入出力データ長に着目した入出力制御法に関する研究

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入出力データ長に着目した入出力制御法に関する研究

令和２年９月

田辺雅則

岡山大学大学院

自然科学研究科

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１．１研究の背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 １．２計算機資源の優先制御．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 １．２．１業務処理に求められる入出力処理の優先制御法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 １．２．２入出力処理に対するカーネル機能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 １．２．３関連研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 １．３研究の内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 １．３．１研究の目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 １．３．２研究の課題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16 １．３．３評価に使用する業務システムと業務処理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17 １．３．４論文の構成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

第２章入出力データ長に着目した入出力制御法．．．．．．．．．．．．．．． 19

２．１入出力処理の課題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 ２．１．１オンライン処理とバッチ処理の混在環境における優先制御の必要性．．．．20 ２．１．２業務システムの特徴と課題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 ２．２オンライン処理とバッチ処理の特徴．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25

２．３ I/O要求の処理時間の予備評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 ２．３．１書き込みデータ長が異なるI/O要求の処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 ２．３．２分析結果と考察．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 ２．４入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法）．．．．．．．．．．．．．．．．．33 ２．４．１基本機能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 ２．４．２処理の流れ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34 ２．５シミュレーションによる評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

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２．５．１評価観点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 ２．５．２計算機資源の割当て規則．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36 ２．５．３シミュレーションに使用する評価モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38 ２．６結果と考察．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41

２．６．１ IOPC-DS法の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41 ２．６．２プロセッサ数が多い計算機におけるIOPC-DS法の評価．．．．．．．．．．．．．．．45 ２．６．３ IOPC-DS法のI/Oサイズ分割の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．48 ２．７まとめ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．52

第３章入出力制御法の実装と評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 53

３．１入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法）の実装と評価．．．．54

３．１．１入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法）の実装．．．．．．．．54 ３．１．２ IOPC-DS法の評価観点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54 ３．１．３評価環境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．55 ３．１．４アプリケーションの処理内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．56 ３．１．５起動条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57 ３．２結果と考察．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．59 ３．２．１処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．59

３．２．２ I/Oサイズ分割の効果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61 ３．２．３ I/O要求の処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63 ３．３まとめ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．69

第４章仮想計算機環境における入出力制御法の評価．．．．．．．．．．． 71

４．１仮想計算機環境における入出力処理の優先制御の課題．．．．．．．．．．．．．．．．．．72

４．２仮想計算機環境におけるIOPC-DS法の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75 ４．２．１評価観点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75 ４．２．２評価環境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75

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４．２．３評価用プログラム．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．77 ４．３結果と考察．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．78 ４．３．１物理計算機における処理時間の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．78 ４．３．２仮想計算機における処理時間の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．84

４．３．３ I/O要求の処理時間の評価．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．90 ４．４まとめ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．95

第５章結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 97

５．１成果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．97 ５．２今後の課題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．100

謝辞．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 101

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 103

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図目次

図１．１業務システムにおけるサーバ統合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 図１．２仮想化およびサーバ統合の導入．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 図１．３クラウドの利用状況．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 図１．４ハードウェアの性能向上．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 図１．５オンライン処理とバッチ処理の形態．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

図１．６カーネル機能の入出力処理の概観．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 図１．７ I/O要求の処理開始待ち時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

図２．１ 1日の運用における計算機資源の利用率の推移．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 図２．２ 1日のシステム運用におけるバッチ処理数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25 図２．３ 1日のピーク時間帯のトランザクション数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26 図２．４オンライン処理とバッチ処理の処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27 図２．５書き込みデータ長の分布．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 図２．６予備評価のための評価用プログラムの処理の流れ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

図２．７同時実行数と平均書き込み時間の関係（1,000バイト換算）．．．．．．．．．．．．．．．．．31 図２．８入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33 図２．９ IOPC-DS法の制御機構の処理の流れ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 図２．１０オンライン処理とバッチ処理の処理時間（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42 図２．１１オンライン処理とバッチ処理のI/O要求開始待ち時間（計算機1）．．．．．．．．．44 図２．１２オンライン処理とバッチ処理の処理時間（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．46 図２．１３オンライン処理とバッチ処理のI/O要求開始待ち時間（計算機2）．．．．．．．．．49 図２．１４ I/Oサイズ分割の違いによるオンライン処理とバッチ処理の処理時間．．．．．．50

図３．１評価用プログラムの処理の流れ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57

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図３．２オンライン処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．59 図３．３バッチ処理の同時起動数なしのオンライン処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．60

図３．４バッチ処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62 図３．５オンライン処理のI/O要求の処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64 図３．６オンライン処理のI/O要求の処理時間分布（バッチ処理の同時起動数=2）．．．．．66 図３．７オンライン処理のI/O要求の処理時間分布（バッチ処理の同時起動数=4）．．．．．67 図３．８オンライン処理のI/O要求の処理時間区分ごとの割合．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．68

図４．１仮想計算機環境における業務システムの例．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．72 図４．２仮想計算機でオンライン処理とバッチ処理を実行するシステム構成の例．．．．．73

図４．３オンライン処理の処理時間（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．79 図４．４オンライン処理の処理時間（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．80 図４．５バッチ処理の処理時間（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82 図４．６バッチ処理の処理時間（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83 図４．７オンライン処理の処理時間（計算機3）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85 図４．８オンライン処理の処理時間（計算機4）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．86 図４．９バッチ処理の処理時間（計算機3）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．88 図４．１０バッチ処理の処理時間（計算機4）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．89 図４．１１オンライン処理のI/O要求の処理時間（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91 図４．１２オンライン処理のI/O要求の処理時間（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．92 図４．１３オンライン処理のI/O要求の処理時間（計算機3）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93 図４．１４オンライン処理のI/O要求の処理時間（計算機4）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．94

