基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法与流程

本发明属于云计算技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法。

背景技术：

2015年全球云计算市场规模已经达到1800亿美元，大量的企业和个人都倾向于将计算和存储任务提交到云平台上执行。所以如何在兼顾用户公平的前提下，有效的将虚拟资源分配给用户使用，使得云提供商资源利用率及收益最大化是当前云计算领域的一个研究重点。云提供商可以将抽象、虚拟的资源动态的分配给用户使用。所提供的资源主要分为三类：IAAS-将硬件基础设施作为服务提供给用户(如微软Azure，亚马逊EC2，国内的阿里云，腾讯云)，PAAS-将软件平台作为服务提供给用户(如国内的盛大云、新浪云等)，SAAS-将软件作为服务提供给用户(如国外的SalesForce，国内的八百客、用友等)。

基于IAAS的资源分配方式，目前主流的有两种：一种是传统的定价方式(Fixed price)，即用户选择或定制好所需虚拟机后，云提供商会根据定价即时算出用户所需费用，用户付费后即可使用。另一方面，云提供商在市场需求不饱和的情况下会有大量的资源闲置，云提供商愿意在短期内将这些资源以更吸引用户的价格投放到市场上来赚取更多的利润，从而诞生了另一种资源分配方式，即拍卖方式(Auction based)，一般来说，用户通过拍卖的方式来获得资源的价格会大大低于其采用定价方式时的价格，这样刺激了更多的用户来购买资源，提高了资源利用率，也能使云提供商获得更多收益。

在目前基于拍卖的云计算资源分配模型研究，主要面临着以下两方面的挑战，分别是：

(1)拍卖机制问题：目前存在的拍卖机制有单向拍卖、双向拍卖和双向组合式拍卖方式，单向拍卖主要用于一个卖家，多个买家，即一个云提供商，但是有多个用户的情况；双向拍卖主要用于多个卖家对多个买家，即云提供商但和用户是多对多的情况；双向组合式拍卖方式用于降低双向拍卖下资源分配及定价的计算复杂度，要求云提供商提供组合式的资源配置来降低分配计算时的复杂度。目前业内的研究工作主要集中在单向拍卖以及双向组合式拍卖方式。但是，单向拍卖机制下云提供商占有资源优势，主要目的是追求云提供商利润最大化，无法对用户体现公平性；双向组合式拍卖为了提高分配算执行效率法要求将多种资源组合起来进行拍卖，降低了资源配置灵活度及拍卖成功率。

(2)支付价格问题：支付价格决定了拍卖成功的用户需要付给云提供商多少钱。由于是采用拍卖方式，用户支付的价格是通过拍卖规则来确定的，所以支付的价格需要综合考虑云提供商的及用户双方面的利益。一方面既要防止云提供商随意设定价格拍卖，另一方面也要防止用户恶意竞拍。在单向拍卖的例子中，云提供商掌握了资源优势，可以随意定价，对用户不利，但用户掌握了信息优势，在资源竞拍时可能会出现不诚实的现象，例如恶意的哄抬价格，或者伙同多个其他用户来压低价格等。这都不利于拍卖市场的稳定，这也是目前国内大部分云提供商仍然采用固定价格的方式来进行资源分配的原因。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法，为云资源提供商和用户提供公平高效的拍卖机制。

为实现上述发明目的，本发明基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法，包括以下步骤：

S1：记云资源提供商数量为M，虚拟资源类型数量为R，每位供应商以密封方式向拍卖仲裁机构提供自己所能提供的各项虚拟资源单价V_m＝{v_m1,v_m2,…,v_mr,…,v_mR}和数量C_m＝{c_m1,c_m2,…,c_mr,…,c_mR}，以及虚拟资源的可使用时长T_m，其中v_mr表示第m个提供商对第r项资源所定的单价，c_mr表示第m个提供商对第r项资源所能提供的数量，m＝1,2,…,M、r＝1,2,…,R；

S2：记用户数量为N，每个用户以密封方式向拍卖仲裁机构上报自己对虚拟资源的需求数量S_n＝{s_n1,s_n2,…,s_nr,…,s_nR}、使用时长t_n以及用户对所申请虚拟机的估值b_n，s_nr表示第n个用户对第r项资源的需求数量，n＝1,2,…,N；

S3：拍卖仲裁机构按照提供商上报的资源信息和用户上报的资源需求计算其优先级，分别对提供商和用户按照优先级从高到低排序，得到提供商队列和用户队列；

S4：拍卖仲裁机构对提供商和用户进行匹配和资源分配，包括以下步骤：

S4.1：令用户序号i＝1；

S4.2：令提供商序号j＝1；

S4.3：如果第j个提供商当前剩余资源是否满足第i个用户资源需求，进入步骤S4.4，否则进入步骤S4.5；

S4.4：根据第j个提供商的虚拟资源单价和第i个用户的资源需求计算出资源总价B_ij，如果B_ij≤b_i，则从第j个提供商的虚拟资源中按照第i个用户的资源需求向第i个用户进行资源分配，更新第j个提供商的剩余虚拟资源和可使用时长，计算最终支付价格进入步骤S4.6，否则进入步骤S4.5；

