタマシンにネットワークを介して接続される複数のスレーブマシンとを有するクラスタリングシステムにおいて、
前記マスタマシンは、
前記各スレーブマシンの通信アドレス、および、ジョブの実行状態を示すステータスを記憶するスレーブ管理手段と、
予め定められたジョブを実行するためのジョブプログラムを一以上記憶するプログラム記憶手段と、
前記ジョブプログラムを前記スレーブマシンのいずれかへ送信するプログラム送信手段と、
実行待ちのジョブを、前記スレーブ管理手段により管理されているスレーブマシンのうち、前記登録されているステータスがジョブを割り当てて実行させることが可能な待機状態にあり、かつ、ジョブの実行に要した所要時間の平均値を指標として、処理能力の高いスレーブマシンから優先して割り当てるジョブ割当処理手段と、
前記ジョブがアクセスするデータを格納するファイルを記憶するためのデータ記憶手段と、
前記スレーブマシンから前記データ記憶手段に格納されているファイルに対するジョブIDとファイル名を含むオープン通知を受けるとオープン通知において指定されたファイル名に該当するファイルをオープンし、オープンされたファイルについて前記スレーブマシンから要求されたリードまたはライトを行い、ジョブIDとファイル名とを含むクローズ通知を受けるとクローズ通知において指定されたファイル名に該当するファイルをクローズし、その結果を返信する入出力処理手段と、を備え、
前記各スレーブマシンは、
前記ジョブプログラムを受信する手段と、
受信したジョブプログラムにより実行されるジョブのデータ入出力要求を処理する入出力処理手段と、を備え、
前記各スレーブマシンの入出力処理手段は、実行中のジョブのデータ入出力要求を検出すると、前記マスタマシンにジョブIDとファイル名とを含むファイルオープンを通知し、ジョブからリードまたはライトの要求を受けると、リードまたはライトの要求を前記マスタマシンに通知し、かつ、ジョブからファイルクローズ要求を受けると、マスタマシンにジョブIDとファイル名とを含むファイルクローズを通知すること、を特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【0009】
本発明を適用した一実施形態であるクラスタリングシステム1の全体構成を図1に示す。本システム1は、マスタマシン10と複数台のスレーブマシン20とを備え、互いにネットワーク9で接続されている。各スレーブマシン20は、それぞれ、割り当てられた処理を実行する。マスタマシン10は、スレーブマシン20および本システムが実行するタスクを管理する。本実施形態のクラスタリングシステム1は、マスタマシン10を一台だけ含んでいるが、二台以上のマスタマシン10を含んでいてもよい。
【0010】
マスタマシン10およびスレーブマシン20は、いずれも、例えば汎用的なコンピュータにより構成され、以下に説明する各マシン内の個々の構成要素または機能は、例えば、コンピュータのハードウェア上でコンピュータプログラムを実行することにより実現される。
【0011】
マスタマシン10は、通信処理部11と、入出力処理部12と、スレーブ管理部13と、ジョブ登録処理部14と、ジョブ割当処理部15と、記憶部17とを備える。記憶部17は、後述するジョブの実行プログラムを記憶するためのプログラム領域17aと、ジョブで使用するデータを格納するためのデータ領域17bとを備える。さらに、マスタマシン10は、CRTや液晶ディスプレイ等の表示装置7と、キーボードやポインティングデバイス等の入力装置8と接続されている。
【0012】
通信処理部11は、ネットワーク9に接続されているスレーブマシン20を自動検出し、検出したスレーブマシン20の通信アドレスをスレーブ管理部13に登録する。例えば、通信処理部11は、ネットワーク上に存在するスレーブマシン20およびそのステータスを確認するための問い合わせをブロードキャストし、これに応答したスレーブマシン20からの返信を受信する。そして、この返信に含まれているスレーブマシン20の通信アドレス、およびスレーブマシン20のステータスをスレーブ管理部13に登録する。通信処理部11は、スレーブ管理部13に登録されているスレーブマシン20との間でデータ送受信等を行う。
【0013】
また、通信処理部11は、通信アドレス及びステータスについてのスレーブマシン20からの自発的な通知を受け付けたときは、スレーブ管理部13内の該当スレーブマシン20に関する情報を更新する。
【0014】