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表目次

表１．１優先と非優先の業務処理の特徴．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 表１．２優先制御法の分類．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

表２．１測定に使用した計算機環境の諸元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 表２．２計算機モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39 表２．３オンライン処理モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39

表２．４バッチ処理モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40 表２．５オンライン処理の負荷量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40

表２．６ DISKビジー率と総CPU使用率（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42 表２．７オンライン処理とバッチ処理のCPU使用率（計算機1）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43 表２．８ DISKビジー率と総CPU使用率（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47 表２．９オンライン処理とバッチ処理のCPU使用率（計算機2）．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47

表３．１ I/Oサイズ分割の有無とオンライン処理の処理時間．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63

表４．１物理計算機環境の諸元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．76 表４．２仮想計算機環境の諸元．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．76

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概要

ICT（Information and Communication Technology）の発展と普及により，銀行オンラインシステム，小売業のPOS（Point Of Sale）システム，および製造業の生産管理システムのように企業における様々な種類の情報が計算機システムで処理されるようになっている．また，プロセッサの処理能力の向上，外部記憶装置の大容量化，およびデータ転送速度の向上といった計算機の処理能力の向上，さらにネットワークの通信速度の向上と普及に伴って，IoT

（Internet of Things）を利用した大量データを処理する計算機システムも増加している．計算機システムは，情報を処理するための様々なアプリケーションプログラムを実行し，利用者にサービスを提供している．以降では，様々な種類の情報を処理する計算機システムを業務システムとよび，業務システムで実行されるアプリケーションプログラムを業務処理とよぶ．

近年，クライアント/サーバに代表される分散処理型の業務システムが広く普及している．

分散処理型の業務システムは，業務処理の種類や処理量に応じて，業務処理が必要とする計算機の処理能力を確保するため，複数の計算機で構成されている．しかし，計算機の処理能力の向上に伴って，1 台の計算機で処理可能な業務処理の処理量が増加し，少ない計算機で様々な業務処理を実行することが可能になっている．このため，計算機の集約や仮想計算機の使用に見られるように，計算機の効率的な利用としてサーバ統合が求められている．

様々な種類の業務処理を同じ計算機で実行する場合，計算機資源の優先制御が重要である．

業務処理を実行するための優先制御法として，プロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法がある．この制御法は，業務処理に割当てるプロセッサの利用量を業務処理の優先度に応じて制御する．業務処理における計算処理や業務処理が実行するシステムコール処理は，この制御法によって優先制御が可能である．しかし，システムコールの処理としてオペレーティングシステム（以降，OSと略す）が行う入出力デバイスの割込み処理は，これらの処理に比べ優先度が高いため優先制御が難しい．具体的には，入出力デバイスに対する I/O 要求の

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概要

II 自然科学研究科

処理において，実 I/O処理完了後処理は，入出力デバイスからの実 I/O処理の完了を起因とする割込み処理として処理を開始する．このため，優先度の低い業務処理の I/O要求が先に実行されると，優先度の高い業務処理のI/O 要求は，優先度の低い業務処理の I/O要求の完了まで待たされる．つまり，優先度の高い業務処理のI/O要求は，I/O要求の処理が開始されるまでの待ち時間が発生する．したがって，優先度の高い業務処理の I/O要求を優先して実行することが強く求められる．また，優先度の低い業務処理の I/O 要求の入出力データ量が多い場合，つまり，優先の低い業務処理が長い処理時間の I/O要求を実行した場合，優先度の高い業務処理のI/O要求の処理が開始されるまでの待ち時間は長くなる．したがって，I/O 要求の実行において，この待ち時間による業務処理への影響を軽減することが強く求められる．

本研究は，業務システムにおける優先と非優先の業務処理をサーバ統合により同じ計算機で実行するための入出力処理の優先制御技術の確立を目的とし，業務処理の入出力データ長に着目した入出力制御法を実現する．具体的には，入出力データ長が非常に長いものは分割し，かつ入出力データ長の大きいI/O 要求より入出力データ長の小さいI/O 要求を優先的に実行する“入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法：I/O processing Priority Control mechanism using Data Size）”を提案し，実装と評価を行う．IOPC-DS法の評価のため，優先度の高い業務処理と低い業務処理が実行される業務システムの事例として，銀行オンラインシステムを取り上げる．銀行オンラインシステムは，経済を支える金融インフラとして重要なシステムであり，様々な種類の業務処理が実行されている代表的な業務システムである．このシステムでは，優先度の高い業務処理としてオンライン処理，優先度の低い業務処理としてバッチ処理が多数実行されている．このため，銀行オンラインシステムでIOPC-DS法の有効性を示すことにより，多くの業務システムへIOPC-DS法を適用できる．IOPC-DS法のシミュレーション評価として，オンライン処理とバッチ処理を同じ計算機で実行する場合，IOPC- DS法によってオンライン処理のI/O要求を優先的に実行することで，オンライン処理の処理時間が短くなることを示す．なお，プロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法だけではオンライン処理の処理時間が短くならない場合があることも示す．また，IOPC-DS 法を

FreeBSD OS に実装し，銀行オンラインシステムのオンライン処理とバッチ処理の擬似アプ

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概要リケーションを用いて有効性を明らかにする．

計算機の処理能力の向上により，実システムでは，サーバ統合により仮想計算機環境の利用が増えている．仮想計算機環境では，物理計算機で実行される仮想計算機モニタ（VMM：

Virtual Machine Monitor）が，物理計算機上の各仮想計算機に割当てる計算機資源を管理している．一方，仮想計算機の OS は業務処理に割当てる仮想計算機の計算機資源を管理している．物理計算機で実行されるVMMは，各仮想計算機に対して，あらかじめ決められた計算機資源を割当てることを目的としており，業務処理の優先度に応じた優先制御を行う仮想計算機の OS と目的は異なる．そこで，仮想計算機におけるIOPC-DS 法の有効性を評価する．