S4.5：如果j＜M，令j＝j+1，返回步骤S4.3，否则当前用户匹配失败，进入步骤S4.6；

S4.6：如果i＜N，令i＝i+1，返回步骤S4.2否则匹配结束。

本发明基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法，每位供应商以密封方式向拍卖仲裁机构提供自己所能提供的各项虚拟资源单价和数量，以及虚拟资源的可使用时长，用户每个用户以密封方式向拍卖仲裁机构上报自己对虚拟资源的需求数量、使用时长以及用户对所申请虚拟机的估值；拍卖仲裁机构按照提供商上报的资源信息和用户上报的资源需求计算其优先级，分别对提供商和用户按照优先级从高到低排序，得到提供商队列和用户队列，然后依次从用户队列中读取每个用户与提供商进行匹配，在匹配时考虑资源及总价两方面因素，完成资源分配。采用本发明可以为云资源提供商和用户提供公平高效的拍卖机制，

附图说明

图1是本发明基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法的具体实施方式流程图；

图2是本发明中用户和提供商匹配算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法的具体实施方式流程图。如图1所示，本发明基于公平可信双向拍卖机制的云计算资源分配方法的具体步骤包括：

S101：提供商上报资源信息：

在拍卖机制设计中，首先需要抽象出合理的资源模型，资源模型的建立是后期资源分配算法及可信支付价格计算的前提。资源模型包括提供商资源信息和用户需求信息。

对于云资源提供商而言，记云资源提供商数量为M，虚拟资源类型数量为R，每位供应商以密封方式向拍卖仲裁机构提供自己所能提供的各项虚拟资源单价V_m＝{v_m1,v_m2,…,v_mr,…,v_mR}和数量C_m＝{c_m1,c_m2,…,c_mr,…,c_mR}，以及虚拟资源的可使用时长T_m，其中v_mr表示第m个提供商对第r项资源所定的单价，c_mr表示第m个提供商对第r项资源所能提供的数量，m＝1,2,…,M、r＝1,2,…,R。

例如某个提供商以密封方式向拍卖仲裁机构提供自己的虚拟资源的单价和数量，例如CPU按照1核/小时0.03元、内存按照1G/小时0.05元、带宽按照10G/小时0.04元、带宽按照1M/小时0.07元来进行报价，并提供各资源最大可支持的数量如：800核CPU、1600G内存、500T硬盘容量、500M的带宽，可使用时长是600分钟。

可见，本发明中提供商提交给仲裁机构的信息是一个向量，＜V_m,C_m,T_m＞，这样做的好处是各提供商在虚拟资源上的优势不一样，有些提供商的CPU使用成本低，有些带宽使用成本低，这样的方式可以充分体现提供商的差异化，有利于拍卖仲裁机构选择出具有最优质资源的提供商给用户使用；而且这样的资源模型抽象方式更适用于国内主流的提供商。

S102：用户上报资源需求：

对于用户而言，记用户数量为N，每个用户以密封方式向拍卖仲裁机构上报自己对虚拟资源的需求数量S_n＝{s_n1,s_n2,…,s_nr,…,s_nR}、使用时长t_n以及用户对所申请虚拟机的估值b_n，s_nr表示第n个用户对第r项资源的需求数量，n＝1,2,…,N。

例如用户申请3核CPU，4G内存，100G硬盘存储空间，5M的带宽的一台虚拟机，需要使用时长为10小时。

S103：提供商和用户排序：

拍卖仲裁机构按照提供商上报的资源信息和用户上报的资源需求计算其优先级，分别对提供商和用户按照优先级从高到低排序，得到提供商队列和用户队列。

优先级计算公式可以根据实际需要来定义，本实施例中对于提供商定义了一个资源密度参数来判断其在排序时的优先级，提供商的资源密度参数值越低，优先级越高。第m个提供商的资源密度参数d_m的计算公式为：

其中，f_m是预先设置的提供商的优先级控制参数，一般情况下为1。该参数可以人为对提供商的优先级进行控制，例如对于历史信用评级较低的提供商，可以令f_m较大，反之对于历史信用评级较高的提供商，可以设置较小的f_m。这样就可以防止某些提供商通过长时间压低价格排挤其他提供商的情况发生。

根据提供商的资源密度参数的计算公式可知，该参数倾向于选择资源单价和越低、提供资源越多、可使用时长越长的提供商进行服务，即资源密度参数值越低的提供商越优质，但所有的云提供商都有机会提供自己的虚拟资源到市场上拍卖，资源密度参数可以有效保证提供商资源排序时的单调性。