スレーブ管理部13は、ネットワークに接続されているスレーブマシン20を管理する。具体的には、スレーブ管理部13は、図2に示すようなスレーブ管理テーブル40を有する。スレーブ管理テーブル40は、ネットワーク9に接続されているスレーブマシン20の通信アドレス(ここではIPアドレス)41と、各スレーブマシン20のステータス42とを対応付けている。ステータス42は、ジョブプログラムが割り当てられていて、その処理を実行中であることを示す「実行中」と、ジョブの実行中ではなく、ジョブを割り当てて実行させることが可能である「待機中」と、ジョブプログラムを実行するための前処理、または実行後の後処理を行っていて、実行中から待機中または待機中から実行中へ状態を遷移させている最中であることを示す「遷移中」とがある。
【0015】
入出力処理部12は、記憶部17の入出力に関する処理を行う。特に、スレーブマシン20から、データ領域17bに記憶されているファイルに対するアクセス指示を受け付けたとき、その指示に従ってファイルのオープン/クローズ、リード/ライト等を行い、その結果を返信する。ファイルアクセスの詳細については後述する。
【0016】
タスク・ジョブ登録処理部14は、ジョブ管理テーブル50(図4参照)を備え、タスクおよびジョブの登録を受け付けて、ジョブ管理テーブル50に記憶する。ここで、タスクは、一以上のジョブで構成される。一つのジョブは、一つのジョブプログラムで実装される。登録された実行形式のジョブプログラムは、プログラム領域17aに格納される。各ジョブが、それぞれ予め定められた処理を実行することにより、全体として所定の機能(タスク)が達成される。本実施形態では、一つのジョブプログラムが一つのJava(登録商標)プログラムで実現される。本システム1は、例えば、一つのタスクを構成する複数のジョブプログラムのそれぞれを、別々のスレーブマシン20に実行させて、並列分散処理を行ったり、一のタスクを構成する単一のジョブプログラムを複数のスレーブマシン20に実行させて、大量のデータを同時に処理することができる。
【0017】
タスクの登録は、図3に示すタスク・ジョブ登録画面100を表示装置7に表示させ、ユーザが入力装置8から入力することにより行う。登録画面100は、ジョブプログラム単位で入力を受け付けるために、以下の各項目の入力を受け付ける領域101〜107を有する。すなわち、登録画面100は、タスク名101、先行するタスク名102、ジョブプログラムの実行プログラム名103、メインクラス104、VMパラメータ105、ジョブプログラムの引数106、およびランタイムディレクトリ107の各項目の入力を受け付ける。ユーザは、タスク名101にジョブプログラムの属するタスクの名称を入力する。このジョブが属するタスクよりも先行して実行されるべきタスクがあれば、ユーザは先行タスク名102にそのタスク名を入力する。ユーザは、実行プログラム名103にパスを含めた実行形式のプログラム名を入力する。本実施形態ではJavaを用いて実装した場合について示しているので、メインクラス104および必要に応じてVMパラメータ105を指定する。
【0018】
登録画面100から入力された各項目は、図4に示すジョブ管理テーブル50に登録される。ジョブ管理テーブル50は、ジョブID51と、タスク名52と、実行プログラム名53と、実行条件(メインクラス、引数、VMパラメータ、及びランタイムディレクトリ)54と、先行タスク名55と、ジョブのステータス56とを項目として備える。ジョブID51は、実行プログラムを一意に識別する識別情報であり、ジョブ管理テーブル50に登録する際に自動生成される。ジョブステータス56は、マシンの割り当てを待っている「待ち」と、いずれかのスレーブマシン20で処理を行っている「実行中」と、処理が終了した状態を示す「終了」とがある。なお、「終了」には、正常に終了した「終了(正常)」と、異常終了した「終了(異常)」とを含む。
【0019】
ジョブ割当処理部15は、実行待ちのジョブをどのスレーブマシン20で実行させるかを決定する。つまり、ジョブ割当処理部15は、マシンの割当を待っているジョブが存在する場合、スレーブ管理テーブル40を参照して「待機中」のスレーブマシン20へジョブの実行を依頼する。このときの詳細な処理手順については、後述する。
【0020】
各スレーブマシン20は、それぞれ、通信処理部21と、入出力処理部22とを備える。そして、各スレーブマシン20は、マスタマシン10から送信されたジョブプログラムを実行する。
【0021】