以上のように，本研究では，優先度の高い業務処理と低い業務処理を同じ計算機で実行する場合の優先制御への要求を明らかにし，入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC- DS法）を実現する．そして，IOPC-DS法によって，物理計算機および仮想計算機のいずれの計算機においても優先度の高い業務処理の処理時間を短くできることを示し，IOPC-DS法の有効性を示す．

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概要

IV 自然科学研究科

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第1章序論

第１章

序論

1.1 研究の背景

ICT（Information and Communication Technology）の発展と普及により，銀行オンラインシステムや小売業のPOS（Point Of Sale）システム，および製造業の生産管理システムのように高度化された計算機システムは，企業における様々な種類の情報を処理するようになっている．

文献[総務省 01]によると，情報通信ネットワークや社内システム，情報通信端末，情報発信環境等，ICT の導入企業の割合は，70.2%になっているという．また，プロセッサの処理能力の向上，外部記憶装置の大容量化，およびデータ転送速度の向上といった計算機の処理能力の向上，さらにネットワークの通信速度の向上と普及に伴って，IoT（Internet of Things）を利用した大量データを処理する計算機システムも増加している．今後も ICT の導入によって，

計算機システムで処理される情報の種類や量は増加していくと考えられる．計算機システムは，情報を処理するための様々なアプリケーションプログラムを実行し，利用者にサービスを提供している．以降では，様々な種類の情報を処理する計算機システムを業務システムと呼び，業務システムで実行されるアプリケーションプログラムを業務処理とよぶ．

近年，クライアント/サーバに代表される分散処理型の業務システムが広く普及している．

文献[総務省 02]によると，1980 年代後半から分散処理型の業務システムへの移行が始まり，

計算機の性能向上と低廉化に加えて，インターネット等の通信技術の発展と普及によって，

2000 年代以降，分散処理型の業務システムが普及している．分散処理型の業務システムは，

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第1章序論

2 自然科学研究科

業務処理の種類や処理量に応じて，業務処理が必要とする計算機の処理能力を確保するために，複数の計算機で構成されている．一方で，複数の計算機で構成される分散処理型の業務システムに対して，計算機の効率的な利用の観点から計算機の分割損の軽減や計算機の利用量の平準化（時間帯のピークを平準化）が求められている．

計算機の処理能力の向上にともなって，1 台の計算機で処理可能な業務処理の処理量が増加し，少ない計算機で様々な業務処理を実行することが可能になっている．また，2000年代初めから2010年代中頃にかけて，仮想化技術が大きく進展している．業務システムの計算機の効率的な利用として，図 1.1 に示すように，業務処理を実行する計算機の集約化によるサーバ統合や，仮想化技術を利用し，１つの物理計算機（仮想計算機環境）に複数の業務システムの仮想計算機を実行するサーバ統合が行われている．また，図 1.2 の仮想化およびサーバ統合の導入状況に示すように，2000年代後半から2010年代後半にかけて，多くの企業において，サーバ統合が進んでいる．計算機の性能向上と相まって，業務システムのサーバ統合は，今後もさらに進むと考えられる．また，図 1.3 のクラウド環境の利用状況に示すように，業務システムにおいてクラウド環境の利用が進んでいる．クラウド環境では，業務システムが必要とする計算機資源を必要な時期に必要な量だけ仮想計算機に割当てることが可能である．今後，クラウド環境を利用する業務システムは，増々普及していくものと考えられる．サーバ統合においては，業務システムの処理性能の確保が重要である．たとえば，性能要件は業務システムの業務処理ごとに定められているため，様々な種類の業務システムの業

業務システム計算機

（業務処理）

計算機

（業務処理）

業務システム

（計算機の集約）

計算機

（業務処理）

計算機

（業務処理）

仮想計算機を使用した業務システム

仮想計算機環境

（物理計算機）

業務システム

図1.1 業務システムにおけるサーバ統合仮想計算機

仮想計算機

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第1章序論

務処理を同じ計算機で実行する場合，それぞれの業務処理の性能要件をすべて満たすことは難しい．また，物理計算機に様々な業務システムの業務処理の仮想計算機を実行する場合，

物理計算機の計算機資源の競合による影響を受けやすいため，計算機資源を適切に業務システムに割当てることが必要である．

計算機を構成するハードウェアの性能は著しく向上している．しかし，ハードウェアの性能向上の速度は，ハードウェアごとに大きく異なっている．たとえば，プロセッサの処理性能は著しく向上しているが，外部記憶装置のデータ転送速度は，プロセッサの処理性能の向

図1.2 仮想化およびサーバ統合の導入状況

（出典：電子情報技術産業協議会[電技産01]） 33

38 40

37 43

49 50 52

50 53

35 38 38

47 45

50 56

60

0 10 20 30 40 50 60 70

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

取組済み団体の割合

調査年度サーバ統合仮想化

図1.3 クラウド環境の利用状況

（出典：総務省「通信利用動向調査」[総務省03]）

0 10 20 30 40 50 60 70

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 クラウドを利用する企業の割合（%）

調査年度

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第1章序論

上と比較して，それほど向上していない．図 1.4 にプロセッサの処理性能と外部記憶装置のデータ転送速度の推移を示す．図1.4（A）より，プロセッサの処理性能の向上は，2004年と 2019年を比較した場合，15年間で約91倍になっている．一方，図1.4（B）より，外部記憶装置のデータ転送速度の向上は，2002年と2017年を比較した場合，15年間で約8倍である．

つまり，外部記憶装置のデータ転送速度の向上は，プロセッサの処理性能の向上に比較して遅いといえる．業務システムでは，処理性能の向上速度の低いハードウェアがボトルネックにならないように業務処理の実行を制御することが必要である．特に，外部記憶装置等の入出力デバイスの性能向上は，プロセッサの性能向上より遅いため，入出力デバイスに対する業務処理の入出力処理がボトルネックになることも多い．

