(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線通信機能を有する複数のサーバを有し、
複数層のラックの各々に１個以上の前記サーバが配置され、
複数のサーバが配置された層において、前記複数のサーバの各々は、前記複数のサーバの各々が配置されたラックと同一層のラックに配置された１個以上の前記サーバと無線通信を行い、かつ複数のサーバが配置された層において、前記複数のサーバの各々は、前記複数のサーバの各々が配置されたラックと異なる層のラックに配置された１個以上の前記サーバと無線通信を行い、
前記複数のサーバは、無線通信の接続先の前記サーバの数が第１の数である第１のサーバと、無線通信の接続先の前記サーバの数が前記第１の数よりも小さい第２の数である第２のサーバとを含み、
前記第１のサーバと前記第２のサーバとは、二極次数分布のネットワークを構成する
無線情報処理システム。
【請求項２】
前記複数層のラックの外形は球状であり、前記複数層のラックの各々の形状は、前記複数層の両端の層のラックを除いて中空の半球台である請求項１に記載の無線情報処理システム。
【請求項３】
４個以上の前記サーバが頂点に配置された多角形において、各々の前記サーバは、前記多角形の対角線上の前記サーバを含む１個以上の前記サーバと無線通信を行い、かつ、無線通信の接続先の前記サーバの位置に応じた通信角度が各々の前記サーバに設定される請求項２に記載の無線情報処理システム。
【請求項４】
２個以上の前記第１のサーバの間で接続先の前記サーバの重複度が最小化されるように２個以上の前記第１のサーバの接続先が設定されている請求項３に記載の無線情報処理システム。
【請求項５】
前記複数層のラックの各々に配置された前記サーバの数は、隣接する層のラックに配置された前記サーバの数と異なる請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の無線情報処理システム。
【請求項６】
前記複数のサーバは、当該複数のサーバを有する無線情報処理システムとは別の無線情報処理システムが有する１個以上の前記サーバと無線通信を行う請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の無線情報処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信機能を有する複数のサーバを有する無線情報処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
メンテナンスが不要な情報処理システムの需要が高まっている。例えば、災害時に情報通信サービスを提供する情報処理システムがある。倒壊した設備の代わりに通信サービスと情報処理サービスとを提供する移動式ＩＣＴ（Information and communication technology）ユニットでは、スペースが限られているため、故障したモジュールの交換が困難である。このため、故障したモジュールの交換を必要とせず持続的に稼働可能な情報処理システムが必要不可欠である。
【０００３】
一方、大量の物品（デバイス）が情報を発信するInternet of Things（ＩｏＴ）時代を迎えるにあたって、インターネット上のトラヒックが爆発的に増加する恐れがある。このため、情報処理機能を有する基地局が物品からの情報を処理するネットワークアーキテクチャが注目を集めている。膨大な数の基地局が配置される情報処理システムをメンテナンスすることは困難であるため、故障が発生した場合でも持続的に稼働可能な情報処理システムが求められている。
【０００４】
上記の事情に鑑み、複数のサーバを有し、各サーバが無線通信と情報処理とを行う無線情報処理システムの研究が進んでいる。有線データセンタでは、配線の増加に伴って、必要なＮＩＣ（Network Interface Card）数が増加するとともに排熱が増加する。このため、制限されたリンク数の範囲でネットワークトポロジを構築する必要がある。一方、無線情報処理システムでは、通信距離と通信範囲とを設定することにより任意のネットワークトポロジを形成することが可能である。
【０００５】
有線データセンタでは、故障した有線ケーブルの発見と修復とが難しいため、システムの回復までに時間を要する。一方、サーバが通信機能を有する無線情報処理システムでは、故障したサーバを取り換えるだけで修復が完了する。このため、システムの復旧が容易である。
【０００６】
有線データセンタでは、スイッチもしくは外部接続ケーブルが故障していた場合にネットワークが分裂し、かつシステムが停止する。このため、修復作業が必要となる。一方、スイッチと有線ケーブルとを必要としない無線情報処理システムは、一部のサーバが故障した場合でも情報処理サービスを持続的に提供することが可能である。
【０００７】
上記のような無線情報処理システムの具体例が非特許文献１に開示されている。図１１は、非特許文献１に開示された無線情報処理システム１０１０を有するネットワーク１００１の構成を示している。図１１に示すように、ネットワーク１００１は、３個の無線情報処理システム１０１０を有する。各々の無線情報処理システム１０１０は、同一の構成を有する。各々の無線情報処理システム１０１０は、複数のサーバ１１００を有する。複数のサーバ１１００は、無線通信機能を有する。
【０００８】
図１１では、代表として１個のサーバ１１００の符号が示されている。図１１等において、複数のサーバ１１００のうち一部のサーバ１１００のみの符号が示され、残りのサーバ１１００の符号は省略されている。図１１等では、複数のサーバ１１００は模式的に示されている。図１１等では、複数のサーバ１１００が矩形で示されているが、複数のサーバ１１００の外形は必ずしも矩形とは限らない。
【０００９】
各々の無線情報処理システム１０１０は、複数層のラックＲ１００を有する。複数層のラックＲ１００は、複数のサーバ１１００を収納する収納具である。図１１では、各々の無線情報処理システム１０１０は、５層のラックＲ１００を有する。図１１では、代表として３層のラックＲ１００の符号が示されている。無線情報処理システム１０１０が複数に分割され、かつその分割された複数の部分の各々がラックＲ１００を構成する。複数層のラックＲ１００の外形は、円柱状である。より詳細には、複数層のラックＲ１００の外形は、中空部分が形成された円筒状である。複数層のラックＲ１００の各々は、複数のコンテナを有する。１個のコンテナに１個のサーバ１１００が配置される。