通信処理部21は、マスタマシン10との間でデータ等の送受信を行う。例えば、通信処理部21は、マスタマシン10に対して自己の存在を知らせるために、自己の通信アドレス及びステータスの通知を、ネットワーク9に対してブロードキャストする。この通知は、随時行うことができるが、好ましくは、スレーブマシン20の起動時に行う。
【0022】
通信処理部21は、他のスレーブマシン20からこのアドレス及びステータス通知を受けることがあるが、これに対しては応答しない。
【0023】
また、通信処理部21は、マスタマシン10からの問い合わせに対して、自己の通信アドレス及びステータスを返信する。
【0024】
入出力処理部22は、スレーブマシン20上で実行されているジョブが、マスタマシン10のデータ領域17bにアクセスするための処理を行う。以下、ファイルアクセス時の処理について、マスタマシン10の入出力処理部12が行う処理と併せて詳細に説明する。
【0025】
スレーブマシン20の入出力処理部22は、実行中のジョブのデータ入出力要求を検出すると、マスタマシン10へファイルのオープンを通知する。このファイルオープン(またはクローズ)を通知するときのフォーマット例を、図5に示す。すなわち、ファイルオープン/クローズ通知60は、送信先であるマスタマシンのアドレス61と、送信元であるスレーブマシンのアドレス62と、ジョブID63と、アクセスするファイル名64と、オープン/クローズ種別65とを含む。ファイルオープンを通知するときは、オープン/クローズ種別65は、「オープン」とし、ファイルクローズを通知するときは、オープン/クローズ種別65は、「クローズ」とする。マスタマシンのアドレス61は、ジョブプログラムが起動されたときにマスタマシン10から通知される(詳細は後述する)。
【0026】
マスタマシン10の入出力処理部12は、オープン/クローズ通知60のオープン/クローズ種別65が「オープン」のとき、ファイル名64のファイルをオープンする。
【0027】
スレーブマシン20の入出力処理部22が、ジョブからリードあるいはライトの要求を受けると、リードあるいはライトの要求をそのままマスタマシン10へ通知する。
【0028】
マスタマシン10の入出力処理部12は、通知されたリードあるいはライトの要求に従って、オープンされたファイルのリードあるいはライトを行う。
【0029】
スレーブマシン20の入出力処理部22が、ジョブからファイルクローズ要求を受けると、オープン/クローズ種別65を「クローズ」として、ファイルオープン/クローズ通知60をマスタマシン10へ送信する。
【0030】
マスタマシン10の入出力処理部12は、オープン/クローズ通知60のオープン/クローズ種別65が「クローズ」のとき、ファイル名64のファイルをクローズする。
【0031】
なお、本実施形態では、入出力処理部12、及び入出力処理部22は、例えば、Javaの入出力ライブラリとして提供される。
【0032】
上述した通り、スレーブマシン20で実行されるジョブは、入出力処理部22へデータアクセスを依頼すれば、マスタマシン10上にあるデータへアクセスすることができる。これにより、各ジョブプログラムが分散処理を意識せずにプログラミングされたものであっても、本実施形態のクラスタリングシステム1上で正しく動作することができる。すなわち、本システム1の利用者は、プログラム間の通信機能を自らプログラミングする必要がなく、プログラム作成コストが軽減される。
【0033】
次に、本実施形態における分散処理の手順の一例について、図6に示すフローチャートを用いて説明する。
【0034】
ジョブ割当処理部15は、ジョブ登録処理部14のジョブ管理テーブル50を参照し、ジョブステータス56が「待ち」である、マシン割当を待っている実行待ち状態のジョブがあるかどうかをチェックする(S11)。実行待ちのジョブがあれば(S11:Yes)、以下の手順でそのジョブを実行する。なお、先行タスク55が設定されている場合は、その先行タスクが終了していることを条件とする。
【0035】
まず、ジョブ割当処理部15は、スレーブ管理部13のスレーブ管理テーブル40を参照して、ジョブを実行していない「待機中」のスレーブマシン20があるかどうかをチェックする(S12)。待機中のスレーブマシン20があるときは(S12:Yes)、ジョブ割当処理部15は、そのスレーブマシン20のステータス42を「遷移中」にするよう、スレーブ管理部13へ指示する。そして、ジョブ割当処理部15は、そのスレーブマシン20の通信アドレス41を取得して、実行しようとしているジョブの実行プログラム53がすでにそのスレーブマシン20に配布されているかどうかをチェックする(S13)。実行プログラムが配布済みであるかどうかのチェックは、例えば、以下のように行う。すなわち、実行プログラムがスレーブマシン20へ配布されると、スレーブマシン20は、図示しない記憶装置に実行プログラムを格納する。ジョブ割当処理部15は、スレーブマシン20の図示しない記憶装置を参照し、実行プログラムのファイル名とタイムスタンプを用いて、同一の実行プログラムであるかどうかを確認する。