業務システムの業務処理は，大きくは短期の時間的な優先を必要とする業務処理と短期の時間的な優先を必要としない業務処理に分けられる．たとえば，短期の時間的な優先を必要とする業務処理として，利用者の操作に対する応答時間を重視する対話型のオンライン処理がある．図1.5（A）に示すようにオンライン処理は，端末から入力されたデータや外部システムから送信されたデータを処理し，端末や外部システムに処理結果を返却する．通常，対話型のオンライン処理は，数秒以内の短いターンアラウンドタイムを要求するため，優先して実行する必要がある．他の同様な業務処理として，リアルタイム処理がある．たとえば，

リアルタイム処理には，業務システムにおける計算機の死活監視の業務処理がある．業務シ図1.4 ハードウェアの性能向上

0 50 100 150

2000 2005 2010 2015 2020

クロック×コア数

年度インテル Xeon

（B）データ転送速度 0

1 2 3 4

2000 2005 2010 2015 2020

転送速度（GB/sec）

年度

SATA，SASのデータ転送速度

（A）プロセッサの処理性能（出典：インテル）

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第1章序論

ステムにおいて，計算機の死活監視を行う業務処理は，監視対象の計算機からの応答のデッドラインである応答時間があらかじめ決められている．

一方，短期の時間的な優先を必要としない業務処理として，処理を実行する時刻があらかじめ計画されている計画型のバッチ処理がある．図1.5（B）に示すようにバッチ処理は，時刻や先行するバッチ処理の完了等をトリガーとして起動され，主にファイルやデータベースに格納されたデータを入力とし，定められた処理を実行し，処理結果を主にファイルやデータベース等に格納する．また，バッチ処理は，実行する順番や開始タイミングがあらかじめ定められており，あらかじめ計画されたとおりに処理を順次実行する．

業務システムのサーバ統合を行う場合，短期の時間的な優先を必要とする業務処理や短期の時間的な優先を必要としない業務処理の性質を考慮し，業務処理の優先制御を行うことが重要である．以降では，短期の時間的な優先が必要な業務処理を優先の業務処理と呼び，短期の時間的な優先を必要としない業務処理を非優先の業務処理と呼ぶ．優先と非優先の業務処理の特徴を表 1.1 にまとめる．優先の業務処理は，利用者や外部システムからの要求に基づいて実行されるため，応答時間を重視する．また，多数の処理が同時に実行されることも多い．このため，業務処理の特徴として，トランザクションの長さは短く，プロセッサ使用量や入出力処理を実行する回数は少ない．また，入出力デバイスへの書き込みデータ長は小さいものが多い．一方，非優先の業務処理は，計算機資源を効率的に使用することが求められる．非優先の業務処理は，計算機資源を効率的に使用し大量のデータを処理する必要があ

図1.5 オンライン処理とバッチ処理の形態バッチ処理

オンライン処理

端末

要求計算機

応答

計算機

処理処理処理処理

時刻起動先行処理の完了後起動

（A）オンライン処理（B）バッチ処理

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第1章序論

表1.1 優先と非優先の業務処理の特徴

優先の業務処理非優先の業務処理短期の時間的な優先必要あり必要なし

実行タイミング利用者や外部システムの要

求に基づいて実行計画的な実行処理時間応答時間重視スループット重視

同時実行数多い少ない

トランザクションの

長さ短い長い

プロセッサ使用量少ない多い

入出力回数少ない多い

入出力デバイスへの

書き込みデータ長小大

るため，スループットを重視する．このため，業務処理の特徴として，トランザクションの時間は長く，プロセッサ使用量や入出力処理の実行回数は多い．また，入出力デバイスへの書き込みデータ長は大きいものが多い．

優先の業務処理を優先して実行する優先制御を実現するためには，プロセッサ，メモリ，

入出力デバイス等の計算機資源を優先の業務処理に優先的に割当てる優先制御法が重要である．これまで，優先の業務処理にプロセッサを優先的に割当てるプロセッサ割当て制御法や優先の業務処理の入出力処理を優先的に実行する入出力制御法等，様々な優先制御法が実現されている．これらの優先制御法は，それぞれの優先制御法の目的に基づいて計算機資源の割当て制御を行うため，プロセッサ処理の優先が必要な業務処理や入出力処理の優先が必要な業務処理等，特徴の異なる業務処理が混在して多数実行される業務システムでは，優先の業務処理に対して適切な優先制御とならないことがある．また，プロセッサの処理性能の向上に比較して，入出力デバイスの性能向上は遅いため，入出力デバイスに対するに入出力処理がボトルネックになりやすい．このため，優先や非優先の業務処理のように性質が大きく異なる業務処理を同じ計算機で実行する場合，業務処理の性質を考慮した入出力デバイスに

(21)

第1章序論対する新たな優先制御法の実現が必要である．特に，磁気ディスクやSSD（Solid State Drive）などの記憶装置（以降，ディスクと略す）は業務処理にとって重要な入出力デバイスである．

たとえば，銀行システムのトランザクションデータのように失うことが許容されないデータを処理する業務処理では，データの書き込みのたびに，永続的なディスクに保存することが必須である．また，大量データを処理する業務処理は，データベースよりも高速なアクセスが期待できるファイルを使用することが多く，トランザクションデータを扱う業務処理の入出力に対する入出力処理の影響は大きい．このため，ディスクに対する入出力処理の優先制御法の実現が必要である．