【００１０】
枠Ｆ１００は、１層のラックの平面図を示している。枠Ｆ１００内に示すように、１層のラックは、ブレード状の複数のサーバ１１００を有する。各々のサーバ１１００は、送受信機１１１０と送受信機１１２０とを有する。送受信機１１１０と送受信機１１２０とは、サーバ１１００の両端に配置されている。送受信機１１１０は円筒の内周側に配置され、かつ送受信機１１２０は円筒の外周側に配置されている。送受信機１１１０と送受信機１１２０とは、６０ＧＨｚ帯の無線通信を行う。送受信機１１１０は、その送受信機１１１０を有するサーバ１１００が配置された無線情報処理システム１０１０内の他のサーバ１１００の送受信機１１１０と無線通信ＴＲ１００を行う。送受信機１１２０は、その送受信機１１２０を有するサーバ１１００が配置された無線情報処理システム１０１０と異なる他の無線情報処理システム１０１０内のサーバ１１００の送受信機１１２０と無線通信ＴＲ１１０を行う。
【００１１】
図１２から図１４は、無線情報処理システム１０１０の詳細な構成を示している。図１２は、無線情報処理システム１０１０の斜視図である。図１２に示すように、互いに直交するｘ軸とｙ軸とｚ軸とが設定されている。円柱状の無線情報処理システム１０１０の軸方向はｚ方向である。無線情報処理システム１０１０は、５層のラックＲ１００を有する。５層のラックＲ１００は、ｚ方向に積層されている。
【００１２】
図１３は、サーバ１１００の配列（ネットワークトポロジ）を示す平面図である。図１３では、ｘ−ｙ平面におけるサーバ１１００の配列が示されている。したがって、図１３では、１層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００の配列が示されている。図１３では、２０個のサーバ１１００が円状に配置されている。２０個のサーバ１１００と重なる円の中心において紙面に垂直な方向にｚ軸（図示せず）が配置されている。各々のサーバ１１００は、同一層のラックＲ１００に配置された３個のサーバ１１００と無線通信を行う。
【００１３】
図１４は、サーバ１１００の配列（ネットワークトポロジ）を示す正面図である。図１４では、ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面におけるサーバ１１００の配列が示されている。したがって、図１４では、５層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００の配列が示されている。ｚ軸（図示せず）を中心に線対称にサーバ１１００が配置されている。各々のサーバ１１００は、同一層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００以外に、他の層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００と無線通信を行う。例えば、最も上側の層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００は、１個下の層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００と無線通信を行う。最も下側の層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００は、１個上の層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００と無線通信を行う。最も上側の層と最も下側の層とを除く３層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００は、１個上の層のラックＲ１００と１個下の層のラックＲ１００とに配置されたサーバ１１００と無線通信を行う。
【００１４】
図１３と図１４とでは、無線通信を行うサーバ１１００のペアが実線（直線）で示されている。実線の両端の２個のサーバ１１００の間で無線通信が行われる。サーバ１１００は、直接接続できない他のサーバ１１００と無線通信を行う場合、１個以上のサーバ１１００を介して他のサーバ１１００と無線通信を行う。例えば、サーバ１１００ａは、サーバ１１００ｂと直接接続できないが、サーバ１１００ａと接続できるサーバ１１００ｃはサーバ１１００ｂと直接接続できる。このため、サーバ１１００ａは、サーバ１１００ｃを介してサーバ１１００ｂと無線通信を行う。つまり、互いに直接接続できないサーバ１１００ａとサーバ１１００ｂとが無線通信を行う場合、サーバ１１００ｃが通信を中継することにより、サーバ１１００ａとサーバ１１００ｂとの間の無線通信が可能である。互いに直接接続できない２個のサーバ１１００が無線通信を行うときに通信を中継するサーバ１１００の数は、ホップ数と定義される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ji-Yong Shin, Emin Gun Sirer, Hakim Weatherspoon, and Darko Kirovski, “On the Feasibility of Completely Wirelesss Datacenters” Trans. on Networking, IEEE/ACM, VOL.21, NO.5, pp.1666-1680, Oct. 2013.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述した移動式ＩＣＴユニットではスペースが限られているため、移動式ＩＣＴユニットが予備のサーバを備えないことが望ましい。また、故障したサーバを交換するための人的コストが低減されることが望ましい。したがって、移動式ＩＣＴユニットではサーバの交換が難しい。情報処理機能を有する基地局が配置される情報処理システムのように、システムを管理するための人的資源がない場合も、サーバの交換が難しい。
【００１７】
サーバ１１００の交換が難しい環境に無線情報処理システム１０１０が適用された場合、無線情報処理システム１０１０の情報処理性能が著しく低下する恐れがある。例えば、サーバ１１００の故障により、任意の２個のサーバ１１００の間の無線通信に対する平均ホップ数は大きな値になる。その結果、サーバ１１００間の通信がボトルネックとなり、処理性能が低下する懸念がある。
