論 文 

バーチャル天文台を実現する分散データベース・計算資源の国際連携機構
大石 雅寿Ý

白崎 裕治Ý

田中 昌宏Ý

川野元 聡Ý

本田 敏志Ý

水本 好彦Ý

大江 将史Ý

安田 直樹ÝÝ

増永 良文ÝÝÝ

石原 康秀ÝÝÝÝ

山崎 昭一ÝÝÝÝ

瓦井 健二ÝÝÝÝ

中本 啓之ÝÝÝÝÝ

小林 佑介ÝÝÝÝÝ

吉田 徳夫ÝÝÝÝÝ

 

            

         
                        !  "    
#  
!     
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ÝÝÝÝÝ



あらまし 天文学ではあらゆる電磁波の観測データが世界各地で化されており，これらを連携することを通じて天文学研究の大きな発展を目指すヴァーチャル天文台
計画が各国で進められている。日本でもすばる望遠鏡を始めとして各種カタログや画像などの天文観測データが化されており，これらを国際連携に基づいて活用するための計画を進めている。
我々はプロトタイプ構築を通じてを構築するための基盤技術を蓄積し，実用的な時間内で複数のデータベー
スを検索することを可能とした。
が世界各国で構築されているが，これらが相互に保持するデータや計算資源を利用できるようになると天文学の研究手法が激変しうる。それぞれの同士でデータや計算資源を相互利用するためには標準プロトコルの制定が必須であり，我々は主として分散に対する統合検索言語の標準化に貢献してきた。また各資源の所在や内容を表すメタデータ形式，その交換法等についても標準化が進んでいる。
我々はこれらの標準プロトコルを用いたのプロトタイプを設計・実装し，他国のとの連携に成功した。
本システムはデータグリッドの良い例である。















キーワード 天文学，メタデータ管理，グリッドコンピューティング，国際連携，標準化， など次々と  級大型望遠鏡が稼働をはじめに始め，観測データを大量に産出する時代を迎えた。衛

国立天文台のすばる望遠鏡を始めとして，世界では星による観測データも合算すると，天文学研究に利用できる観測データは数値データとして年間

Ý 国立天文台データベース天文学推進室

         

ÝÝ 東京大学宇宙線研究所



 

             ÝÝÝ お茶の水女子大学

解析することによって，現代天文学に残された多くの謎

宇宙の暗黒物質の解明，宇宙ひもの存在の検証，

宇宙における生命誕生の解明など     ÝÝÝÝ 富士通株式会社

 の規模で増大する。これらの様々な波長のデータを同時が解明されると期待されている。しかし，従来の手作業を主体とした!  "  #

データ解析手法に基づく研究ではこの膨大なデータを$  %&  &    ' "  #

迅速に処理することは極めて困難であり，現代天文学ÝÝÝÝÝ 株式会社セック

電子情報通信学会論文誌

    年  月

電子情報通信学会論文誌の謎の解明に至るとは到底考えられず，高性能な計算機資源を活用した新たな情報処理技術を天文学に導入   

プロトタイプ  の構築      の採用による性能向上

することが必須である。
一方計算機技術，ソフトウェア技術，および通信技
術がここ数年間に急激に進歩した。天文学でも

技

プロトタイプ第版でのジョブ起動には& 〜 秒程度かかっていた。その理由はプロトタイプで使用合的に研究することが夢物語ではなくなる時代が目前    & ! &" の '()( コマンドの仕様にあった #*$。このコマンドでは固定値として  秒の待ち時間がソースコードに組に迫っている。大量の天文観測データの蓄積と高度情み込まれており，これが大きな待ち時間を生み出し術発展の影響は大きく，世界中に蓄積された大量の天
文観測データを瞬時に検索・取得して高速処理し，総したらに情報学において発達した最新技術と天文学を融合

& は '+ を実現することを主眼に設計されている。従って
長時間の ,- 時間がかかる巨大 ,- ジョブを走らさせることにより，天体の諸現象等について総合的にせる場合にはたかだか数研究できる理想の姿が実現しようとしている。

