書籍概要

WEB+DB PRESS plus

クラウドを支える技術
──データセンターサイズのマシン設計法入門

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更新日

概要

「クラウド」の設計/構築/運用の基本にスポットを当てた技術解説書。
本書は，超大規模クラウドの一つGoogleのデータセンターを題材に，数千台のサーバを「1つのマシン」として協調動作させるための，一連のハードウェア＋ソフトウェア関連技術を厳選解説。
レイヤごとのポイント，コスト効率，消費電力，大規模な故障対策なども盛り込み，実稼働のシステムを支える基盤技術を丁寧に解き明かします。

Google規模のインフラを，ゼロから作り，実際に動かし続ける。
そこには，何が必要なのでしょうか。
巨大なクラウドを通して，エンジニアリングの源が見えてくる1冊です。

『The Datacenter as a Computer: An Introduction to the Design of Warehouse-Scale Machines, Second Edition』（Morgan and Claypool Publishers，2013）の日本語翻訳版。

こんな方におすすめ

  • 大規模システムに興味をお持ちの方々
  • コンピュータサイエンスに関心のあるエンジニアおよび学生の方々

著者から一言

※本書，前書き「日本語版に寄せて」より。

エレクトロニクスが大好きな子供としてブラジルで成長し，電気工学を学ぶ学生となった筆者は，日本の工業，とくにデジタルやコンピュータのテクノロジーの革新に関して日本の豊かな歴史をずっと尊敬してきました。このため，筆者達の著作の第2版が日本で広く手に入るようになることは，特別に名誉なことと感じています。
原著共著者を代表し，本書の翻訳にあたり英文を詳細にレビューし，日本語訳を作るにあたって，いくつもの誤りを正し，わかりやすい注釈を加えてくれた翻訳者のHisa Ando氏に感謝します。今日のクラウドコンピューティングサービスを実行するマシンの設計とプログラミングの入門書である本書が，日本の学生や実務家の方々の役に立つことを期待しています。

原著者を代表して　Luiz André Barroso

本書に関するお知らせ

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目次

  • 日本語版に寄せて（Preface to the Japanese edition）
  • 本書について（Abstract）
  • 第2版について（Notes for the second edition）
  • キーワード（Keywords）
  • 謝辞（Acknowledgments）
  • 読者の方々へ（Note to the Reader）

第1章　倉庫サイズのコンピュータの概要（Introduction）

1.1　倉庫サイズのコンピュータ（WSC）

1.2　規模拡大によるコスト効率

1.3　（WSCは）単なるサーバの集合ではない

1.4　1つのデータセンター vs. 複数のデータセンター

1.5　なぜ，WSCがあなたにとって重要か

1.6　WSCのアーキテクチャの概要

  • 1.6.1　ストレージ
  • 1.6.2　ネットワークファブリック（ネットワーク接続）
  • 1.6.3　ストレージ階層
  • 1.6.4　（WSCの記憶階層ごとの）定量的なレイテンシ，バンド幅，記憶容量
  • 1.6.5　電力の使用量
  • 1.6.6　故障に対する対処

第2章　ワークロードとソフトウェアインフラストラクチャ（Workloads and Software Infrastructure）

2.1　データセンター vs. デスクトップ

2.2　性能と可用性に関する道具箱（Toolbox）

2.3　プラットフォームレベルのソフトウェア

2.4　クラスタレベルのインフラストラクチャソフトウェア

  • 2.4.1　資源管理（Resource Management）
  • 2.4.2　ハードウェアの抽象化と他の基本サービス
  • 2.4.3　デプロイとメンテナンス
  • 2.4.4　プログラミングのフレームワーク

2.5　アプリケーションレベルのソフトウェア

  • 2.5.1　ワークロードの例
  • 2.5.2　オンライン：Web検索
  • 2.5.3　オフライン：学術論文の類似性計算

2.6　モニタリングインフラストラクチャ

  • 2.6.1　サービスレベルダッシュボード
  • 2.6.2　性能デバッグツール
  • 2.6.3　プラットフォームレベルの健康（正常動作）モニタリング

2.7　買うか，自作か

2.8　テイルトレランス（テイル耐性，長い尾を許容する）

2.9　参考文献

第3章　ハードウェアの構成ブロック（Hardware Building Blocks）

3.1　コスト効率の高いサーバハードウェア

  • 3.1.1　大型SMPの通信効率の効果
  • 3.1.2　強力（Brawny）サーバ vs. 非力（Wimpy）サーバ
  • 3.1.3　バランスのとれた設計

3.2　WSCのストレージ

  • 3.2.1　WSCの非構造化データ用ストレージ
  • 3.2.2　WSCの構造化データ用ストレージ
  • 3.2.3　ストレージとネットワーク技術の相互作用

