論文標(biāo)題：A Price-Incentive Resource Auction Mechanism Balancing the Interests Between Users and Cloud Service Provider

錄用期刊：IEEE Transactions on Network and Service Management (2020年 IF = 3.878，JCR Q1)

原文DOI: 10.1109/TNSM.2020.3036989.

作者列表：

1）李松遠(yuǎn) 北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2018級(jí)碩士

2）黃霽崴 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 教授

3）程 渤 北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教授

背景與動(dòng)機(jī)

本文旨在設(shè)計(jì)出一種最大化用戶(hù)效益的多用戶(hù)服務(wù)資源公平售賣(mài)機(jī)制。我們從服務(wù)生態(tài)中用戶(hù)的角度出發(fā)，優(yōu)化目標(biāo)在于最大化用戶(hù)效益，并且保障向多用戶(hù)資源售賣(mài)結(jié)果的公平性，維護(hù)多用戶(hù)間的良性資源競(jìng)爭(zhēng)。

具體地，最大化用戶(hù)效益指的是使得最多用戶(hù)的服務(wù)資源需求得到滿(mǎn)足。實(shí)現(xiàn)最大化的用戶(hù)效益，不僅維護(hù)了服務(wù)生態(tài)中的用戶(hù)利益，并且也符合服務(wù)供應(yīng)商的利益。服務(wù)供應(yīng)商在滿(mǎn)足最多用戶(hù)數(shù)需求的同時(shí)，也吸引了大量的用戶(hù)，有利于擴(kuò)大其在服務(wù)生態(tài)中的市場(chǎng)占額，在多服務(wù)供應(yīng)商對(duì)用戶(hù)資源的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

至于保障多用戶(hù)資源售賣(mài)結(jié)果的公平性，本部分主要考慮了如下三個(gè)重要性質(zhì)：

? 性質(zhì)1 (無(wú)妒性)：在資源共享的 IaaS云環(huán)境中，無(wú)妒性體現(xiàn)了資源售賣(mài)結(jié)果的公平性。 當(dāng)不存在用戶(hù)羨慕對(duì)其他用戶(hù)的資源售賣(mài)結(jié)果，則面向多用戶(hù)的資源售賣(mài)結(jié)果符合無(wú)妒性。簡(jiǎn)之，每個(gè)用戶(hù)都比其他用戶(hù)更喜歡自己的資源售賣(mài)分配結(jié)果；每個(gè)用戶(hù)都無(wú)法通過(guò)與其他用戶(hù)交換資源分配 結(jié)果來(lái)提高自身用戶(hù)效用。形式上，如果對(duì)于任意不同用戶(hù)i和j，滿(mǎn)足Ui (ai)≥Ui (aj)，則資源售賣(mài)分配結(jié)果符合無(wú)妒性。

? 性質(zhì)2 (可信任性)：無(wú)關(guān)于其他用戶(hù)上報(bào)的服務(wù)競(jìng)價(jià)信息，用戶(hù)通過(guò)提交真實(shí)的服務(wù)競(jìng)價(jià)信息總能獲得最大用戶(hù)效用。可信任性保證了用戶(hù)有動(dòng)力去上報(bào)真實(shí)的服務(wù)競(jìng)價(jià)信息、不虛報(bào)服務(wù)競(jìng)價(jià)信息，有助于提高價(jià)格激勵(lì)機(jī)制的可信賴(lài)性。

? 性質(zhì)3 (預(yù)算平衡性)：如果用戶(hù)預(yù)算總是足以支付購(gòu)買(mǎi)期待資源數(shù)量所需的費(fèi)用，則該機(jī)制是符合預(yù)算平衡性的。預(yù)算平衡性確保了價(jià)格激勵(lì)機(jī)制的可行性。