きな問題にはならない。しかし準リアルタイム性を求報通信技術の融合により，世界中に蓄積された多波長の観測データをまとめることが可能な時代となり，さた背景となっていた。そもそも秒のジョブ起動時間は大  に及ぶ膨大な量の観測データを解析して，口径  の  望
遠鏡や ， といった欧米の  クラス望遠

な障害となってしまう。我々は鏡との激しい国際競争の中で現在天文学に残された謎

縮してもジョブ起動に必要な待ち時間はを世界に先駆けて解明するためには、我々がこれまでか短縮できなかった。このことから野辺山にある電波望遠鏡やすばる望遠鏡で培ってきた

る限りジョブ起動を短縮することは困難であると考えデータ解析技術をられた。

すばる望遠鏡が毎年算出する

  や  を始めとする技術を + の場合にはこの待ち時間は大き& のソースコー
ドを解析し，この待ち時間パラメータを  秒にまで短
められる

数秒にし

& を利用すこれらの科学的要求を実現するため，我々は近年発&スされていた      ! " #*$に含まれている + ./ を活用する方針を取った。 + ./ は基本的に 0 ./ と同じである。よく知られているように 0 / は 1(
2 が存在しても多くの場合は空いている ,  に展が著しい情報学の研究成果と大量観測データを生みよって通信が可能である。実装の結果，ジョブ起動に駆使することにより高度化した分散データ処理システ
ムとして発展させ，かつ，大量観測データの供給源となるデータアーカイブシステムに合体させたサイエン
ス・アーカイブシステムとして再構築することがカギとなる。

出す最新の望遠鏡技術の融合として  
 !" の構築を進めてきた。 は国

内にとどまらず世界中に分散している天文データアー
カイブ・データベース! " やデータ解析機能をを連携させ，いつでもどこからでも天文学を推進することが可能な研究基盤を構築することを目的としている。

 プロト# $% #&$% #$ では連携  への容易なアクセスが可能となったが，各ジョブの起動に & 〜 秒
これまでの研究開発において構築した

タイプ第

版

そこでプロトタイプ第 版の製作においては，リリー必要な待ち時間が数ミリ秒となり% + 環境に対応する実用システムの開発が可能となる目処がたった。

プロトタイプの構成%る際に必須となる検索言語 ! 3 ''"の汎用パーサー%  で実行される各ステップの実行
手順を自動的に作成するスケジューラー， を構成する計算資源の探索に必要な 45 メタデータ検索
実用システムで利用可能な データベースを連携す程度かかるという問題点があった。本論文では，この機能，等を新規に設計・実装した。図

問題点を解消して実用に耐える機能を実現し，また，プのブロック図を示す。

同様の計画を進めている他国の との間で相互にデータベース連携，データベース検索を可能にしたことについて述べる。

にプロトタイ における処理の流れは以下のようになる。ま のユーザーインターフェース !0ブラウザ" 上で行いたい検索命令を 3 で記述する。3 を構築するエディタがあるのでこれを利用するのが最も簡便であるが，3 !.3" をず，利用者は

論文／

  バーチャル天文台を実現する分散データベース・計算資源の国際連携機構
エア（全てフリーソフトウエア）を用いた。

¯

 : 可能な限り多種多様なプラットフォーム

上で動作するために採用¯

;4< :  標準スキーマから各種 クラスを生成するために使用,'.3 : データベース管理;/= ;4 .% / : 0 ./ や. の構築¯ >5 ライブラリ : 天球座標の特異点を排除して天球領域を検索するためのライブラリ。米国 =>8 大学で開発した #?$。
¯
¯



図



 プロトタイプ  の構成。本プロトタイプは他
国  と未接続である
                           

メタデータ交換の仕組み システムはアクセスするサーバを利用者の要求に従ってダイナミックに変化させる。この時に極めて重要な役割を果たすのがメタデータ情報を格納しているレジストリである。プロトタイプ