業務処理の実行環境として，物理計算機上に複数の仮想計算機が実行されている仮想計算機環境がある．物理計算機では，仮想計算機モニタ（VMM）によって，物理計算機の計算機資源に対する仮想計算機の優先制御が行われる．一方，仮想計算機では，オペレーティングシステム（OS）によって，仮想計算機に割当てられた計算機資源に対する優先の業務処理の優先制御が行われる．業務処理の実行環境では，VMM が業務システムの仮想計算機に計算機資源を適切に割当てるだけでなく，仮想計算機で実行される優先の業務処理に応じて，仮想計算機のOSが計算機資源の優先制御を適切に行うことが重要である．しかし，VMMと仮想計算機の OS では，優先制御の対象と目的が異なるため，仮想計算機で実行される業務処理が，優先度に応じて優先的に実行されない問題がある．VMM による物理計算機の計算機資源に対する優先制御だけでなく，仮想計算機の OS における優先制御の問題を解決する必要がある．

(22)

第1章序論

1.2 計算機資源の優先制御

1.2.1 業務処理に求められる入出力処理の優先制御法

業務処理は，プロセッサ処理と入出力処理に分類される処理で成り立っている．プロセッサ処理は，計算処理やデータベース更新処理，データ保存処理等，プロセッサを使用する処理である．入出力処理は，ディスクや通信等の入出力デバイスと，デバイスドライバを介してデータを送受信する処理である．入出力処理は，入出力デバイスへの I/O 要求処理，入出力デバイスの実 I/O 処理，入出力デバイスからの割込み処理で構成される．入出力デバイスへの I/O要求処理と入出力デバイスからの割込み処理はプロセッサを使用するが，入出力デバイスの実I/O処理はハードウェアによる処理のため，プロセッサの使用は少ない．

優先と非優先の業務処理に対するプロセッサの割当ては，業務処理の優先度に基づいて，

業務処理にプロセッサを割当てる優先制御として実現される．プロセッサの割当てを行う優先制御は，オペレーティングシステム（OS）のカーネル機能で実現されている．カーネル機能の優先制御は，業務処理のプロセッサ処理を業務処理の優先度に基づいてプロセッサに割当てるためのプロセス優先度を計算し，プロセス優先度に応じて，プロセッサ割当てをスケジューリングする．プロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法は，高い優先度の業務処理に対して優先的にプロセッサを割当てる．

また，入出力処理の入出力デバイスへの要求処理の優先制御として，この処理をプロセッサに割当てるためにプロセス優先度を使用している．しかし，入出力デバイスの実 I/O 処理はハードウェアの処理に相当するため，カーネルにおける優先制御の対象とはならない．入出力デバイスからの割込み処理は，実 I/O処理の結果を入出力処理に返却し，入出力デバイスの計算機資源をできるだけ早く開放する必要があるため，入出力デバイスからの割込み処理を高い優先度でプロセッサに割当てる．つまり，優先と非優先の業務処理における入出力デバイスの割込み処理の優先度は同じ程度で高くなる．また，入出力デバイスの実 I/O 処理は，先行する実I/O 処理の完了を待ったあと，後続の実I/O処理が実行され，先に要求された実I/O 処理から順番に処理が開始される．これらの理由により，実I/O 処理は業務処理の

(23)

第1章序論優先度に応じて実行されない問題がある．

また，入出力デバイスの割込み処理の実行後に，後続の実I/O処理は処理を開始するため，

業務処理による実 I/O処理が連続している場合，先行する実I/O 処理の処理時間が長い場合は，後続の実 I/O処理の処理が開始されるまでの待ち時間が長くなる．このため，後続の業務処理の優先度が高く，先行する業務処理の優先度が低い場合，優先度の高い業務処理の実 I/O処理の開始までの待ち時間が長くなり，実I/O処理の処理時間が長くなる問題がある．

したがって，業務処理の優先度に応じて，実 I/O 処理に対する入出力処理の優先制御や実 I/O処理を開始するまで待ち時間を短縮することが強く求められる．

1.2.2 入出力処理に対するカーネル機能

ディスクに対する入出力処理は，オペレーティングシステムのカーネル機能を通して行われる．カーネル機能の入出力処理にかかわる機能の階層を図 1.6 に示す．カーネル機能は，

入出力システムを通して入出力デバイスにアクセスする．入出力システムは，入出力デバイスへの要求処理であるディスクに対するキャッシュ機構，汎用デバイスドライバ，デバイス固有のデバイスドライバによって構成される[マーシ 01]．デバイスドライバは，入出力デバイスへの要求処理と入出力デバイスからの割込み処理によって実行される処理を含んでいる．

入出力システムは，図1.6のGEOM層以下の下層に含まれる．GEOM層より上層では，ファイルシステム等の機能が提供されている．

業務処理は，システムコールを使用してカーネル機能に対して入出力処理を要求し，カーネル機能を通して結果を取得する．また，ディスクに対しては，入出力システムのデバイスドライバであるディスクドライバが入出力処理を行う．ディスクドライバがディスクに対して入出力処理を実行している間，他の入出力処理は待たされる．ディスクドライバは，ディスクに対する入出力処理の完了後，ディスクからの割込み処理を契機にして，ディスクドライバの後続処理を実行し，後続処理の完了後，次の業務処理の入出力処理を開始する．従来の入出力システムの入出力処理は，入出力処理の効率的なディスクアクセスを目的にして実装されており，優先の業務処理の処理性能を最大化することを目的としていない．このため，

(24)

第1章序論

たとえば，大量データのディスクへの保存を行う業務処理では，業務処理側で大量データを分割して入出力処理のシステムコールを実行する等，業務処理で，業務処理の性質を考慮し，

入出力処理の処理性能を向上させるための実装を行っている．しかし，業務処理の実装だけでは，入出力システムにおける排他処理や実行順制御等の処理により，業務処理の入出力処理の性能を十分に確保できない．入出力システムにおいて，業務処理の性質を考慮した入出力処理の優先制御が必要である．

入出力デバイスへの要求処理を行うディスクドライバの処理において，実 I/O処理完了後処理は，ディスクからの実 I/O 処理の完了を起因とする割込み処理として処理を開始する．

