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・グローバルコンピューティングへの夢 |
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松岡 聡 (東京工業大学) † |
高速なコンピュータネットワークにより、地球上の任意の地域に置かれた計算機に対して遠隔的に計算させることが可能となり、それに基いて超高性能広域計算を行なう仮想的な「グローバルコンピュータ」が米国を中心に我々の Ninfプロジェクトを含め研究が活発化してきている。今回は、グローバルコンピューティングの紹介を行なうとともに、オブジェクト指向・Java・リフレクションがどのようにその構築技術となっているかを論じる。特に、Javaとデザインパターンを活用したNinfletシステムと、リフレクションを用いてJITコンパイラレベルで異機種環境に適合を行なうOpenJITを中心とする。 |
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Towards Global Computing ? Future Computing Platform with Metacomputer, Java, and Reflection ? |
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Satoshi Matsuoka (Tokyo Institute of Technology) † |
Fast networks are now making it feasible to remotely delegate computation to any computer in the world, and as a result, research on “Global Computing” is becoming active, including our Ninf project. In the talk, we introduce various aspects of global computing, especially the architectural support of object-orientation, Java, and reflection. In particular, we concentrate on our Ninflet system, which employs Java and Design Patterns, and also OpenJIT, which allow adaptation to heterogeneous computing environment at JIT-compiler level. |
インターネットに代表される世界規模で結ばれた高速なコンピュータネットワークにより、地球上の任意の地域に置かれた計算機に対して遠隔的な計算が可能となった。現状では
Java Appletのブラウザ内実行や、CGIによるClient-Server型の処理など、個々のユーザの独立した非常に単純な処理が主であるが、将来はさらなるネットワークの高速化により、多数のスーパーコンピュータを接続して大規模な超広域高性能計算を行なったり、ネットワークに接続された莫大な数の計算機のうち、夜間に遊休な計算機を地球の裏側の昼間の地域に貸し出して有効利用することが可能となる。このように、キャンパスや組織内のような台数的には数百台から数千台の中規模ネットワークから、インターネットのような地球規模の広域ネットワーク上に、仮想計算環境を構築し、大規模な並列処理を行なえるようなシステムをグローバルコンピュータ
(Global Computer)あるいはメタコンピュータ(Metacomputer)と呼び、最近特に米国のHPC-NGI(Next Generation Internet)関係の研究者による研究が盛んになっており、ワークショップやシンポジウムが開催され、実際Globus[1], Legion[2], Netsolve[3]などのシステムが研究開発されている。我々は
1995年より、グローバルコンピューティングのための Ninf システム[4]を提案してきた。Ninf システムは、サーバー・クライアントモデルに基づいており、Ninf サーバ上に予め用意されている計算ルーチンを、クライアントであるユーザプログラムから RPC (Remote Procedure Call) で呼び出すことを実現する。また、計算をサポートする広域データベース機能や、各種言語処理系に対するAPIやGUIなども兼ね備える。グローバルコンピュータは、複数の異なる管理化にある計算機群を一つの計算機として仮想化せねばならず、セキュリティや対故障性など、管理上の様々な技術的問題が生じる。これらの技術は従来の分散システム技術としても存在したが、それらに加えてネットワークのレーテンシに抗して高性能を保たなくてはならならず、有効な資源配分、スケジューリング、大幅なレーテンシの隠蔽などが分散コンピューティング技術と緻密に連係しシステムが構築されなくてはならない。逆に言えば、現状の
Unixや分散OS,WWW技術のみでは機能的に不足しており、Globusをはじめ各システムではそれらに関し柔軟でかつロバストなフレームワークを提供している。我々のNinfシステムでも、超広域高性能計算の資源配分の枠組みを提案し、かつ各種の性能評価・シミュレーションを行なっている[5]。グローバルコンピューティングにおいても、オブジェクト指向の諸技術がその構築において有功であると認識されており、様々な試みがなされている。
Globus[1]ではセキュリティ、負荷分散、通信などがツールキット化されており、ユーザは必要なツールキットのモジュールを用いてカスタム化することにより、グローバルコンピューティングのアプリケーションを構築する。Legion[2]はより野心的で、システム全体がオブジェクト指向で統一されており、かつメタクラスで組織やアプリケーションによりそれぞれ異なるシステムの各機能の管理ポリシーを導入するという、リフレクションの技術を用いている。また、CORBAをデータ並列通信を行なえるように拡張したり、グローバルコンピューティング用のコンポーネント技術など、米国を中心に盛り上がりを見せている。さらに最近では、
Java を用いたGlobal Computing溝築技術が、複数する提案されている。JavaはI/O、ネットワーク、スレッドなど比較的低位の言語機能からGUI、WWWやコンポーネントフレームワークなど高い機能まで標準化されており、かつ異機種でポータブルな実行が可能で、グローバルコンピューティングの基盤として有用であるとみなされてる。特に、セキュリティの面では、リモートファイルやネットワークのアクセスの制限、異なる ThreadGroup のスレッドに対する操作などの可否を制御するjava.lang.SecurityManager クラス、不正なメモリ番地へのアクセスを起こさないことを保証するオブジェクトポインタや添字チェックされる配列といった言語仕様、不正なコードが含まれていないかチェックする bytecode verifier、異なる ClassLoader からロードされた同名のクラスを別クラスとして扱う機構、異なる package のクラスに対するアクセスを禁止できる機構といった、グローバルコンピューティングの基盤となるセキュリティ技術を多々内包している。現在までに提案されている
Javaを基盤としたグローバルコンピュータのシステムは、このようにJavaのセキュリティに関する言語的特徴を活かしたものが多い。これらはJavelin[6]に代表されるAppletのセキュリティに基づいたもの、および我々のNinfletシステム[7]のように、独自の計算サーバーをベースとしてセキュリティをカスタム化したもの、に大別される。一見Appletの方が一般のブラウザで実行可能など、有利なように思えるが、実はそれぞれ一長一短があり、両者を融合する技術も考えられる。Java
をグローバルコンピューティングに用いた場合、問題なのは性能とそのポータビリティである。通常のJavaの実行の高速化にはJITコンパイラが用いられるが、我々の研究ではそれらは性能的改善は進んでいるものの、Fortran, Cと比較してまだまだ速度的に十分であるとはいえない[8]. これは単純な速度の問題のみならず、Fortran, Cでは比較的普遍的な高レベルの最適化が、Javaの言語セマンティックスおよび実装の特性によって、それぞれの処理系で効果が大きく異なるという、異機種間の性能の可搬性の問題も含まれている。また、Java自身、その可搬性は、JVMが提供する機能に限定されており、分散共有メモリ、ユーザレベル通信、スレッドマイグレーションなど、JVMが未サポートな機能は基本的に可搬にかつ効率よく実装するのは非常に困難である。この問題を解決するために、我々は富士通と共同でOpenJITの研究開発を進めている。OpenJITはリフレクション技術を用い、世界で初のJavaで書かれた可搬性の高いJITコンパイラである。OpenJITはクラスフレームワークであるため、実行時にアプリケーションや実行環境に特化したクラスファイルを動的にダウンロードすることを可能としている。これにより、様々なグローバルコンピューティング環境上で、異なる並列プログラミングのパラダイムを効率よくサポートする。