ではレジスト知っている場合にはエディタの編集画面で直接入力す- !- /% / +
'" によって構築したが，- では複雑なることも，既存の命令文を編集することも可能であ構造を持ちうる天文用レジストリを記述するためにる。命令が完成したら利用者はこれをは不十分であることが分かり，プロトタイプ

る。

いた

リを

66する。

 された 3 は 3 パーサーに渡され3 に対するパーサーは，将来の機能向上時において再実装する手間を最小限にするため 
!  " を利用して構築した。このパーサーは 3 によって要求される機能を遠隔& ではレ

45 データベースによって構築した。用45 5 . は商用の ;;;#@$ であり，ジストリをオンメモリで処理を行うため極めて高速なアクセスが実現された。このメタデータも時間とともに変化する
ため，メタデータの交換のための仕組みが必要となる。

ブはデータベースサーバーに渡されて検索が実行され，我々はこれを ; (,5> ! ;/= 
,/ A 5+ >'" #B$ によって実現した。; (,5> は >, プロトコルを利用しているので 12 が存在しても多くの場合は空いている,  によって通信が可能である。レジストリデー
タ交換の概念図を図 & に示す。後述するようにこの機構は， と海外  間でのメタデータ交換においその結果はても使用されている。

地に存在する分散データベース内の個々のテーブルを検索するための7 .3 に分解する。スケジュー

ラは利用者からの要求機能を持つサーバーを後述する
レジストリに問い合わせて解決すると共に必要な処理
ステップを

28 92 として構築する。そしてエグゼ

キューターが個々のジョブを実行する。これらのジョ 形式で返される。ユーザーイン
ターフェースでは 45 形式である  を人間

バの検索結果を用いてクロスマッチ処理をしなければデータ転送機能は  が提供する 1 !( 1 A" と . :.1. ! + ./ (
A/ : ./ 1 . "#$ によって実現した。1 は複数の転送チャネルを同時に張ることならない。こういった場合は検索結果が返されてからができるので，総合転送性能が高いがセキュリティを

スケジューラがクロスマッチ処理を行うための確保できない。

にとって見やすい形式で表示する。天球上の同じ天体からの異なる波長情報を引き出す場合などは複数サー2892 を構築し，エグゼキューターに実行を依頼する。

. :.1. はセキュアなデータ転送が可能で，かつ，事前のマウントが不要なシステムであの場合と同じる。しかし，サーバとクライアントが一つのマシンに

プ ロ ト タ イ プ を 実 装 す る に あ たって は ，上 記 のポータルへの一方通行での利用に限定せざるを得な

これらの流れは基本的にプロトタイプ
である

# $。

 や  8  以外に下記のソフトウ併存できないため， ではデータサーバから かった。天文データベースは多くの場合公開されてい電子情報通信学会論文誌

図  

   

! 宇宙望遠鏡で取得された重力レンズ天体
!! " の画像。円弧の一部が所々に見えるが，これらが重力レンズ効果によって作られた遠方銀河の像である。

図  レジストリ情報交換の概念図

          

るものであり，かつ商用価値はないに等しいのでたと #   $ %  !! & ' (!!  "( )   ! *  +!,  *% !  ,!)      - ( .          
!      $ %  ! &

え盗聴されても問題はない。そこで観測データの転送には主として1 を使用した。

  の実用性の検証

他国の  との連携

天体は空のあらゆる方向に分布しているが，日本か プロトタイプ & を用い、天文研究がどれだけ

ら観測可能な天域は限られている。有名なマゼラン星

加速できるかを調べるため、「宇宙紐」による重力レ雲（大マゼラン星雲，小マゼラン星雲）は日本からはンズ二重像を実際の観測データを用いて探すことを見えず，観測を行うためには南半球に行かなければな試みた。宇宙紐とは，宇宙が誕生してから
温度

*)

()