無(wú)妒性，從根本上保障了資源售賣(mài)結(jié)果的公平性；可信任性，維護(hù)了對(duì)服務(wù)資源的良性競(jìng)爭(zhēng)，為公平售賣(mài)服務(wù)資源提供了前提；預(yù)算平衡性，則是為服務(wù)資源拍賣(mài)機(jī)制的可行性提供了基礎(chǔ)支撐。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的市場(chǎng)化服務(wù)資源拍賣(mài)機(jī)制旨在吸引最大化數(shù)量的用戶(hù)，同時(shí)應(yīng)保證服務(wù)供應(yīng)商的最低利潤(rùn)率γ。通過(guò)激勵(lì)最大化數(shù)量的用戶(hù)訂購(gòu)服務(wù)資源，有助于單一服務(wù)供應(yīng)商在服務(wù)生態(tài)中占有較大市場(chǎng)份額；而關(guān)于最低利潤(rùn)率γ的保證也充分保障了服務(wù)供應(yīng)商的盈利需求。每個(gè)用戶(hù)的資源購(gòu)買(mǎi)行為，受最大化自身效益驅(qū)動(dòng)；最大化數(shù)量的用戶(hù)訂購(gòu)資源，即使服務(wù)生態(tài)中的用戶(hù)效益最大化。同時(shí)至于多用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)服務(wù)資源，也關(guān)注服務(wù)資源售賣(mài)的公平性。

下圖概覽了基于最大化用戶(hù)效益的服務(wù)資源公平售賣(mài)機(jī)制。首先，本部分需探究理性的服務(wù)資源購(gòu)買(mǎi)策略，即在某一既定的資源定價(jià)下每個(gè)用戶(hù)需要訂購(gòu)多少服務(wù)資源量?；谟脩?hù)效益最大化，每個(gè)用戶(hù)根據(jù)使得自身效益最大化的資源需求來(lái)購(gòu)買(mǎi)確定數(shù)量的服務(wù)資源。

然后，以理性的服務(wù)資源購(gòu)買(mǎi)策略為基礎(chǔ)，本部分的服務(wù)資源售賣(mài)機(jī)制主要由兩個(gè)分解步驟順序執(zhí)行，具體如下：

- 步驟1：以一種粗略但有效的方式來(lái)估計(jì)能由供應(yīng)商提供服務(wù)的最大用戶(hù)子集

云服務(wù)供應(yīng)商應(yīng)盡量滿(mǎn)足較多用戶(hù)的資源要求，同時(shí)也不能提出較低資源價(jià)格以無(wú)法保證最低利潤(rùn)率γ?；诖藰?biāo)準(zhǔn)，得到估計(jì)的最大用戶(hù)子集。

- 步驟2：最終確定即時(shí)單位服務(wù)資源價(jià)格p (t) 和多用戶(hù)資源分配方案A (t)

基于在步驟1得出的，云服務(wù)供應(yīng)商將進(jìn)一步最終確定最大用戶(hù)子集，從而確實(shí)保證最低收益γ。與此同時(shí)，得到對(duì)應(yīng)最優(yōu)的即時(shí)單位服務(wù)資源價(jià)格p(t)和多用戶(hù)資源分配方案A(t)，使得云服務(wù)供應(yīng)商賺取盡可能多的收益。上述的求解過(guò)程，利用模擬用戶(hù)的理性資源購(gòu)買(mǎi)過(guò)程得到優(yōu)化的資源定價(jià)和分配結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同用戶(hù)之間資源分配的凈效用比較結(jié)果

服務(wù)費(fèi)用v.s.競(jìng)價(jià)預(yù)算

基于真實(shí)軌跡數(shù)據(jù)的對(duì)比仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期效果保持一致：我們的PIRA方法保證了無(wú)妒性、預(yù)算平衡性，和其他方法相比較，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)效益的最大化。

作者簡(jiǎn)介

黃霽崴博士，教授，博士生導(dǎo)師，石油數(shù)據(jù)挖掘北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，中國(guó)石油大學(xué)（北京）計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系主任。2015年度北京市優(yōu)秀人才，2018年度中國(guó)石油大學(xué)（北京）優(yōu)秀青年學(xué)者，2020年度北京市科技新星。分別在2009年和2014年于清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系獲得工學(xué)學(xué)士和工學(xué)博士學(xué)位，2012-2013年國(guó)家公派赴美國(guó)佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)。研究方向包括：系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化、隨機(jī)模型理論和應(yīng)用、服務(wù)質(zhì)量測(cè)量與保障技術(shù)、服務(wù)計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等。擔(dān)任中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）服務(wù)計(jì)算專(zhuān)委會(huì)委員，CCF高級(jí)會(huì)員，IEEE、ACM會(huì)員。已主持國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目13項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外著名期刊和會(huì)議發(fā)表論文五十余篇，出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著1部，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)、軟件著作權(quán)3項(xiàng)，擔(dān)任多個(gè)國(guó)際頂級(jí)期刊和知名會(huì)議審稿人。聯(lián)系郵箱：[email protected]。