【００１８】
上記事情に鑑み、本発明は、高いロバスト性と高い通信効率とを達成することが可能な無線情報処理システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一態様は、無線通信機能を有する複数のサーバを有し、複数層のラックの各々に１個以上の前記サーバが配置され、複数のサーバが配置された層において、前記複数のサーバの各々は、前記複数のサーバの各々が配置されたラックと同一層のラックに配置された１個以上の前記サーバと無線通信を行い、かつ複数のサーバが配置された層において、前記複数のサーバの各々は、前記複数のサーバの各々が配置されたラックと異なる層のラックに配置された１個以上の前記サーバと無線通信を行い、前記複数のサーバは、無線通信の接続先の前記サーバの数が第１の数である第１のサーバと、無線通信の接続先の前記サーバの数が前記第１の数よりも小さい第２の数である第２のサーバとを含み、前記第１のサーバと前記第２のサーバとは、二極次数分布のネットワークを構成する無線情報処理システムである。
【００２０】
本発明の一態様は、上記の無線情報システムであって、前記複数層のラックの外形は球状であり、前記複数層のラックの各々の形状は、前記複数層の両端の層のラックを除いて中空の半球台である。
【００２１】
本発明の一態様は、上記の無線情報システムであって、４個以上の前記サーバが頂点に配置された多角形において、各々の前記サーバは、前記多角形の対角線上の前記サーバを含む１個以上の前記サーバと無線通信を行い、かつ、無線通信の接続先の前記サーバの位置に応じた通信角度が各々の前記サーバに設定される。
【００２２】
本発明の一態様は、上記の無線情報システムであって、２個以上の前記第１のサーバの間で接続先の前記サーバの重複度が最小化されるように２個以上の前記第１のサーバの接続先が設定されている。
【００２３】
本発明の一態様は、上記の無線情報システムであって、前記複数層のラックの各々に配置された前記サーバの数は、隣接する層のラックに配置された前記サーバの数と異なる。
【００２４】
本発明の一態様は、上記の無線情報システムであって、前記複数のサーバは、当該複数のサーバを有する無線情報処理システムとは別の無線情報処理システムが有する１個以上の前記サーバと無線通信を行う。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、高いロバスト性と高い通信効率とを達成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態による無線情報処理システムの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態による無線情報処理システムにおけるサーバの配列（ネットワークトポロジ）を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態による無線情報処理システムにおけるサーバの配列（ネットワークトポロジ）を示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態による無線情報処理システムにおけるラックの構成図である。
【図５】本発明の実施形態による無線情報処理システムにおけるサーバの次数分布を示すグラフである。
【図６】一様分布のネットワークトポロジのモデルと二極次数分布のネットワークトポロジのモデルとを示す参考図である。
【図７】本発明の実施形態による無線情報処理システムと従来技術の無線情報処理システムとにおけるサーバの配列（ネットワークトポロジ）を示す正面図である。
【図８】本発明の実施形態による無線情報処理システムと従来技術の無線情報処理システムとの性能評価のためのシミュレーションの条件を示す参考図である。
【図９】本発明の実施形態による無線情報処理システムと従来技術の無線情報処理システムとの性能評価のためのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態の第１の適用例であるシステムの構成図である。
【図１１】従来技術の無線情報処理システムを有するネットワークの構成図である。
【図１２】従来技術の無線情報処理システムの斜視図である。
【図１３】従来技術の無線情報処理システムにおけるサーバの配列（ネットワークトポロジ）を示す平面図である。
【図１４】従来技術の無線情報処理システムにおけるサーバの配列（ネットワークトポロジ）を示す正面図である。
【図１５】従来技術の無線情報処理システムにおけるサーバの次数分布を示すグラフである。
【図１６】ケイリーグラフを説明するためのノードの配列を示す参考図である。
【図１７】ＭａｐＲｅｄｕｃｅにおける処理フローを示す参考図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１から図３は、本発明の実施形態による無線情報処理システム１０の構成を示している。図１は、無線情報処理システム１０の斜視図である。図１に示すように、互いに直交するｘ軸とｙ軸とｚ軸とが設定されている。無線情報処理システム１０は、複数のサーバ１００を有する。複数のサーバ１００は、無線通信機能を有する。
【００２８】
図１から図３では、複数のサーバ１００のうち一部のサーバ１００のみの符号が示され、残りのサーバ１００の符号は省略されている。図１から図３では、複数のサーバ１００は模式的に示されている。図１から図３では、複数のサーバ１００が矩形で示されているが、複数のサーバ１００の外形は必ずしも矩形とは限らない。
【００２９】
本実施形態では、複数のサーバ１００は、高次数ノードである１個以上のサーバ１００と、低次数ノードである１個以上のサーバ１００とを含む。次数は、無線通信の接続先のサーバの数である。高次数ノードの次数は、低次数ノードの次数よりも大きい。言い換えると、低次数ノードの次数は、高次数ノードの次数よりも小さい。つまり、複数のサーバ１００は、無線通信の接続先のサーバの数が第１の数（高次数）である第１のサーバと、無線通信の接続先のサーバ１００の数が第１の数よりも小さい第２の数（低次数）である第２のサーバとを含む。高次数ノードの次数は２以上であり、かつ低次数ノードの次数は１以上である。高次数ノードである第１のサーバと低次数ノードである第２のサーバとは、二極次数分布のネットワークを構成する。二極次数分布については後述する。
【００３０】