このため，非優先の業務処理のI/O 要求が先に実行されると，優先の業務処理のI/O要求は非優先の業務処理のI/O要求の完了まで待たされる．この様子を図1.7に示す．図1.7では，

システムコール

OBJECT/VNODE層

GEOM層

（Fast File System） FFS

CAMデバイスドライバ

ハードウェア CAM

（Common Access Method）

図1.6 カーネル機能の入出力処理の概観

（ディスクに対する入出力制御の部分を抜粋・加工）

（出典：BSDカーネルの設計と実装―FreeBSD詳解）

活性化ファイルエントリ

ローカル名前管理(UFS)

ページキャッシュ

newbus

(25)

第1章序論先に非優先の業務処理が I/O 要求の実行をディスクドライバに要求し，その後，優先の業務処理がI/O 要求の実行をディスクドライバに要求し，両処理のI/O 要求が実行される様子を示している．ディスクドライバは，非優先の業務処理によるI/O要求を受け付けた後，I/O要求処理を実行し，実I/O処理をディスクに要求する．そして，実I/O処理の完了（割込み）を待つ．その後，実I/O処理の完了（割込み）を契機に，実I/O処理完了後処理（割込み処理）

を実行する．この実I/O処理完了後処理（割込み処理）は他の処理より優先して実行される．

非優先の業務処理は，ディスクドライバによる I/O要求の処理完了後，後続の処理を開始する．一方，優先の業務処理によるI/O 要求は，非優先の業務処理のI/O要求の実行後，非優先の業務処理の実 I/O処理完了後処理（割込み処理）が終わるまで実行されない．つまり，

この間，優先の業務処理による I/O要求が，ディスクドライバによって待たされるため，優先の業務処理のI/O要求の処理開始待ち時間が発生する．したがって，優先の業務処理のI/O 要求を優先して実行することが強く求められる．また，非優先の業務処理の I/O要求の書き込みデータ長が大きい場合，つまり，非優先の業務処理が長い処理時間の I/O 要求を実行した場合，優先の業務処理の I/O 要求の処理開始待ち時間は長くなる．この待ち時間による優先の業務処理への影響を軽減することが強く求められる．

優先の業務処理

（CPU）

非優先の業務処理

（CPU）

ディスクドライバ

（CPU）

実I/O処理実I/O処理 I/O要求の処理開始

待ち時間

ディスク

（実I/O）

処理の実行中処理の実行待ち

I/O要求 I/O要求

処理

実I/O処理完了後処理

（割込み処理）

図 1.7 I/O要求の処理開始待ち時間

(26)

第1章序論

1.2.3 関連研究

業務処理の優先制御を実現する研究として，これまで業務処理の優先度に応じてプロセッサを割当てるプロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法や入出力デバイスへの要求処理の実行順を制御する I/O要求の優先制御に関する研究が行われている．これまで研究されているプロセッサ割当て制御法と入出力処理の優先制御法の研究において，業務処理の優先度を決定するために使用している特徴を表1.2にまとめる．

表 1.2 に示すようにプロセッサ割当て制御法は，業務処理の優先度を決定するために，業務処理に期待する終了時間であるデッドライン時間，計算機資源の空き時間，電力消費量の特徴を使用している．仮想計算機に対しては，各仮想計算機に割当てるプロセッサ割当て量の特徴を使用している．また，入出力処理の優先制御法は，業務処理の入出力処理の優先度を決定するために，業務処理の入出力処理に期待する終了時間であるデッドライン時間，業務処理に指定する優先度，I/O要求の実I/O処理に相当する入出力デバイスの処理時間の特徴を使用している．仮想計算機への入出力処理の優先制御は，各仮想計算機に割当てる入出力デバイスの割当て量の特徴を使用している．以下に，プロセッサ割当て制御法と入出力処理の優先制御に関連する研究について述べる．

（1）プロセッサ割当て制御法

業務処理に対する優先度の決定法として，業務処理の処理時間を基にしたデッドラインを指定し，デッドラインが早く到達する業務処理に優先的にプロセッサを割当てる方法，プロセッサ割当て時間の大小の指定等がある[WU01]，[松原01]，[BUR01]，[AHM01]．これらの方法では，業務処理の優先度に応じて，優先の業務処理に優先的にプロセッサが割当てられる．様々なバッチ処理が実行される環境において，計算機資源の空き時間を最小化するために，バッチ処理が使用する計算機資源を推測し，バッチ処理の実行計画を作る研究が行われている[EYE01]，[SNA01]．業務処理の特徴等から業務処理が使用する電力量を推定し，計算機の電力消費が最適化されるように業務処理の実行計画を作り，業務処理を実行する研究が行われている[AKS01]，[西川01]．複数の仮想計算機で実行される業務処理に対して，物理計算機全体で業務処理の優先度を計算し，この優先度に応じたプロセッサ割当てを行う方法が

(27)

第1章序論

表1.2 優先制御法の分類

優先制御法優先制御に使用する特徴具体例プロセッサ割当

て制御法

業務処理のデッドライン時間 [WU01]，[松原01]，[BUR01]，[AHM01]

計算機資源の空き時間 [EYE01]，[SNA01]

計算機資源の電力消費量 [AKS01]，[西川01]

仮想計算機へのプロセッサの割当て量

[田所01]

入出力処理の優先制御法

I/O 要求の入出力デバイスの処理時間

[BAS01]，[HUA01]，[IYE01]，[VAL01]， [田邨01]，[SON01]，[BET01]等

入出力処理のデッドライン時間

[CHE01]，[MOA01]，[HAN01]

業務処理に指定する優先度 [KIM01] ，[YAN01]

仮想計算機への入出力デバイスの割当て量

[BLA01]，[KES01]，[YAN02]，[北原01]， [水野01]，[DIN01]

提案されている[田所01]．

これまで研究されているプロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法では，優先と非優先の業務処理が同じ計算機で実行される業務システムにおいて，優先の業務処理の入出力処理のI/O要求を優先して実行させる要求に対処できない．