【0036】
実行プログラムが未配布であるときは(S13:No)、ジョブ割当処理部15は、そのスレーブマシン20へ実行プログラムを送信する(S14)。その時のフォーマットを図7(a)に示す。すなわち、実行プログラムの送信データ70は、送信先であるスレーブマシンのアドレス71と、送信元であるマスタマシンのアドレス72と、ジョブID73と、実行プログラム74と、メインクラス75と、引数76とを含む。この送信データ70を受信したスレーブマシン20は、これらのデータを図示しない記憶装置に格納する。
【0037】
そして、スレーブマシン20は、ジョブ割当処理部15からの通知を受けて、実行プログラムを起動してジョブを実行する(S15)。スレーブマシン20に対する実行プログラムの起動通知には、マスタマシン10の通信アドレスが含まれる。スレーブマシン20では、マスタマシン10の通信アドレスを、プログラムの実行が終了するまで図示しない記憶装置に保持する。
【0038】
ジョブ割当処理部15は、実行プログラムを起動したスレーブマシン20の通信アドレスと併せて、実行プログラムが起動されたことをスレーブ管理部13へ通知する。スレーブ管理部13は、ジョブ割当処理部15からの通知を受けて、該当するスレーブマシン20のステータス42を「実行中」へ変化させる。
【0039】
ジョブが終了すると、スレーブマシン20がマスタマシン10へジョブの終了通知を行う。ジョブの終了通知のフォーマットを図7(b)に示す。終了通知80は、送信先であるマスタマシンのアドレス81と、送信元であるスレーブマシンのアドレス82と、ジョブID83と、正常終了であるか異常終了であるかを示す終了状態84とを含む。ジョブの終了通知後、図示しない記憶装置に保持されているマスタマシン10の通信アドレスが破棄される。
【0040】
ジョブ割当処理部15は、スレーブ管理部13およびジョブ登録処理部14に対して、終了通知に含まれるスレーブマシンのアドレス82と、ジョブID83と、終了状態84とを通知する。スレーブ管理部13は、この通知を受けて、該当するスレーブマシン20のステータス42を「待機中」へ変化させる。ジョブ登録処理部14は、この通知を受けて、該当するジョブのジョブステータス56を終了状態84が示す状態に変化させる。
【0041】
これにより、複数のジョブで構成されたタスクを、ジョブごとにスレーブマシンに分散させて実行することができる。特に、本実施形態では、実行プログラムをマスタマシンで一括して登録し、タスクの実行時に、必要に応じて実行プログラムを自動的に配布し、ジョブを分散して実行させる。これにより、本実施形態では、従来のクラスタリングシステムのように、事前に全スレーブマシンへ実行プログラムを配布しておく必要がない。
【0042】
また、ジョブ割当処理部15は、スレーブマシン20ごとに優先順位を付け、その優先順位に従ってジョブの割当を行うようにしてもよい。優先順位の決定方法は任意であるが、以下にその例を示す。
【0043】
まず、第1の方法は、スレーブマシンの処理能力を測定し、その結果、処理能力の高いスレーブマシンから優先してジョブを割り当てる。スレーブマシンの処理能力を示す指標としては、ジョブの実行に要した所要時間の平均値を用いる。この所要時間としては、例えば、ジョブ割当処理部15がスレーブマシンへジョブの実行を指示してから、ジョブの終了通知を受信するまでの時間を用いる。この場合の処理時間は、ネットワーク9の通信速度にも影響を受けるが、マスタマシンから見た、トータルでのスレーブマシンの処理能力と考えることができる。また、所要時間として、特定のジョブについての、スレーブマシンごとの処理時間を用いてもよい。特定のジョブとは、繰り返し実行されたジョブであって、複数のスレーブマシンで実行された実績を持つものである。
【0044】
次に、第2の方法は、マスタマシンと各スレーブマシンとの通信速度を測定し、その結果、通信速度の速いスレーブマシンから優先してジョブを割り当てる。通信速度は、ジョブ割当処理部15が通信したデータ量と通信に要した時間とを計測し、これらから算出する。
【0045】