無線情報処理システム１０は、複数層のラックＲ１０を有する。複数層のラックＲ１０は、複数のサーバ１００を収納する収納具である。図１では、無線情報処理システム１０は、１１層のラックＲ１０を有する。図１では、代表として３層のラックＲ１０の符号が示されている。ラックＲ１０の層数は、１１でなくてもよい。ラックＲ１０の層数は、２以上であればよい。ラックＲ１０の層数は、３以上であることが望ましい。
【００３１】
無線情報処理システム１０がｚ方向に複数に分割され、かつその分割された複数の部分の各々がラックＲ１０を構成する。複数層のラックＲ１０の外形は、球状である。より詳細には、複数層のラックＲ１０の外形は、中空部分が形成された中空球状である。複数層のラックＲ１０の外形は、完全な球でなくてもよい。例えば、外形を構成する面の一部が平面または任意の曲面であってもよい。複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心は、ｘ軸とｙ軸とｚ軸とからなる座標系の原点である。複数層のラックＲ１０の各々に１個以上のサーバ１００が配置される。複数のサーバ１００は、ｚ軸を中心に軸対称に配置されている。
【００３２】
複数層の両端の層のラックＲ１０は、１個のサーバ１００を有する。図１では、複数層の両端の層のラックＲ１０は、最も上側のラックＲ１０と最も下側のラックＲ１０とである。複数層の両端を除く層のラックＲ１０は、２個以上のサーバ１００を有する。
【００３３】
図２は、サーバ１００の配列（ネットワークトポロジ）を示す平面図である。図２では、ｘ−ｙ平面におけるサーバ１００の配列が示されている。ｘ−ｙ平面は、複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心を通る。したがって、図２は、１層（図１における層Ｓｔｏｒｙ  ０）のラックＲ１０に配置されているサーバ１００の配列を示している。図２では、２０個のサーバ１００が円状に配置されている。２０個のサーバ１００と重なる円の中心は、複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心と一致する。２０個のサーバ１００と重なる円の中心において紙面に垂直な方向にｚ軸（図示せず）が配置されている。
【００３４】
複数のサーバ１００の各々は、複数のサーバ１００の各々が配置されたラックＲ１０と同一層のラックＲ１０に配置された１個以上のサーバ１００と無線通信を行う。図２では、高次数ノードであるサーバ１００は、同一層のラックＲ１０に配置された４個のサーバ１００と無線通信を行う。図２では、低次数ノードであるサーバ１００は、同一層のラックＲ１０に配置された３個のサーバ１００と無線通信を行う。図２では、サーバ１００ａとサーバ１００ｂとが高次数ノードである。図２では、サーバ１００ａとサーバ１００ｂとを除くサーバ１００が低次数ノードである。
【００３５】
図３は、サーバ１００の配列（ネットワークトポロジ）を示す正面図である。図３では、ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面におけるサーバ１００の配列が示されている。ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面は、複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心を通る。したがって、図３では、１１層のラックＲ１０に配置されたサーバ１００の配列が示されている。図３では、２０個のサーバ１００が円状に配置されている。２０個のサーバ１００と重なる円の中心は、複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心と一致する。
【００３６】
各々のサーバ１００は、同一層のラックＲ１０に配置されたサーバ１００以外に、他の層のラックＲ１０に配置されたサーバ１００と無線通信を行う。つまり、複数のサーバ１００の各々は、複数のサーバ１００の各々が配置されたラックＲ１０と異なる層のラックＲ１０に配置された１個以上のサーバ１００と無線通信を行う。高次数ノードであるサーバ１００は、異なる層のラックＲ１０に配置された４個のサーバ１００と無線通信を行う。低次数ノードであるサーバ１００は、異なる層のラックＲ１０に配置された３個のサーバ１００と無線通信を行う。図３では、サーバ１００ｃとサーバ１００ｄとが高次数ノードである。図３では、サーバ１００ｃとサーバ１００ｄとを除くサーバ１００が低次数ノードである。
【００３７】
例えば、各々のサーバ１００は、第１の送受信機と第２の送受信機とを有する。２個の送受信機は、サーバ１００の両端に配置されている。第１の送受信機は球の内周側に配置され、かつ第２の送受信機は球の外周側に配置されている。例えば、第１の送受信機と第２の送受信機とは、６０ＧＨｚ帯の無線通信を行う。サーバ１００が行う無線通信の周波数帯は、６０ＧＨｚ帯に限らない。第１の送受信機は、その第１の送受信機を有するサーバ１００が配置された無線情報処理システム１０内の他のサーバ１００の第１の送受信機と無線通信を行う。第２の送受信機は、その第２の送受信機を有するサーバ１００が配置された無線情報処理システム１０と異なる他の無線情報処理システム１０内のサーバ１００の第２の送受信機と無線通信を行う。これによって、複数のサーバ１００は、当該複数のサーバ１００を有する無線情報処理システム１０とは別の無線情報処理システム１０が有する１個以上のサーバ１００と無線通信を行う。第２の送受信機は、無線情報処理システム１０の外に配置された任意の通信装置と無線通信を行ってもよい。
【００３８】
図２と図３とでは、無線通信を行うサーバ１００のペアが実線（直線）で示されている。実線の両端の２個のサーバ１００の間で無線通信が行われる。サーバ１００は、直接接続できない他のサーバ１００と無線通信を行う場合、１個以上のサーバ１００を介して他のサーバ１００と無線通信を行う。
【００３９】