（2）入出力処理の優先制御法

ディスクに対する入出力処理の処理時間の最適化を目標にして優先制御を行うことがこれまで研究されている．文献[HUA01]，[IYE01]，[VAL01]，[田邨01]は，I/O要求に対するシーク時間や回転待ち時間により，I/O要求の処理時間が大きくなることに着目し，書き込みデータのディスク上の書き込み位置等の情報とI/O要求の処理時間を予測し，I/O要求を効率的に実行するスケジューリング手法を提案している．文献[BAS01]は，入出力スループットの向上を目的として，I/O要求を並べ替えてHDD（Hard Disk Drive）のシーク時間を最小とするI/O 要求のスケジューリング手法を提案している．また，近年普及しているSSD（Solid State Drive）はI/O要求の処理時間が短いため，OSと入出力デバイス間のI/O要求の授受に要する時間が入出力時間に影響を与えやすい．文献[SON01] はI/O要求をまとめて発行することで授受の

(28)

第1章序論

回数を削減している．文献[JO01] ，[HE01] は，SSD ではメモリセルへの読み書きにおいて排他が必要となるため，読み書き対象の領域が分散するように I/O 要求を並べ替えて排他の発生を防いでいる．文献[BET01]は，ハードウェアに対して実行するI/O要求に対して，次に実行される I/O要求のタイミングを予測し，優先して実行すべきI/O要求を選択することをハードウェアで実現している．文献[BRU01]は，アプリケーションのI/O要求の実行にあたって，I/O 要求の優先度，I/O要求の開始時間と終了時間をもとにして，優先的に実行する I/O 要求を決定し，それらのI/O 要求を複数まとめ，スループットを向上させるためにI/O要求の実行順番を入れ替える方式を提案している．文献[池邉01]は，I/O要求を優先度の高い順にソートし，優先度の高い I/O 要求をいくつかマージして実行することを提案している．これらの方式では，実行順番が入れ替わることがあるため，銀行システムの入出金処理の時系列が重要であるオンライン処理のような業務処理では使用できない．また，この方法では，業務処理の I/O要求をまとめて実行することになり，業務処理のI/O 要求開始待ち時間が増加することがある．その結果，優先の業務処理においては，応答時間の最大値が大きくなり好ましくない．文献[長尾01]，[長尾02] は，I/O要求の処理時間を調整する制御法を提案している．この提案では，高い優先度を持つI/O 要求が優先的に実行されるように I/O要求の処理時間を調整することで，優先の業務処理の I/O 要求の完了待ちによる待ち時間を短くできることを示している．しかし，この方法はスループットが低いという問題がある．アプリケーション特性を考慮して I/O 要求の待ち時間を短縮する手法が提案されている [NOU01]，

[片上01]．これらはいずれも優先や非優先の処理に対するI/O要求の問題を解決するもので

はない．また，処理の性質をもとに処理の動作を予測し，処理のタイムスライスによる割込みを制御することで，処理時間を改善することが提案されている[AOK01]．しかし，計算機資源の利用効率を向上する観点からは，I/O要求の優先度も制御する必要がある．

リアルタイム処理とQoS（Quality of Service）保証を実現する場合として，I/O要求の優先度制御が提案されている．文献[CHE01]は，リアルタイムシステムにおいて，サービス時間を短縮することとデッドラインを守ることを実現するため，I/O 要求の優先度とシーク時間を基にした評価関数を用いて，実行する I/O要求を決定することで，リアルタイム処理のデッドラインを守りながらサービス時間の短縮を図る手法を提案している．また，文献[MOA01]

(29)

第1章序論は，リアルタイム処理とベストエフォートな処理が混在する環境において，I/O要求を実行するスケジューラが，リアルタイム処理のデッドライン等の情報に基づき，各 I/O要求の処理時間を予測し，その予測に基づいて，ベストエフォート処理およびリアルタイム処理の I/O 要求の優先度を決定する手法を提案している．文献[HAN01]は，デッドライン制御に関して

Deferrable Scheduleと組み合わせることで平均応答時間を改善している．

文献[KIM01] ，[YAN01] は，ストレージスタック（ファイルシステムレベル，ブロックレベル，デバイスレベル等）における各階層の I/O 要求の優先度制御に関して，各階層にある I/O要求の情報（処理時間や優先度，デッドライン等）をそれぞれの階層の優先度制御で利用する制御方式を提案している．しかし，いずれの提案もデッドラインを規定しスケジュールできることが前提となっており，負荷変動が大きく，かつデッドラインを規定し難い優先の業務処理には適さない．

ディスクに対する I/O要求に関して，仮想計算機環境における課題を解決する研究が行われている[BLA01]， [KES01]， [YAN02]， [北原01]， [水野01]，[DIN01]．これらの研究では，仮想計算機環境における I/O要求の優先制御の有効性を明らかにしている．しかし，仮想計算機環境におけるI/O 要求の優先制御は，各仮想計算機のI/O の使用量を各仮想計算機に対してあらかじめ割当てた割合に近づけることや仮想計算機の I/O要求が他の仮想計算機に与える影響を軽減することを目的としているため，業務処理に対する優先制御と目的が異なる．

これまで研究されている入出力処理の優先制御法では，優先と非優先の業務処理が同じ計算機で実行される業務システムにおいて，非優先の業務処理が長い処理時間の I/O要求を実行した場合，優先の業務処理の I/O要求の処理開始待ち時間は長くなることによる優先の業務処理への影響を軽減する要求に対処できない．

(30)