对于用户而言，本实施例中也同样采用资源密度参数来判断其在排序的时优先级，不同的是用户的资源密度参数越高，优先级越高。第n个用户的资源密度参数d_n′的计算公式为：

根据用户的资源密度参数的计算公式可知，该参数倾向于选择估值越高、资源需求量和越低、使用时长越短的用户提供服务，即资源密度参数越高的用户越优质。

S104：匹配用户和提供商：

拍卖仲裁机构在对提供商和用户进行排序后，接下来就需要对提供商和用户进行匹配和资源分配。图2是本发明中用户和提供商匹配算法流程图。如图2所示，本发明中用户和提供商匹配算法包括以下步骤：

S201：令用户序号i＝1。

S202：令提供商序号j＝1。

S203：判断第j个提供商当前剩余资源是否满足第i个用户资源需求，显然需要判断各项虚拟资源的数量和可使用时长是否满足用户的资源需求和使用时长需求，如果满足，进入步骤S204，否则进入步骤S207。

S204：计算资源总价：

根据第j个提供商的虚拟资源单价和第i个用户的资源需求计算出资源总价B_ij，计算公式为：

S205：如果B_ij≤b_i，即资源总价小于等于第i个用户对所申请虚拟机的估值，则匹配成功，进入步骤S206，否则进入步骤S207。

S206：分配资源并计算最终支付价格：

从第j个提供商的虚拟资源中按照第i个用户的资源需求向第i个用户进行资源分配，更新第j个提供商的剩余虚拟资源和可使用时长，即C_j＝C_j-S_i，T_j＝T_j-t_i，计算最终支付价格可见，此价格大于等于提供商预期，小于等于用户预期，是一个折衷价格。进入步骤S209。

S207：判断是否j＜M，如果是，进入步骤S208，否则说明当前用户的资源需求和估值没有任何提供商可以满足，匹配失败，进入步骤S209。

S208：令j＝j+1，否则返回步骤S203。

S209：判断是否i＜N，如果是，进入步骤S210，否则说明所有用户已匹配完毕，匹配结束。

S210：令i＝i+1，否则返回步骤S202。

根据以上流程可知，本发明是采用折衷价格来作为最终支付价格。一个可信的价格机制首先要满足资源分配方式是单调的，即对于云提供商来说资源单价越低，资源越充足，资源可使用时长越长的提供商会更受市场青睐；对于用户来说，申请更少的资源或申请相同资源有更高的估价在胜出的可能性更大。因为在本发明中，提供商和用户之间并不知晓对方报价，所以哄抬压低价格对双方都会造成损失，本实施例中所采用资源密度参数的单调性来保证提供商及用户都愿意按照真实的意图出价。因此，对于本发明而言，拍卖仲裁机构在对用户和提供商进行匹配时，用户支付的价格应该高于云提供商根据自己单位定价计算出的资源总价，才能实现匹配。

例如一用户要求2核，4G内存，500G硬盘，5M带宽，使用1天，愿意支付18元。当前提供商对于这几类虚拟资源的单价是CPU 1核/小时是0.03元，内存1G/小时是0.01元，硬盘50G/小时是0.05元，带宽1M/小时是0.02元，云提供商针对此需求希望得到0.03*2*24+0.01*4*24+0.05*10*24+0.02*5*24＝16.8元，低于用户愿意支付的价格，匹配成功，那么最终用户支付给提供商(18+16.8)/2＝17.4元，低于用户预期，同时高于提供商预期值。

根据以上流程说明可知，本发明提供了一种公平可信的双向拍卖机制来解决云计算资源分配问题。在单向拍卖中，云提供商掌握了资源优势，可以对其虚拟资源随意定价拍卖，缺乏对用户公平性的考虑，双向拍卖中由于有多家云提供商参与，在卖方市场形成制约，体现了对用户的公平性，并且需要引入了第三方拍卖仲裁机构避免了云资源提供商与用户直接面对造成信息资源不对等的情况。而本发明对于拍卖机制的设计考虑到避免多个云资源提供商形成联盟的情况，每个云资源提供商以密封方式向拍卖仲裁机构提供自己的虚拟资源的单价、数量和使用时长，另一方面，用户也以密封方式向拍卖仲裁机构提交自己的资源申请，主要包括对各类资源的请求以及估价。如此可以使拍卖机制相对更加公平，对于云提供商最终可以得到比自己预期更高的费用，而对于用户也可以通过付出比自己估价还低的价格购得自己想要的资源，对于整个市场来说，能够吸引更多的云提供商和用户加入进来，达到非常积极的效果。并且在最终支付价格的计算上，提出基于用户估值和提供商预期资源总价的定价机制来确保最终拍卖价格是可信的，让用户对资源的估价接近于其真实价值，避免用户在资源竞拍时出现不诚实的现象，例如恶意的哄抬价格，或者伙同多个其他用户来压低价格等，使得云提供商和用户利益最大化。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。