複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心を通る任意の平面におけるサーバ１００の配列は、図２または図３に示すサーバ１００の配列と同様である。複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心を通る平面内の４個以上のサーバ１００が頂点に配置された多角形において、各々のサーバ１００は、多角形の対角線上のサーバ１００を含む１個以上のサーバ１００と無線通信を行う。多角形の対角線の１つは、複数層のラックＲ１０の外形で構成される球の中心を通ることが望ましい。例えば、各々のサーバ１００は、球の中心を通る対角線上のサーバ１００と、そのサーバ１００が配置された頂点に隣接する２つの頂点に配置された２個のサーバ１００とを含むサーバ１００と無線通信を行う。無線通信の接続先のサーバ１００の位置に応じた通信角度が各々のサーバ１００に設定される。例えば、サーバ１００は指向性アンテナを有する。サーバ１００が接続先のサーバ１００と無線通信を行うとき、接続先のサーバ１００の位置に応じた指向角がサーバ１００の指向性アンテナに設定される。
【００４０】
図２では、同一層のラックＲ１０において、サーバ１００が配置された位置を頂点とする多角形が構成される。図３では、複数層のラックＲ１０において、同一平面内のサーバ１００が配置された位置を頂点とする多角形が構成される。４個以上のサーバ１００が頂点に配置された多角形において、各々のサーバ１００は、多角形の対角線上のサーバ１００を含む１個以上のサーバ１００と無線通信を行う。低次数ノードであるサーバ１００は、球の中心を通る対角線上のサーバ１００を含む３個のサーバ１００と無線通信を行う。高次数ノードであるサーバ１００ａとサーバ１００ｂとサーバ１００ｃとサーバ１００ｄとは、球の中心を通る対角線上のサーバ１００を含む４個のサーバ１００と無線通信を行う。
【００４１】
図４は、ラックＲ１０の構成を示している。図４では、最も上側の層のラックＲ１０ａと、最も上側の層と最も下側の層とを除く任意の層のラックＲ１０ｂとの構成が模式的に示されている。複数層のラックＲ１０の外形は球状である。複数層のラックＲ１０の各々の形状は、複数層の両端の層のラックＲ１０を除いて中空の半球台である。つまり、ラックＲ１０ｂの形状は、中空の半球台である。ラックＲ１０ａの形状は、円錐台である。
【００４２】
ラックＲ１０ａは、１個のコンテナで構成される。ラックＲ１０ａを構成するコンテナに１個のサーバ１００が配置される。ラックＲ１０ｂは、複数のコンテナＣ１０を有する。図４では、代表として１個のコンテナＣ１０の符号が示されている。１個のコンテナＣ１０に１個のサーバ１００（図示せず）が配置される。
【００４３】
複数層のラックＲ１０の各々に配置されたサーバ１００の数は、隣接する層のラックＲ１０に配置されたサーバ１００の数と異なる。層ｓのラックＲ１０に配置されたサーバ１００の数Ｎｓは、式（１）により計算される。式（１）において、Ｒｓは層ｓにおける球の内周の半径であり、ａは層ｓにおける球の内周に沿ったコンテナＣ１０の幅である。コンテナＣ１０の幅ａは、層ｓによらずほぼ一定に設定される。層ｓの位置に応じて球の内周の半径Ｒｓが異なるため、サーバ１００の数は層ｓ毎に異なる。
【００４４】
【数１】
0006440077.tif 000002
【００４５】
図１２に示す無線情報処理システム１０１０におけるサーバ１１００の次数分布について説明する。図１５は、１層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００の次数分布を示している。図１５に示すグラフの横軸は次数であり、縦軸はノード数すなわちサーバ１１００の数である。図１５に示すように、サーバ１１００の次数はｋ１のみであり、ノード数はＮ１である。つまり、１層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００の次数分布は、一様分布である。
【００４６】
ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面に配置されたサーバ１１００の次数分布は、一様分布に近似した分布である。最も上側の層のラックＲ１００と最も下側の層のラックＲ１００とに配置されたサーバ１１００の次数が他のサーバ１１００の次数よりも１小さいため、ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面に配置されたサーバ１１００の次数分布は、正確な一様分布ではない。
【００４７】
１層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００のネットワークトポロジは、ケイリーグラフの特徴を持つ。図１６を参照してケイリーグラフについて説明する。図１６は、２０個のノードで構成されるグラフを示している。２０個のノードは円状に配置されている。各々のノードには、Ｎ１からＮ２０の番号が付与されている。図１６では、Ｎ１とＮ２とＮ２０とのみが示され、他の番号は省略されている。最小の番号はＮ１であり、最大の番号はＮ２０である。文字Ｎに続く数字が１増加すると番号が１増加する。各々のノードの番号は、時計回りに増加する。図１６に示すノードは、サーバ１１００に対応する。図１６に示すノードとノードとを結ぶ直線は、サーバ１１００とサーバ１１００との間の無線通信に対応する。各々のノードは、他の異なる３個のノードと接続されている。つまり、図１６に示すグラフは、次数が３である一様分布に対応する。
【００４８】
ケイリーグラフでは、全てのノードが同一の推移関数（移動ルール）ｆに従って移動する場合にノードの移動前とノードの移動後とでグラフのトポロジが同一である。図１６は、各々のノードが、隣接するノードまで時計回りに移動する推移関数ｆにより移動する例を示している。推移関数ｆによりノードＮ１は、隣接するノードＮ２に移動する。つまり、ｆ（Ｎ１）＝Ｎ２である。全てのノードが隣接するノードに移動したとき、グラフのトポロジは変化しない。つまり、１層のラックＲ１００に配置されたサーバ１１００のネットワークトポロジは、ケイリーグラフの特徴を持つ。
【００４９】
各々のノードが、ノードの配列の中心に対して点対称な位置にあるノードと接続されたトポロジは、一様分布でない限り、ケイリーグラフの特徴を持たない。したがって、一様分布である複数のサーバ１１００のネットワークトポロジは、ケイリーグラフの特徴を持つ。
【００５０】
図１に示す無線情報処理システム１０におけるサーバ１００の次数分布について説明する。図１に示す無線情報処理システム１０では、複数のサーバ１００は、高次数ノードである１個以上のサーバ１００と、低次数ノードである１個以上のサーバ１００とを含む。複数のサーバ１００の次数分布は、二極次数分布である。