第1章序論

1.3 研究の内容

1.3.1 研究の目的

本研究は，業務システムにおける優先と非優先の業務処理をサーバ統合により同じ計算機で実行するための入出力処理の優先制御技術の確立を目的とし，業務処理の入出力データ長に着目した入出力制御法を実現する．具体的には，優先と非優先の業務処理が同じ計算機で実行する場合の優先制御に求められる要求を明らかにし，入出力データ長が非常に長いものは分割し，かつ入出力データ長の大きいI/O 要求より入出力データ長の小さい I/O要求を優先的に実行する“入出力データ長に着目した入出力制御法^※1”を提案し，実装と評価を行う．

IOPC-DS法のシミュレーション評価として，優先と非優先の業務処理を同じ計算機で実行

する場合，IOPC-DS法によって優先の業務処理のI/O要求を優先的に実行することで，優先の業務処理の処理時間が短くなることを示す．なお，従来のプロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法だけでは優先の業務処理の処理時間が短くならない場合があることも示す．

また，IOPC-DS法をFreeBSD OSに実装し，業務システムにおける優先と非優先の業務処理を疑似したアプリケーションを用いて有効性を明らかにする．

1.3.2 研究の課題

プロセスの処理やプロセスが発行したシステムコール処理は，プロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法によって優先制御できるが，割込み処理はこれらの処理に比べ優先して実行されるため優先制御が難しい．たとえば，非優先のプロセスが依頼した I/O要求による割込み処理は，優先のプロセスの処理より優先して実行される．具体的には，非優先の業務処理がI/O 要求を実行した場合，優先の業務処理は非優先の業務処理のI/O 割込み処理の影響を受け，処理時間が長くなってしまう．したがって，入出力処理を制御する方法に工夫が必要である．また，計算機の処理能力の向上により，実システムでは，プロセッサ数の多い

※1 入出力データ長に着目した入出力制御法：IOPC-DS法（I/O processing Priority Control mechanism using Data Size）

(31)

第1章序論物理計算機の利用やサーバ統合による仮想計算機の利用が増えている．仮想計算機の I/O要求の実行は，仮想計算機上のオペレーティングシステムの I/O要求の入出力制御に加えて，

仮想計算機モニタ（VMM）におけるI/O要求の入出力制御の影響をうける．今後，増々普及することが見込まれるクラウド環境に代表される仮想計算機環境における仮想計算機において，提案するIOPC-DS法の評価を実施する必要がある．

本研究で解決する課題を以下に示す．

（課題1）優先の業務処理の入出力処理を優先して実行する優先制御の実現

非優先の業務処理の入出力処理が，優先の業務処理の入出力処理より先行して実行されている時，優先の業務処理による入出力処理が，実 I/O処理（ディスクドライバ）によって待たされるため，優先の業務処理の処理開始待ち時間は長くなる．優先の業務処理の入出力処理を優先して実行する優先制御方式を実現する必要がある．

（課題 2）非優先の業務処理の入出力処理の入出力データ量が優先の業務処理に与える影響を軽減する方式の実現

非優先の業務処理の入出力処理の入出力データ量が多い場合，入出力デバイスを効率的に使用するための入出力制御により，優先の業務処理の入出力処理よりも非優先の業務処理の入出力処理が優先して実行される．このため，優先の業務処理の I/O要求の処理開始待ち時間は長くなる．優先の業務処理の入出力処理の処理開始待ち時間を短くするための方式を実現する必要がある．

1.3.3 評価に使用する業務システムと業務処理

本研究は，具体的な事例として，業務システムを代表する銀行オンラインシステムをモデル化した業務処理を使用し，IOPC-DS法の有効性を示す．銀行オンラインシステムは，経済を支える金融インフラとして重要なシステムであり，優先と非優先の多数の業務処理が実行されている代表的な業務システムである．このため，銀行オンラインシステムにおいて，

IOPC-DS法の有効性を示すことは，多くの業務システムに対して有益である．

銀行オンラインシステムの業務処理であるオンライン処理とバッチ処理は，表 1.1 に示し

(32)

第1章序論

た優先と非優先の業務処理と同様に以下のような特徴がある．

（1）オンライン処理

入出金処理や為替処理等，様々な種類の優先の業務処理がある．対話型の処理であり，

利用者からの要求を短時間で処理することが求めらる．応答時間が重視されるため，ターンアラウンドタイムの短いものが多く，書き込みデータ長は小さい．また，数ミリ秒の処理時間の遅延が大きな問題となることもある．トランザクション数は非常に多い．

（2）バッチ処理

給与振り込み処理や取引データの統計処理等，様々な種類の非優先の業務処理がある．

あらかじめ決められた計画にしたがって計画的に実行され，計算機資源を効率良く使用することが重視される．大量データを処理し，オンライン処理に比較して処理時間が長いものが多く，書き込みデータ長は大きい．また，処理の遅延に対する許容範囲は大きい．

1.3.4 論文の構成

本論文の構成は次の通りである．第2章では，業務処理の優先制御に求められる要求を明らかにし，優先制御の課題を示す．そして，業務処理の入出力データ長に着目した入出力制御法（IOPC-DS法）の実現方式について述べる．IOPC-DS法の評価として，オンライン処理とバッチ処理を同じ計算機で実行する場合，IOPC-DS法によってオンライン処理のI/O要求を優先的に実行することで，オンライン処理の処理時間が短くなることをシミュレーションによって示す．なお，プロセス優先度によるプロセッサ割当て制御法だけではオンライン処理の処理時間が短くならない場合があることも示す．第 3 章では， IOPC-DS法を FreeBSD OS に実装し，銀行システムのオンライン処理とバッチ処理を擬似したアプリケーションを使用し，有効性を明らかにする．第4章では，オンライン処理とバッチ処理を疑似したアプリケーションを使用して，プロセッサ数が4個と8個の物理計算機，およびプロセッサ数が 4個と8個の仮想計算機におけるIOPC-DS法の有効性について，比較評価する．第5章では，

本論文の結論と残された課題について述べる．

(33)

第2章入出力データ長に着目した入出力制御法

第２章