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云环境下基于组合双向拍卖的动态资源定价
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第38卷 第8期 V01.38 ・计算机工程 2012年4月 April 2012 No.8 Computer Engineering 软件技术与数据库・ 文章编号:1000___3428(2o12)o8—IJ019___03 文献标识码:A 中图分类号:TP391 云环境下基于组合双向拍卖的动态资源定价 胡志刚,刘艳 (中南大学信息科学与工程学院,长沙410083) 摘要:云环境下的市场交易机制缺乏灵活性,且在某些情况下定价不合理。为此,提出一种基于组合双向拍卖的动态资源定价模型,给 出云资源分配与定价算法,用户通过响应时间出价,资源提供商根据负载情况要价。仿真实验结果表明,该算法与固定比例的定价算法相 比,能提高18%的用户利益与9%的资源提供商利益。 关健词:云计算;响应时间;预算;组合双向拍卖;资源定价 Dynamic Resource Pricing Based on Combinatorial Double Auction in Cloud Environment HU Zhi-gang.LIU Yan (School ofInformation Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China) [Abstract]Currently market trading mechanism in cloud environment is inflexible,and the price is not reasonable enough in some situation. Aiming at at this problem,this paper proposes a new dynamic resource pricing model based on combinatorial double auction,and gives the algorithm of cloud resource allocation and pricing.The users determine their price according to the amount of respond time,and the resource providers ask price considering the workload of the system.Simulation experimental results show that the proposed algorithm is better than the ixed fpricing algorithm.The profit ofuser is increased by 18%and the profit ofresource provider is increased by 9%. [Key words]cloud computing;response time;budget;combinatorial double auction;resource pricing D0h 1O.3969/j.issn.1000—3428-2012.08.007 1概述 云计算l】J被视为科技业的下一次革命,它带来了工作方 式与商业模式的根本改变,使用户与计算资源的管理相分 离,当用户需要使用资源时,只需要以付费方式从云资源提 供商处获取资源即可。目前绝大多数的企业,包括Amazon、 IBM、Google和微软等,均采用一种固定比率的定价模型。 这种定价模型存在一些不合理情况:当资源负载较低时,资 源浪费比较严重;而当资源负载较重时,用户的某些服务请 求可能会被推迟较长时间。这种定价策略采取的收费标准是 根据使用时间和资源量来收取的,从用户角度来说,完成一 次服务变得很昂贵。因此,如何为资源定价成为一个亟待解 决的问题。本文综合考虑用户和资源提供商双方的需求,提 出一种云环境下的动态资源定价模型,并在此基础上设计了 相应的资源定价算法。 模型,同时也为该模型提出了一种定价策略。 上述研究主要存在下列不足:(1)没有充分考虑用户的服 务质量(Quality of Service,QoS)需求,致使用户无法客观评 价云资源提供商所提供的资源;(2)由于用户的目标是在满足 其QoS需求前提下尽可能减少花费,而资源提供商的目标则 是最大化资源收益,因此缺乏共同的参考指标来使交易双方 所追求的目标在同一模型中求解。 本文在综合考虑用户任务响应时间和价格因素的前提 下,提出一个基于组合双向拍卖机制的资源定价模型。该模 型可以灵活调节交易双方的出价,并将效用函数作为用户和 资源提供商共同的参考指标,同时通过调节买卖双方的出 价,可获得更高的资源利用率和请求成功率。 3云环境下基于组合双向拍卖的动态资源定价 3.1云资源定价模型 假设云环境中有 个资源提供商,用集合C={CI, G,…,c }表示,每一个资源提供商都由一个资源提供商代理 表示。假设有k类资源进行交易, ,=(a a 一,a )为资源 提供商代理C,提交的组合资源包,其中, i=1 2相关工作 在云环境中,已有很多有关资源定价方法的研究[2-51。 Amazon EC2和Microsoft Windows Azure对计算资源的使用、 存储和数据传输均采用固定比例的定价策略。近来,Amazon EC2又提出了竞价机制,它根据资源的供求关系来确定价 格。文献[2]提出了一个多回合的基于组合拍卖的出价策略。 组合拍卖主要侧重于用户,对资源提供者的利益考虑较少。 文献[3]提出了一个新的云资源分配和定价策略,在满足预算 和截止时间约束下,用户可以预测将来的资源价格。