【００５１】
図５は、複数のサーバ１００の次数分布を示している。図５に示すグラフの横軸は次数であり、縦軸はノード数すなわちサーバ１００の数である。図５に示すように、サーバ１００の次数はｋｈとｋｎｈとに二極化されている。次数ｋｈは次数ｋｎｈよりも大きい。高次数ノードであるサーバ１００の次数はｋｈであり、低次数ノードであるサーバ１００の次数はｋｎｈである。高次数ノードであるサーバ１００の数はＮｈであり、低次数ノードであるサーバ１００の数はＮｎｈである。サーバ１００の数Ｎｈは、サーバ１００の数Ｎｎｈよりも小さい。つまり、高次数ノードであるサーバ１００は、低次数ノードであるサーバ１００よりも少ない。
【００５２】
式（２）から式（７）は、二極次数分布における最適値を示している。式（２）から式（７）において、Ｎはサーバ１００の総数である。ｒはサーバ１００の総数に占める高次数ノードのサーバ１００の割合である。＜ｋ＞は平均次数である。平均次数＜ｋ＞は、サービスの種類およびトラヒックパターン等の状況（経験）に応じて設定される。
【００５３】
【数２】
0006440077.tif 000003
【００５４】
一様分布と二極次数分布とにおける故障耐性について説明する。８個のノードを含むネットワークトポロジのモデルを使用して各々の分布における故障耐性を比較する。図６は、８個のノード１０１を含むモデルを示している。図６（ａ）は、一様分布のネットワークトポロジのモデルＭ１を示している。図６（ｂ）は、二極次数分布のネットワークトポロジのモデルＭ２を示している。モデルＭ１とモデルＭ２とにおいて、代表として１個のノード１０１の符号が示されている。
【００５５】
モデルＭ１において、８個のノード１０１は環状に配置されている。モデルＭ１における８個のノード１０１の次数は２である。
【００５６】
モデルＭ２において、１個のノード１０１が中心に配置され、そのノード１０１の周囲に７個のノード１０１が配置されている。モデルＭ２において、中心の１個のノード１０１の次数は７であり、他の７個のノード１０１の次数は１である。
【００５７】
故障をランダムなノード故障によりモデル化した場合のネットワークの分断確率を説明する。ネットワークが分断している状態では、ネットワークを構成するサーバの一部が孤立している。
【００５８】
モデルＭ１では、隣接していない２個のノード１０１が故障したときにネットワークが分断する。つまり、モデルＭ１においてネットワークが分断する場合の数は、任意の２個のノード１０１を選択する場合の数と、隣接する２個のノード１０１を選択する場合の数との差分である。モデルＭ１において２個のノード１０１の故障によるネットワークの分断確率Ｐ１は、式（８）により計算される。式（８）による計算の結果、分断確率Ｐ１は５／７である。
【００５９】
【数３】
0006440077.tif 000004
【００６０】
モデルＭ２では、次数が７である１個のノード１０１が故障したときにネットワークが分断する。つまり、モデルＭ２において２個のノード１０１の故障によりネットワークが分断する場合の数は、次数が７である１個のノード１０１を含む２個のノード１０１の組み合わせの数である。モデルＭ２において２個のノード１０１の故障によるネットワークの分断確率Ｐ２は、式（９）により計算される。式（９）による計算の結果、分断確率Ｐ２は１／４である。
【００６１】
【数４】
0006440077.tif 000005
【００６２】
分断確率Ｐ２は、分断確率Ｐ１よりも小さい。このため、二極次数分布のネットワークトポロジでは、一様分布のネットワークトポロジよりもロバスト性が高い。つまり、図１に示す無線情報処理システム１０では、サーバ１００が故障した場合にサーバ１００の交換を行わなくてもサービスを提供することが可能である。
【００６３】
一様分布のネットワークトポロジと二極次数分布のネットワークトポロジとにおける平均ホップ数について説明する。ホップ数は、任意の２個のノードを結ぶ経路に介在するノードの数である。平均ポップ数は、式（１０）により計算される。式（１０）において、Ｎはノードの総数である。ｄｉｊはノードｉとノードｊとの間の最小のホップ数である。
【００６４】
【数５】
0006440077.tif 000006
【００６５】
式（１０）による計算の結果、一様分布のネットワークトポロジにおける平均ホップ数は、２．２８６である。式（１０）による計算の結果、二極次数分布のネットワークトポロジにおける平均ホップ数は、１．７５である。つまり、二極次数分布のネットワークトポロジにおける平均ホップ数は、一様分布のネットワークトポロジにおける平均ホップ数よりも小さい。このため、二極次数分布のネットワークトポロジでは、一様分布のネットワークトポロジよりも通信効率が高い。
【００６６】
サーバの通信距離について説明する。図７は、ｘ−ｚ平面またはｙ−ｚ平面におけるサーバ１００の配列（ネットワークトポロジ）を示している。図７（ａ）は、図１２に示す無線情報処理システム１０１０における複数のラックＲ１００と同様の複数のラックにサーバ１００とサーバ１００ｅとが配置された場合の状態を示している。図７（ｂ）は、図１に示す無線情報処理システム１０と同様の無線情報処理システムにおける状態を示している。
【００６７】
図７（ａ）では、中央のラックに配置された１個のサーバ１００ｅが高次数ノードであり、他の９個のサーバ１００は低次数ノードである。サーバ１００ｅは、他の４個のサーバ１００と無線通信を行う。つまり、高次数ノードであるサーバ１００ｅの次数は４である。サーバ１００は、他の３個のサーバ１００またはサーバ１００ｅと無線通信を行う。つまり、低次数ノードであるサーバ１００の次数は３である。サーバ１００ｅが配置されたラックからの距離が大きいラックに配置されたサーバ１００とサーバ１００ｅとの通信距離は長い。例えば、サーバ１００ｅと、最も上側のラックに配置されたサーバ１００との無線通信ＴＲ１０における通信距離は長い。通信距離が長い場合、通信品質が劣化しやすい。
【００６８】
図７（ｂ）では、５層のラックＲ１０が配置された例が示されている。中央のラックＲ１０に配置された１個のサーバ１００ｆが高次数ノードであり、他の９個のサーバ１００は低次数ノードである。サーバ１００ｆは、他の４個のサーバ１００と無線通信を行う。つまり、高次数ノードであるサーバ１００ｆの次数は４である。サーバ１００は、他の３個のサーバ１００またはサーバ１００ｆと無線通信を行う。