本実施形態により、本システムの処理性能を向上させ、タスクを高速で処理するために、効率的にジョブを分散させることができる。
【0046】
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、利用者のプログラミングの手間が軽減される。また、管理にかかる手間も軽減される。さらに、効率的に処理を分散させて、処理性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した一実施形態であるクラスタリングシステム1の全体構成を示す図である。
【図2】スレーブ管理テーブル40の一例を示す図である。
【図3】タスク・ジョブ登録画面100の一例を示す図である。
【図4】ジョブ管理テーブル50の一例を示す図である。
【図5】ファイルオープン/クローズ通知60のフォーマットの一例を示す図である。
【図6】ジョブの分散処理の手順を示すフローチャートである。
【図7】(a)は、実行プログラムを配布するときの送信データ70のフォーマット例であり、(b)は、プログラムの終了通知80のフォーマット例である。
【符号の説明】
1…クラスタリングシステム、10…マスタマシン、11…通信処理部、12…入出力処理部、13…スレーブ管理部、14…ジョブ登録処理部、15…ジョブ割当処理部、17…記憶部、20…スレーブマシン、21…通信処理部、22…入出力処理部、40…スレーブ管理テーブル、50…ジョブ管理テーブル、60…ファイルオープン/クローズ通知、70…送信データ、80…終了通知、100…タスク・ジョブ登録画面。
Claims (3)
- 一のマスタマシンと、該マスタマシンにネットワークを介して接続される複数のスレーブマシンとを有するクラスタリングシステムにおいて、
前記マスタマシンは、
前記各スレーブマシンの通信アドレス、および、ジョブの実行状態を示すステータスを記憶するスレーブ管理手段と、
予め定められたジョブを実行するためのジョブプログラムを一以上記憶するプログラム記憶手段と、
前記ジョブプログラムを前記スレーブマシンのいずれかへ送信するプログラム送信手段と、
実行待ちのジョブを、前記スレーブ管理手段により管理されているスレーブマシンのうち、前記登録されているステータスがジョブを割り当てて実行させることが可能な待機状態にあり、かつ、ジョブの実行に要した所要時間の平均値を指標として、処理能力の高いスレーブマシンから優先して割り当てるジョブ割当処理手段と、
前記ジョブがアクセスするデータを格納するファイルを記憶するためのデータ記憶手段と、
前記スレーブマシンから前記データ記憶手段に格納されているファイルに対するジョブIDとファイル名を含むオープン通知を受けるとオープン通知において指定されたファイル名に該当するファイルをオープンし、オープンされたファイルについて前記スレーブマシンから要求されたリードまたはライトを行い、ジョブIDとファイル名とを含むクローズ通知を受けるとクローズ通知において指定されたファイル名に該当するファイルをクローズし、その結果を返信する入出力処理手段と、を備え、
前記各スレーブマシンは、
前記ジョブプログラムを受信する手段と、
受信したジョブプログラムにより実行されるジョブのデータ入出力要求を処理する入出力処理手段と、を備え、
前記各スレーブマシンの入出力処理手段は、実行中のジョブのデータ入出力要求を検出すると、前記マスタマシンにジョブIDとファイル名とを含むファイルオープンを通知し、ジョブからリードまたはライトの要求を受けると、リードまたはライトの要求を前記マスタマシンに通知し、かつ、ジョブからファイルクローズ要求を受けると、マスタマシンにジョブIDとファイル名とを含むファイルクローズを通知すること、を特徴とするクラスタリングシステム。 - 請求項1に記載のクラスタリングシステムにおいて、
前記ジョブ割当処理手段は、前記ジョブを割り当てるスレーブマシンに、実行しようとしているジョブの実行プログラムがすでに配布されているかをチェックし、未配布であるとき、その実行プログラムを当該スレーブマシンに送信すること、を特徴とするクラスタリングシステム。 - 請求項2に記載のクラスタリングシステムにおいて、
前記ジョブ割当処理手段は、前記スレーブマシンに記憶されている実行プログラムのファイル名およびタイムスタンプを用いて、配布する実行プログラムが同一のプログラムであるかを確認することにより、実行プログラムがすでに配布されているかをチェックすること、を特徴とするクラスタリングシステム。
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