3.3　WSCのネットワーク

3.4　参考文献

第4章　データセンターの基礎（Datacenter Basics）

4.1　データセンターの階層分類と仕様

4.2　データセンターの電力供給システム

  • 4.2.1　UPSシステム
  • 4.2.2　PDU（配電盤）
  • 4.2.3　代案：直流配電（DC配電）

4.3　データセンターの冷却システム

  • 4.3.1　CRAC，チラーとクーリングタワー
  • 4.3.2　CRAC
  • 4.3.3　チラー（Chiller）
  • 4.3.4　クーリングタワー（Cooling tower）
  • 4.3.5　外気冷却（Free Cooling）
  • 4.3.6　エアフロー（Air flow）に対する考慮
  • 4.3.7　ラック内，ラック列内の冷却と，コールドプレート（Cold plate）
  • 4.3.8　ケーススタディ：Googleのラック列内冷却
  • 4.3.9　コンテナ型データセンター

4.4　まとめ

第5章　エネルギーと電力の効率（Energy and Power Efficiency）

5.1　データセンターのエネルギー効率

  • 5.1.1　データセンターの効率を示すPUE
  • 5.1.2　PUEという指標の問題
  • 5.1.3　データセンターにおける効率低下の原因
  • 5.1.4　データセンターのエネルギー効率の改善
  • 5.1.5　施設以外の改善

5.2　計算処理のエネルギー効率

  • 5.2.1　エネルギー効率の測定
  • 5.2.2　サーバのエネルギー効率
  • 5.2.3　WSCの使用状況

5.3　エネルギー比例な計算処理

  • 5.3.1　エネルギー比例性の悪化要因
  • 5.3.2　エネルギー比例性の改善
  • 5.3.3　その他の部分のエネルギー比例性

5.4　低電力モードの有効性

5.5　エネルギー比例性にソフトウェアが果たす役割

5.6　データセンターへの電源供給能力

  • 5.6.1　適切な量の機器を設置する
  • 5.6.2　電源供給能力を超える消費

5.7　サーバのエネルギー使用の傾向

  • 5.7.1　蓄積されたエネルギーを電源制御に使う

5.8　まとめ

  • 5.8.1　参考文献

第6章　コストモデル（Modeling Costs）

6.1　設備投資

6.2　運営費

6.3　ケーススタディ

  • 6.3.1　データセンターのコストの現実
  • 6.3.2　一部しか使用されていないデータセンターのモデル化
  • 6.3.3　パブリッククラウドのコスト

第7章　故障と修理の対処（Dealing with Failures and Repairs）

7.1　ソフトウェアベースの耐故障性とそれがもたらすもの

7.2　故障の分類

  • 7.2.1　故障の重大さ
  • 7.2.2　サービスレベルの故障（Service-level fault）の原因

7.3　マシンレベルの故障

  • 7.3.1　マシンクラッシュの原因は？
    • DRAMのソフト（一過性の）エラー
    • ディスクエラー
  • 7.3.2　故障を予知する

7.4　修理

7.5　故障を隠すのではなく，故障に耐える

第8章　今後へ向けて（Closing Remarks）

8.1　ハードウェア

8.2　ソフトウェア

8.3　経済性

8.4　カギとなる挑戦

  • 8.4.1　急速に変化するワークロード
  • 8.4.2　応答性を確保した大規模システムの建設
  • 8.4.3　CPU以外の部品のエネルギー比例性
  • 8.4.4　デナードスケーリングの終焉を乗り越える
  • 8.4.5　残酷なアムダールの法則

8.5　まとめ

Appendix　［比較でさらに見えてくる］スーパーコンピュータとWSC（2種類の巨大コンピュータの似ている点，違う点）

A.1　どちらも倉庫サイズのコンピュータ

A.2　スーパーコンピュータは何に使われているのか

  • A.2.1　研究分野での利用
  • A.2.2　産業界での利用
  • A.2.3　スーパーコンピュータのユーザ

A.3　WSCとスーパーコンピュータのワークロードの性質の違い

  • A.3.1　科学技術計算の特性
  • A.3.2　信頼性，可用性に対する要件の違い

A.4　電源供給，冷却系

A.5　スーパーコンピュータのハードウェア

  • A.5.1　スーパーコンピュータの計算ノード
  • A.5.2　重要性が増すインターコネクト
    • WSCのインターコネクト
    • スーパーコンピュータのインターコネクト
    • ビッグデータとインターコネクト
  • A.5.3　スーパーコンピュータのストレージ

A.6　スーパーコンピュータのOSとソフトウェア

  • A.6.1　スーパーコンピュータのOSはOSジッタが問題
  • A.6.2　分散処理にはMPIを使う
  • A.6.3　運用管理ツール
  • A.6.4　アプリケーションソフトウェア

A.7　まとめ

  • 参考文献（Bibliography）
  • 索引（Index）
  • 著者紹介（Author Biographies）

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