【００６９】
複数層のラックの外形が円柱状である場合、複数層のラックの各々に配置されたサーバ１００またはサーバ１００ｅとｚ軸との距離は同一である。一方、複数層のラックＲ１０の外形が球状である場合、複数層の中央の層のラックＲ１０からの距離が大きくなるほど、サーバ１００とｚ軸との距離は小さくなる。このため、サーバ１００ｆと、最も上側のラックＲ１００に配置されたサーバ１００との無線通信ＴＲ２０における通信距離は、無線通信ＴＲ１０における通信距離よりも短い。図１に示す無線情報処理システム１０では、図１２に示す無線情報処理システム１０１０と比較して通信距離が短いため、通信品質の劣化が低減される。
【００７０】
高次数ノードであるサーバ１００の接続先の選択方法について説明する。高次数ノードであるサーバ１００に関して、２個以上のサーバ１００の間で接続先のサーバ１００の重複度が最小化されるように２個以上のサーバ１００の接続先が設定されている。つまり、２個以上のサーバ１００の各々の接続先の集合に共通に含まれる同一のサーバ１００の数が最小化されるように２個以上のサーバ１００の接続先が設定されている。
【００７１】
式（１１）は、高次数ノードであるサーバ１００の接続先の選択方法の数学的な表現である。
【００７２】
【数６】
0006440077.tif 000007
【００７３】
以下の要素Ｅ１は、式（１１）を構成する要素である。高次数ノード候補は、高次数ノードであるサーバ１００の候補である。高次数ノード候補の組み合わせの総数は、Ｎ個のサーバ１００から所定の数Ｎｈのサーバ１００を選択したときの組み合わせの総数である。
【００７４】
【数７】
0006440077.tif 000008
【００７５】
式（１１）は、高次数ノード候補の各々の組み合わせにおいて異なる２つのサーバ１００の接続先ノードの集合に共通に含まれるサーバ１００の数が最小となる高次数ノード候補の組み合わせｈｉを求めることを示している。
【００７６】
図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、複数のサーバ１１００の次数分布が一様分布または一様分布を近似した分布である。図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、図１に示す無線情報処理システム１０と比較して、サーバ１１００の故障によるネットワークの分断が発生しやすい。このため、図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、孤立したサーバ１１００の計算資源を利用できない。つまり、図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、ネットワークの分断により処理性能が低下し、かつデータが利用不可能になる。一方、図１に示す無線情報処理システム１０では、複数のサーバ１００が二極次数分布のネットワークを構成することにより、故障に対するロバスト性の向上が可能となる。つまり、図１に示す無線情報処理システム１０では、ネットワークの分断による処理性能の低下が発生しにくい。
【００７７】
図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、図１に示す無線情報処理システム１０と比較して、平均ホップ数が大きい。サーバ１１００が故障した場合、平均ホップ数はより大きくなる。このため、図１２に示す無線情報処理システム１０１０では、サーバ１１００とサーバ１１００との間の通信がボトルネックとなり、かつ処理性能が低下する。一方、図１に示す無線情報処理システム１０では、複数のサーバ１００が二極次数分布のネットワークを構成することにより、平均ホップ数の低減が可能となる。つまり、図１に示す無線情報処理システム１０では、通信効率が高い。
【００７８】
本実施形態によれば、複数のサーバ１００が二極次数分布のネットワークを構成することにより、高いロバスト性と高い通信効率とを達成することが可能となる。また、複数層のラックＲ１０の外形が球状であるため、二極次数分布のネットワークにおける通信品質の低下が低減される。したがって、サーバ１００の故障が発生しうる環境においても高い情報処理性能を達成することが可能となる。
【００７９】
図１に示す無線情報処理システム１０と図１２に示す無線情報処理システム１０１０との性能評価について説明する。本発明者は、全てのサーバのμ％が故障した後の無線情報処理システムによるビッグデータ解析の性能をＭａｐＲｅｄｕｃｅにより評価した。評価指標は、１秒間に処理可能なビッグデータ解析タスク数である。サーバの障害モデルとして２つのモデルが適用された。第１のモデルは、高次数ノードが優先的に故障するモデルである。第２のモデルは、サーバの次数に関係なくサーバが故障するモデルである。
【００８０】
ＭａｐＲｅｄｕｃｅは、大規模なデータを分散処理するためのプログラミングモデルである。図１７は、ＭａｐＲｅｄｕｃｅにおける処理フローを示している。図１７では、ＭａｐＲｅｄｕｃｅを構成する要素として、データ保持者２００と、Ｍａｐｐｅｒ２０１と、Ｒｅｄｕｃｅｒ２０２とが示されている。これらの要素は、サーバ１００またはサーバ１１００に対応する。
【００８１】
複数のデータ保持者２００は、異なるデータを持つ。複数のデータ保持者２００は、自身が有するデータを複製し、かつ複製されたデータをＭａｐｐｅｒ２０１に割り当てる。Ｍａｐｐｅｒ２０１は、データに対してＭａｐ処理を行った後、処理されたデータをＲｅｄｕｃｅｒ２０２に送信する。Ｒｅｄｕｃｅｒ２０２は、受信されたデータに対してＲｅｄｕｃｅ処理を行い、かつ結果を取得する。
【００８２】
図８は、シミュレーションの条件を示している。図８に示すように、性能評価の条件は、無線情報処理システムのサーバ数と、周波数帯域と、平均次数と、データ保持者数と、タスクの複製数と、データサイズとを含む。無線情報処理システムのサーバ数は２００である。周波数帯域は、５９．５ＧＨｚから６２．５ＧＨｚである。平均次数は７である。データの保持者数は３である。タスクの複製数は７である。Ｍａｐ処理におけるデータサイズは２００Ｍバイトである。Ｒｅｄｕｃｅ処理におけるデータサイズは６５Ｍバイトである。
【００８３】