文献[4] 提出了一个联邦云的动态资源定价机制,适用于合法用户请 求多种类型的资源。文献[5]建立了一个统一、完全竞争的云 市场,并为该云市场定义了一个基于贝叶斯的双向拍卖定价 为第i类资源的 数量。a,的报价为askbase,,askbase,=∑eijP 其中,eij∈ {0,1},eii=I当且仅当日 ≠0;P 表示a,中单个资源单位价 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60970038) 作者简介:胡志M ̄(1963一),男,教授、博士生导师,主研方向:网 格计算,并行计算;刘艳,硕士研究生 收稿日期:201l一06—15 E-mail:276693797@qq.corn 20 计算机工程 2012年4月20日 格,由资源提供商灵活设定。 假设有m个用户申请资源,用户集合U={ ,U:,…,Um}, 每一个用户都由一个用户代理表示。每个用户代理向云市场 提交一个或多个独立的任务请求,假设在时间 内,所有用 户代理总共提交 个任务,任务集合Q={0l,02,…, 1。每 个任务用一个五元组表示,即 =(budgeti,starttime ̄,runtimei, deadlinei,demresourcei),budgeti为预算,指完成Q的总花 费不能超过budget ;starttime{表示 的提交时间;runtimef 为 的运行时间;deadline ̄为 的截止时间;dem—resource, 为完成 所需的组合资源包,dem—resourcei=(dem—res'ourc ̄ , demresource2 一,demresourcek )。其中,dem—resource 为 第W类资源的数量。用户对demresourc ̄出价的底价为 bidbasei,bidbasei为demresource ̄中单个资源单位价格之 和。maxrespondi表示用户允许Q响应时间的最大值,且 maxrespond ̄=deadlinei—starttime ̄一runtimei。 本文的组合双向拍卖模型由多个用户代理、多个资源提 供商代理和一个云市场拍卖师组成。用户代理负责将用户的 任务请求及出价发送给云市场拍卖师,资源提供商代理把资 源提供商拥有的组合资源包及要价发送给云市场拍卖师,云 市场拍卖师则负责搜集用户代理和资源提供商代理对资源的 出价,通过运行组合双向拍卖算法来决定获胜的用户代理和 资源提供商代理,并将拍卖结果通知参与这次拍卖的用户代 理和资源提供商代理。 用户的目标是在截止时间之前以尽可能小的花费完成服 务,资源提供商的目标是最大化资源的收益,因此,资源提 供商代理可能会提出更高的要价,而用户代理则会给出较低 的出价,同时他们都受其他竞争者约束。 3.2动态定价函数 假设在t时刻,用户代理向云环境提交了Q,C 的当前 工作负载情况可以用,0 表示,则: loadtj —resused' , (1) resmax其中,resused ̄表示在t到deadlinei内被其他接受的任务使用 的资源数量之和;resmax 表示C,的资源数量最大值。由于 C 的资源是一个组合资源包a ,由k类资源组成,为了方便 计算资源数量,将 =1,2,…,后;J=1,2,…, )设为口 的比例 系数。因此,a 的数量number(a )的计算公式为: t number(a,) (2) f I 其中, 为aj中第i类资源的数量权重,满足0≤ ≤1且 ∑ ,:1,其实际数值可根据系统使用偏好设定。 i=l 假设在,到deadline ̄时间段内,Cj接受其他任务使用的 组合资源包为bj=(bl , ,…, ),根据式(2),可将式(1)改为: ^ ∑% load ̄= 一 (3) ∑%口 f l 由于C,的组合资源包aj中的一部分资源6,已经被其他 任务使用,因此假设在,时刻,C 的组合资源包aj=aj-6,, 即对任意的iE{1,2,…,k),J∈{1,2,…, ),有aij=aij- 。 假设资源提供商代理c 为了确保被接纳的用户任务都 能够按照用户的要求正常完成,c 在t时刻的要价ask' ̄和其 当前工作负载情况load ̄呈正比,即当 a 增大时, 也 增大,反之,则册尼 减小。于是可得如下公式: 七 askbasejx(1+(1oad ̄) ) (4) 其中, 表示工作负载对要价的影响程度,满足0≤ ≤1, 其具体的值由系统灵活设定。 为了满足用户任务的响应时间要求,确保用户提交的任 务能够在截止时间之前完成,假设用户任务Q在f时刻的出 价bid[和其响应时间respon ̄t成正比例关系,即当respond[ 增大时,bidit也增大,反之,则bidf减小。于是有: bid[:bidbase ̄×(1+(—竺 ! _) ) (5) max—responai 其中,responds'表示Q的响应时间,它是一个动态变化的值, 由系统当前时问减去 的提交时间,当 分配给资源提供 商之后,respondf保持不变; 表示响应时间对出价的影响 程度,满足0≤ ≤1,其具体的值由系统灵活设定。如果 D  ̄.maxrespondi,则设6f =0。 假设在t时刻,用户代理将任务请求 及其出价6 发 送给云市场拍卖师,同时资源提供商代理也将其已经更新的 资源信息a,和其要价珊 发送给云市场拍卖师。拍卖师将要 价按升序排列,出价按降序排列。当最大出价大于或等于最 小要价时,单位交易价格是最大出价和最小要价的均值。Q 的单位交易价格P 的计算公式为: Pi=去(6叫+ask ̄) (6) 任务 的总花费a 可由式(7)得到。如果满足式(8), 则说明 将会被接受。 