秒，

 の頃に存在したとされる素粒子の素である。数学的な点ではなく，大きさをもち，太さは++ 以下だが，宇宙の大きさほどの長さがあり，8 の長さで地球と同程度の質量を持つとされていらない。また地上で観測が可能な波長域は，その波長:域において大気の透明度が十分高い場合だけ 即ち，可視光線，波長:&  前後の近赤外，及び波長約  よ4 線，紫外線，中間り長い電波 である。これ以外の赤外，遠赤外域の電磁波を用いた観測は衛星によってる。しかし未だ存在する観測的証拠は見つかってい大気の外から実行しなくてはならない。以上のことかない。この宇宙紐が存在するならば，その巨大質量ら，世界中に天文台が存在し天文データベースが構築によって紐の周囲の空間が歪み，通過する光はあたか

されている背景が理解されるであろう。

もレンズを通過する時のように屈折する。これが重 に重力レンズの観測例 #C$!+D 7;.;% .;% ;+2 1/= !../ "%+ =   !../ "" を示した。
力レンズ効果である。図

従って宇宙紐の存在は重力レンズ効果による二重像が一次元的に並んでいる天域を見いだすことに帰着さこれまで天文研究者は自らの研究に必要なデータは，取得可能な天文台に赴いて観測を実行して取得していた。しかし高速ネットワークで接続されたることが可能となる。
しかし，その目的を達成するためには，世界各国でれる。すばる望遠鏡で取得したサーベイデータを用い構築が進められている

た二重像候補探索は，従来の手法では数時間以上かか用する必要がある。

る。しかし，同様の探査を で行ったところ約 

分で探索が終了した。宇宙紐の発見には至らなかった を用いればいつでもどこにいても必要な観測データを入手す 間で標準のプロトコルを使  国際標準の策定
現在@ の国と地域で   構築プロ

ものの，情報技術を天文学に導入することが当初の予ジェクトが進行している。これらが相互接続されると

想通り，天文学研究の進展にとって極めて有効である

居ながらにして世界中の観測データにアクセスできる

ことが示された。

環境が整うこととなる。そのためには個々の



 間で

論文／

  バーチャル天文台を実現する分散データベース・計算資源の国際連携機構の各種データ形式や通信プロトコルを標準化すること
  ;/ ! ;"# $ が結成されているが，我々も ; に当初から参加し，標準が必須である。これらの標準化のために

クトルデータに対する要求を記述する..;, !.

./ ;// ,/" や時系列データを扱うた. !./( +" # *$ を定めつつめのある。
これらの各種プロトコルは現実的な選択としてデー化に貢献してきた。

; にはレジストリや連携検索言語を始めとする
 つの 08'  があり，それぞれ標準化活動の観点で考えると，単一の検索言語であらゆる種類のを進めている。これ以外にも，標準化活動は要求され天文データにアクセスできることが望ましい。我々がていないが提案している の活用に取って重要なテーマについて議論する   があり，理論シミュレーショ

タの種類毎に定義されている。しかし

 の利用者

3 には既にこの考えを取り込み，データベース内の各属性値のみならずデータフォー!1 .% % , 等）やデータ種別 !画ンデータや各種天文アプリケーションについて活発なマット

意見交換が行われている像，スペクトル，データキューブ等）をも仮想的なずつ# $。 ; では 年に & 回 関連研究者が一堂に会して標準化について集;  08= を中的に議論する

開催している。

我々は，これまでに定義した 3#&$ を ; 08= において世界標準として提案した。連携検索言語の提案は大別して & 種類あった。一つは 3 と同様な .3 の拡張としての連携検索言語であり，もう一つが 45 による検索言語である。それぞれ長所や短所があるため活発な議論が交わされ，現実的な選択として .3 の拡張である3 を基礎とする天文用連携データベース検索言語が策定された。これは ;3 !;/ 3 ''" と呼ばれており，0 ブラウザでの入力等に使用される ' 形式の表現 !;3E" とそれと等価であるが 45 形式で表現される ;3EFが標準化された。;3EF は各  を構成するマシン間の通信の際に主として使用される # &$。;3 は
現状ではカタログ  への検索に限定されているが，それでも ;3 は日本だけでなく，米国，英国及び欧州の各  に組み込むこととなった。
一方カタログ以外の画像等については ; の ;! ;//  " グループが標準化を進めてきた。
画像サーバに対する要求は . ;, !. ' ;/(/ ,/" によって行う # $。. ;, は天球上の領域等を指定する複数の検索パラメータを >, の メソッド等で送信することにより、取得可能な画像データへのアクセス方法やそのメタデータを  におけるデータ交換の標準フォーマットである 

