基于机制设计理论的云计算资源分配定价研究

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英国数学家、计算机科学家图灵于1936年发表的传世论文《论可计算数及其在判定问题中的应用》从理论上证明了制造出通用计算机的可能性,在此基础上美国科学家冯.诺依曼确立了计算机的基本结构和工作方式。计算机的发明被认为是20世纪里程碑式的重大事件之一,它推动了人类的文明进入了一个全新的高度。此后,微电子技术的进步,通讯带宽的更快增长、包交换、鼠标、TCP/IP协议、WWW等技术使计算机经历了从20世纪60年代的大型机时代到70年代的小型机时代、80年代的个人电脑和90年代以超链接、超文本传输协议为代表的互联网时代。互联网将世界范围内的企业、个人连接起来,互联网上的内容爆炸式的增长,计算机软硬件资源更多的以服务的形式通过互联网被用户访问,而这些网络服务都需要海量的存贮和强大计算能力来满足日益增长的业务需求,云计算理念就这样应用而生  云计算理念提出之后,面对广阔的市场发展前景,世界各国,尤其是发达国家,针对云计算的关键技术研发、示范应用以及人才培养纷纷出台了一系列相关扶持政策,加速本国云计算产业和云基础设施的服务化进程,从而努力在新一轮全球云计算产业发展中抢占制高点,云计算已发展成为具有上万亿规模的巨大市场。伴随着云计算市场的迅猛发展,学术界和企业界都开始投入巨大的精力展开对云计算的研究。通过对文献的梳理,可以发现目前云计算的研究大多都集中于云体系结构、云计算安全、云存储、云数据管理、虚拟化、编程模型、标准化、并行计算和开源等云计算关键技术和云计算应用方面,然而关于云计算资源分配定价策略的研究还为数不多,也不够深入。尽管有部分国内外云计算企业和学者已经开始重视研究云计算经济方面的问题,但总体来说云计算资源分配定价研究目前还处在初级阶段。  云计算作为一种新型的计算模式正逐渐成为信息产业的最新发展趋势,云计算以其易扩展、按需付费使用的特点迅速吸引了大量的用户,通过云计算,用户可以专注于核心业务的创新,而无需关注计算资源的部署位置和维护个性化管理。国内外著名IT公司如谷歌、亚马逊、微软、百度、阿里巴巴都推出了自己的云计算服务平台。目前云计算市场环境下的交易机制缺乏灵活性,并且大多数云服务企业资源分配定价策略的研究和应用还处于初级阶段,大多数采用单一的固定定价模式,只是从云资源服务商角度来考虑云资源的分配定价,很少从用户的角度讨论云计算资源的分配定价以及云计算市场长远发展的考虑。因此,如何对云计算资源分配定价,已逐渐成为目前云计算领域的一个研究热点问题。  为此,本文在上述背景下,通过研究国内外各大云计算服务提供商的资源分配定价策略,梳理和参考云计算相关的文献,分析云计算市场的特征和属性,创新地提出了基于机制设计理论来解决云计算资源分配定价问题,构建了静态环境下和动态环境下的私有云和公有云资源分配定价模型,并设计了相应的资源分配定价机制,力求为云计算服务提供商的实际运营提供更为合适的资源分配定价模式和市场策略。  基于现有研究的不足和云计算服务市场的实际情况,本文的工作内容点如下:  1、全面梳理了国内外云计算资源分配定价的研究现状,总结了目前云计算资源分配定价存在的问题和缺陷,通过经济学中的机制设计理论,以云计算资源服务提供商和云用户作为机制参与人来研究云计算资源分配定价问题。  2、全面总结了机制设计理论,特别是对处于机制设计理论研究前沿领域的在线机制设计理论进行了比较系统、全面的分析和综述。  3、针对静态环境下私有云资源分配定价问题,以私有云最大化资源价值为目标,提出基于VCG机制的私有云最优资源分配定价机制。利用VCG机制的分配规则与支付规则,把最优资源分配算法归约为分组0-1背包问题,把支付规则归约为n次分组0-1背包问题,同时针对不同的价值函数,提出不同的用户私有信息表达方式。  4、针对企业或者组织内部处于随时来也可以随时走的动态环境下的私有云资源分配定价问题,构建了一个在线私有云拍卖框架,支持能够随来随走的不同用户的工作任务要求。基于此框架,利用在线机制设计理论,提出了一个能保证参与者报真实类型的在线机制,并证明了该机制满足个体理性与激励兼容特性。  5、针对当前静态环境下公有云计算资源分配中将定价和信任相结合研究的不足,研究基于组合双向拍卖和信任的多公有云计算资源分配与定价算法,从价格和信任两方面来衡量云计算资源提供商的“综合竞争力”,激励综合竞争力高的云资源提供商获得更多的效用,实验仿真表明该算法满足激励兼容性和交易效用可激励云计算资源提供商提高综合竞争力。  6、针对多云提供商和云用户设计动态环境下的在线双边拍卖机制ODAC,提出和实现相应的分配和支付算法,并设计仿真实验表明本机制在提高交易成功率和实现公平定价方面均优于传统静态环境下的以价格为基础的匹配机制。  本文是采用经济学的机制设计理论研究计算机学科的云计算资源的分配定价问题,是一个涉及计算科学、经济学、博弈论的交叉学科的综合创新研究,在云资源分配定价与机制设计理论方面具体有以下创新:  1、总结国内外关于云计算资源分配定价的研究现状,把云资源服务商和云用户作为理性的、智慧的、自利的参与者,利用经济学中的机制设计理论来研究云计算资源分配定价问题。  2、为不同机制运行环境构建云资源分配定价问题的一般化模型,形式化定义了云用户服务需求,设计了用户报价语言。  3、在私有云与公有云环境下设计激励兼容且计算有效的静态和动态资源分配定价机制。  在目前云计算资源分配定价机制比较固定单一的背景下,本文基于静态环境下的离线机制设计理论和动态环境下在线机制设计理论对云计算资源分配定价问题所做的研究成果对云计算的研究与应用具有一定的参考价值。
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