図９は、シミュレーション結果を示している。図９（ａ）は、第１のモデルによりサーバが故障した後の無線情報処理システムが１秒間に処理可能なビッグデータ解析タスク数を示している。図９（ｂ）は、第２のモデルによりサーバが故障した後の無線情報処理システムが１秒間に処理可能なビッグデータ解析タスク数を示している。図９（ａ）と図９（ｂ）とに示すグラフの横軸はμの値であり、縦軸は１秒間に処理されるタスク数である。
【００８４】
図９（ａ）において、グラフＧ１０は、図１に示す無線情報処理システム１０を使用した場合のシミュレーション結果を示している。図９（ａ）において、グラフＧ２０は、図１２に示す無線情報処理システム１０１０を使用した場合のシミュレーション結果を示している。
【００８５】
図９（ｂ）において、グラフＧ１１は、図１に示す無線情報処理システム１０を使用した場合のシミュレーション結果を示している。図９（ｂ）において、グラフＧ２１は、図１２に示す無線情報処理システム１０１０を使用した場合のシミュレーション結果を示している。
【００８６】
図９（ａ）と図９（ｂ）とのいずれにおいても、μの値に関係なく、図１に示す無線情報処理システム１０を使用した場合のタスク数が、図１２に示す無線情報処理システム１０１０を使用した場合のタスク数よりも大きい。つまり、図１に示す無線情報処理システム１０では、サーバ１００の故障が発生しうる環境においても高い情報処理性能を達成することが可能となる。
【００８７】
（第１の適用例）
本発明の実施形態の第１の適用例を説明する。図１０は、第１の適用例のシステム３０の構成を示している。システム３０は、移動式ＩＣＴユニット（ＭＤＲＵ：Movable and Deployable ICT Resource Unit）３００と、通信端末３０１と、衛星３０２と、通信設備３０３と、広域・基幹ネットワーク３０４とを有する。
【００８８】
システム３０は、災害発生時に構成されるシステムである。移動式ＩＣＴユニット３００は、移動可能なユニットであり、被災地に設置される。通信端末３０１は、スマートフォン、タブレット、およびパーソナルコンピュータ等であって、無線通信機能を有する端末である。通信端末３０１は、被災地に存在している。移動式ＩＣＴユニット３００は、通信端末３０１と無線通信を行うことにより、通信端末３０１に情報通信サービスを提供する。
【００８９】
移動式ＩＣＴユニット３００は、衛星３０２と無線通信を行う。移動式ＩＣＴユニット３００は、衛星３０２と通信設備３０３とを介して広域・基幹ネットワーク３０４と接続する。広域・基幹ネットワーク３０４は、被災地の外のネットワークである。通信設備３０３に接続された光ケーブル３０５が利用できる場合、移動式ＩＣＴユニット３００は、光ケーブル３０５と通信設備３０３とを介して広域・基幹ネットワーク３０４と接続する。
【００９０】
移動式ＩＣＴユニット３００が被災地に配置されることにより、移動式ＩＣＴユニット３００が通信端末３０１と無線ネットワークを構築し、かつ通信端末３０１に情報通信サービスを提供することができる。
【００９１】
被災地では、スキルを有する保守管理者の確保が困難である。被災地のネットワーク内のサーバの一部が故障した場合、修理と代替品の調達とが困難な可能性がある。このため、被災地ではネットワーク内のサーバの一部が故障した場合でも性能の低下が最小限に抑えられ、かつネットワークが機能する必要がある。ネットワーク内のサーバの数が多い場合、これらの問題が顕著になる。
【００９２】
移動式ＩＣＴユニット３００内の情報処理システムを図１に示す無線情報処理システム１０で構成することにより、被災地において高い情報処理性能を達成することが可能となる。移動式ＩＣＴユニット３００内のサーバの数が多い場合には、サーバの故障による情報処理性能の顕著な低下が抑制される。
【００９３】
（第２の適用例）
本発明の実施形態の第２の適用例を説明する。第２の適用例のシステムは、大規模データセンタである。大規模データセンタは、情報通信サービスを提供する施設である。大規模データセンタは、空調設備、非常用電源、防火設備、セキュリティ設備、および耐震構造等を有する。インターネットサービスに特化した大規模データセンタ、コンテナ型の大規模データセンタ、および無人で運用される大規模データセンタもある。規模が大きくなるとサーバの数が増えるため、無線情報処理システムの適用が望ましい。
【００９４】
災害によるサービス停止のリスクを低減するため、大都市から離れた場所に大規模データセンタが配置される場合がある。しかし、障害が発生した場合に迅速な対応が困難な可能性がある。
【００９５】
大規模データセンタが無人で運用される場合、修理および交換のための作業者の迅速な派遣が不要であることが望ましい。このため、大規模データセンタ内のサーバの一部のみが故障した場合における情報処理性能の低下が抑制されることが望ましい。
【００９６】
大規模データセンタ内の情報処理システムを図１に示す無線情報処理システム１０で構成することにより、災害に対する大規模データセンタの耐性を大幅に強化し、かつ高い情報処理性能を達成することが可能となる。
【００９７】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明により、高いロバスト性と高い通信効率とを達成することが可能となる。
【符号の説明】
【００９９】
１０…無線情報処理システム，  １００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００ｆ…サーバ
【図１】
0006440077.tif 000009
【図２】
0006440077.tif 000010
【図３】
0006440077.tif 000011
【図４】
0006440077.tif 000012
【図５】
0006440077.tif 000013
【図６】
0006440077.tif 000014
【図７】
0006440077.tif 000015
【図８】
0006440077.tif 000016
【図９】
0006440077.tif 000017
【図１０】
0006440077.tif 000018
【図１１】
0006440077.tif 000019
【図１２】
0006440077.tif 000020
【図１３】
0006440077.tif 000021
【図１４】
0006440077.tif 000022
【図１５】
0006440077.tif 000023
【図１６】
0006440077.tif 000024
【図１７】
0006440077.tif 000025