属性値とみなして検索できる言語:3  &!3&":を提案している #&$。 ; では & @ 年
から 3& に基づいて統一検索言語について議論を開始することとなっている。



プロトタイプの構築 と他の  を接続するため，プロトタ& の基本構造を維持しながら先に述べた国際標準
プロトコルを実装するプロトタイプ  を構築した。プ
ロトタイプ & と  の主たる相違点は，標準プロトコルを受け取るためのゲートウェイ !.8 7+" を導入したことである。.8 7+# @$ は ; で標準化され我々はイプているカタログアクセス機能を提供するサーバである。
しかし我々は各種アクセスプロトコルを統一的に扱う

3& を提案しており，プロトタイ
 に 3& を実装してその有用性を世界に提示することが今後の  の発展にとって極めて重要であると考えた。そこで我々は .8 7+ を独自に拡張し，;3 のみならず . ;, や ..;, 等も処理できるよ
うにした .8 7+( を実装することとした。図 * に.8 7+( のブロック図を示す。
.8 7+( は  への各種検索要求の窓口となる。
一方  内部では検索言語として 3& を用いる。
 ポータルに直接アクセスする利用者は 3&
ことが可能なプ

によって検索要求を記述することとなるので問題は>, は ,  を通じた通信であるので，12; 標準を実装した海外の  から;3EF% . ;,% ..;, によって行われる。そこで我々は ;3EF% . ;,% ..;,を 3& に変換するプロトコル変換モジュールを .8 7+( 内に実装した。3& は ;3E%. ;,% ..;, の上位互換に当たるので，この変換は困が導入されていても多くの場合通信可能であるという難ではない。

として取得することができる。先にも述べたように利点がある。

; グループは . ;, 以外にも，スペない。しかしのアクセスは，当然，

図@ に .8 7+( のバックエンド部のブロック図
電子情報通信学会論文誌
表

+!
波長
6線
赤外線
電波

   

カニ星雲データへの検索時間+  2    

 3  !

サーベイ名 サーバ3  
8 **
&

プロトタイプ  %      !  !  時間 4秒5

7 0
09
7 0

 を用いてどの程度の時間で世界のサーバーに存在する天体データを取得できるかを調べるため，カニ星雲の4 線，赤外線，電波のデータ取得3& は以下のを試みた。取得に際して使用した
図 / 内外とのゲートウェイになる *), のブロック図。複数のプロトコルを受信できるように内部にプロトコル変換機構を実装している。

 /*      *), *),      ! !     ! !   !ものである。

 サーバ
    
各波長にサーバに対する検索時間を表にまとめた。ここで表示しているのは複数回のアクセスを試みた中での最短時間である。

4 線や赤外

これらの検索を複数回繰り返してみた。
図 0 *), のバックエンド部分のブロック図。
 0*       1 ),  *),

.8 7+( のプロトコル変換モジュールを通  を介して適切なデータを示す。

過したアクセス要求は

線画像の取得時間には大きな差は見られなかった。しかし電波画像の取得時間は多くの場合
たが，時として? 秒ほどであっ 秒程度かかることがあった。この

電波画像サーバは著名な公開画像サーバであるので，サーバへの負荷によってアクセス時間が時として変動する可能性が考えられる。しかしながら米国の東海岸

検索対象のデータを!>+ : マサチューセッツ州"，中部 !7.; : イ
リノイ州"% 及び西海岸 !/= : カリフォルニア州"