aZlp,=Pixruntimei (7) allpg≤budgeti (8) 3.3云资源定价算法 , 综合上述分析,本文提出了一种基于组合双向拍卖的动 态资源定价算法(Dynamic Service Pricing,DSP),具体描述 如下: 输入 andaskbasej Q and bidbase 输出i andj,P andallp Begin Step1 flag=0: forj=l to n do ifaj 1>dem resourcei calculate as of Cj using formula(4); lfag=1; endif end for ifflag===0 refuseQi; endif Step2 calculate bid. of Qi using formula(5); send askj‘and bi dll to auctioneer; sort askj in ascending order and bid.‘in descending order by auctioneer; Step3 ifbidi‘/>askj calculate pi using formula(6); else goto Step2 第38卷第8期 胡志刚,刘艳:云环境下基于组合双向拍卖的动态资源定价 21 Step4 calculate allpi ofQi using formula(7); Step5 if allp,≤budgeta 而逐渐增大,但DSP算法明显优于FP算法,这是因为DSP 考虑了用户的QoS需求,在资源负载较重时,用户的某些服 务由于受到截止时间的约束而不会推迟完成,从而可以提高 用户的利益。 assign Qitocjwhen aski isminimal; else refuseQ; Step6 OUtput i andj;pi and allpi End 本文提出的定价算法使资源提供商代理的要价与工作负 载呈正比,从而可避免用户任务超过截止时间仍无法完成的 情况,同时在一定程度上可使用户花费最小。 4实验结果与分析 4.1实验环境设计 采用CloudSim模拟器对本文提出的DSP定价算法进行 仿真,模拟的云计算环境包括100个用户和2O个云资源提 供商,每个用户向云市场提交一个或多个独立的任务请求, 共有200个。 表示工作负载对要价的影响程度,Or"={O.25, 0.5,O.75,1}; 表示响应时间对出价的影响程度, ={0.25, 0.5,0.75,1}。实验进行16次,结果取l6次实验的平均结果。 Ⅱ 畦 响应时l司与最大响应时间的比值 图2 2种算法的用户利益比较 5结束语 t 将DSP算法与采用固定比例的定价算法(Fixed Pricing, FP)从 F面的指标进行比较: 本文提出一种云环境下基于组合双向拍卖机制的资源定 价模型,并给出相应算法。仿真实验结果表明,本文算法在 资源利用率、用户和资源提供商利益方面的性能明显优于固 定比率定价算法。下一步将在模型中引入信任度以反映服务 (1)用户利益:用户的出价与单位交易价格的差值。 (2)资源提供商的利益:单位交易价格与资源提供商的要 价的差值。 4.2性能分析 在不同工作负载情况下,DSP算法与FP算法得到的资 源提供商利益的比较情况如图1所示。可以看出,资源提供 商的利益随着工作负载的变化而逐渐增大,但FP的资源提 供商利益始终低于DSP,这是由于FP在调度中没有考虑工 作负载的动态性。 质量,进一步完善定价算法。 参考文献 [1]程仕伟,潘郁.云计算环境下基于可信性的动态资源分配策 略[J].计算机工程,201 l,37(11):45—48. 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DSP算法与FP算法的用户利益比较如图2所示。可以 看出,用户的利益随着响应时间与最大响应时间比值的增大 (上接第l8页) 编辑顾姣健 参考文献 【1]Kelly D,McDonald J,Markham C.A Person Independent System orf Recognition of Hand Postures Used in Sin Language[gJ]. Pattem Recognition Letters,2010,31(11):1359—1368, [4]杨波,宋晓娜,冯志全.复杂背景下基于空间分布特征的手 势识别算法[J].计算机辅助设计与图形学学报,2010,22(10): 184l—l848. [5] 陈一民,张云华.基于手势识别的机器人人机交互技术研究 机器人,2009,31(4):351—356. 【2]Wang Chieh—Chih,Wang Ko—Chih.Hand Posture Recognition Using Adaboost with Sift for Human Robot Interaction[C]//Proc.of International Conference on Advanced Robotics.Jeju Island, Korea:[S.n.】,2007. ・ [3】 Flasinski M,Myslinski S.On the Use of Graph Parsing for Recognition ofIsolated Hand Postures ofPolish Sign Language[J]. Pattern Recognition,201 0,43(6):2249—2264. [6】蓝章礼,李益才.数字图像处理与图像通信【M】,北京:清华大 学出版社,2009. [7]Witten I H,Frank E.Data Mining:Practical Machine Learning Tools and Techniques[M].Burlington,USA:Morgan Kaufmann Publishers,2005. 编辑顾姣健
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