ル変換モジュールによってに分布する各サーバへのアクセス時間がほとんど待ち

ベースサーバに伝えられる。各データベースサーバは，

  に返し，さらにプロトコ 標準のデータ形式である  に変換され，各  の利用者に返されることとなる。

 にどのような資源があるのかを記述するメタデータ交換機構は，先に述べた ; (,5>なお，世界の

時間がないと言える時間であることが明らかになり，
国際的に連携した が天文研究に有用であることが分かった。

を利用したものをそのまま用いた。



連携試験結果：

海外 

上記各機能を組み込んだプロトタイプ

 は，& * 年

& 月から動作し始め米国等の  との連携が成功した。本論文執筆時点 !& @ 年 月" で，日本% 米国，フランス，カナダ，スペインの各サーバのメタデータを

 のレジストリサーバに取り込むことができている。 は英国においても構築されているが，英国のプ
ロジェクト !; + # B$" では ; 標準を独自に拡張した ; ! F/ ;/=/"

連携試験結果：海外 

 から海外  にアクセスするだけでなく，海外  から  に登録されているリソースが見えるかどうかの確認を行った。確認作業は，英国 ;(
+ # B$ のレジストリブラウザ及び米国 7# ?$ の./= ' に  のリソースが登録されていることによって確認した !図 B"。この画面は下記の- にアクセスすることによって確認可能である。

を使用したゲートウェイになっているため取り込めて!!"#$$ %& '(!' ) '*+,#$'(!  &(! %$. /( 0("12 (3452 6' !02

いない。

このことから， と海外  との間における各

論文／

  バーチャル天文台を実現する分散データベース・計算資源の国際連携機構段利用している各種解析ツールも の上で利用できるようにするための共通インターフェースの開発が求められている。今後はこれらの課題を踏まえながら

;4;E .;. のデータベース接続も含めた大規模な実用  システムの構築を進め，天文学におけるデータ
グリッド機能の実現によって多くの天文学的成果が出ることを体現に取り組んでゆきたい。
最後に の基本的機構は，天文学にとどまらず，

データベースを活用する他の研究分野にも応用可能であることを指摘しておきたい。研究分野ごとにデータ
ベースに格納している属性値やデータ保護の考え方は異なるが，巨視的に見れば共通の枠組みが利用できると考えられる。
謝辞
これまでの研究開発を支えていただいた国立天文台スタッフの方々に深く感謝致します。本研究は，文部科学省科学研究費補助金特定領域研究「情報学」! @ ?&C% B B&C&" 及び独立行政法人日本学術振興会先端研究拠点事業による支援を得た。
図 9 $  のレジストリブラウザから  のリ
ソースを見たスナップショット。

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種リソースの共有機構が確立できたことが分かる。

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まとめと今後の方針

プロトタイプ では，これまでの開発で構築した3 を始めとする成果だけでなく，国際連携に基づき他国の  プロジェクトと共同開発した各種プロ
トコル !例：. ;, : . ' ;// ,/"をも取り込み，海外  との連携試験に成功した。海外  への検索時間は長くても 分以内と十分に実用に耐える待ち時間であることが分かった。これにより世界の 間での相互の各種計算機資源 !データ，

サーバ機能等）が可能となる。
しかしながら課題もある。現状での計算資源共有は
公開データベースに限定されている。

 を利用する


ことが普及すると，公開前の自分の観測データもで処理したいという要請が出てくると予想される。この場合は，商業的価値がないとは言え，データの学術的な価値や観測提案者のアイデアを保護するためにもセキュリティ面に配慮したシステムに進化させる必要がある。また，研究を進めるためには天文研究者が普文

献: ; 田中昌宏( 白崎裕治( 本田敏志( 大石雅寿( 水本好彦( 安田直樹( 増永良文，< プロトタイプシステムの開発<(
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3@9,3,>( >>/ 年  月:; 白崎裕治( 田中昌宏( 本田敏志( 大石雅寿( 水本好彦( 安田直樹( 増永良文，<天文学 1 用検索言語仕様の考察<(
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水 本 好 彦( 安 田 直 樹( 増 永 良 文 ，< の 研
究 開 発 ,プ ロ ト タ イ プ の 概 要<( =*>>/(?@@...  @@@=*@  @>>/@ @#,A@#,A,>0( >>/ 年  月:/;?@@...! @:0;
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