基于博弈論的云服務市場模型研究

趙 陽，楊志和，趙風景

(1.上海華虹宏力半導體制造有限公司, 上海 201203；2.上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

基于博弈論的云服務市場模型研究

趙 陽1，楊志和2，趙風景2

(1.上海華虹宏力半導體制造有限公司, 上海 201203；2.上海電機學院 電子信息學院, 上海 201306)

云計算是集約型經(jīng)濟驅(qū)動下的基于大規(guī)模多租戶技術的綠色高效能計算，已成為改造和革新IT行業(yè)的一個范例。然而，由于云服務具有的異質(zhì)性、集中性和動態(tài)性，導致云服務的交易管理是個復雜的問題。探討了云服務市場的重復、動態(tài)且完全信譽博弈的特性，設計了一種面向云服務的管理框架和信譽機制，使云服務消費者和提供商能夠根據(jù)信譽度來更好地建立服務關系。

博弈論； 云計算； 云服務； 市場機制； 經(jīng)濟學

我們可以用信息“公用電廠”來隱喻云計算在信息技術變革時代的作用和地位。云計算帶來的網(wǎng)絡應用變革，使得我們從傳統(tǒng)的購買設備、開發(fā)系統(tǒng)發(fā)展到云時代的購買云服務。云計算是集約型經(jīng)濟驅(qū)動下的基于大規(guī)模多租戶技術的綠色高效能計算。云平臺可以為分布在廣域范圍內(nèi)的不同的個人或組織級的云服務使用者提供資源服務，主要包括基礎設施即服務(Infrastructure as a Service, IaaS)、平臺即服務(Platform as a Service, PaaS)、軟件即服務(Software as a Service, SaaS)3種服務;同時,也可以為云服務的開發(fā)者提供計算資源租用服務。云服務消費者不再需要為系統(tǒng)擴容或滿足峰值計算而額外購買新的設備，需要多少流量，就租用多少計算能力，用多少就付多少錢，既節(jié)省了成本，又獲得了可以無限擴展的計算能力[1]。

一般情況下，不同的云服務提供商具有不同的利益目標和期望，也各自接納不同的資源訪問方式和策略，故不適合采用傳統(tǒng)的集中型資源管理方式。一些公共云服務平臺項目(如“安卓”市場、“機鋒”市場、“蘋果”的App Store等)提供了資源管理和調(diào)度的相應軟件包，但是這些解決方案依賴于云服務提供商的“無私奉獻”，云服務消費者無須為所獲取的云服務直接付費。事實上，要實現(xiàn)云服務更好、更持久地發(fā)展，云服務及其資源就必須是有償?shù)?。云服務提供者獲得相應的報酬后，可以不斷地改進、優(yōu)化和升級所提供的云服務，進而使云服務消費者獲得最好的服務[2]。

服務經(jīng)濟學著重于研究服務業(yè)中的資源消費者和提供者之間的互動關系，將服務經(jīng)濟學的理論應用于云服務及其資源管理和調(diào)度是一個值得關注的研究方向。近年來，IT環(huán)境中的服務經(jīng)濟學原理運用是一個研究的熱點問題[3-4]。云計算時代，由于IT資源服務的網(wǎng)絡化，使得不同地理位置的服務商可以輕松地集聚在一起，由平臺服務提供商的角色轉(zhuǎn)變?yōu)镮T基礎設施共享與集成的服務提供商。這主要是由于云服務的爆炸式發(fā)展及其多樣性，使得消費者面對眾多的云服務提供商和參差不齊的云服務描述信息而無所適從，使得云服務消費者的注意力逐漸成為稀缺資源。因此，需要探討新的適合云服務的市場模型。另外，信譽在云服務的消費和交易活動中起著非常重要的作用。對于供、需雙方，誠信都是一個最基本的活動原則。對于信譽問題產(chǎn)生的根源和規(guī)律需要統(tǒng)籌和客觀地分析。

基于上述背景，本文研究并總結(jié)了云服務市場的開放式框架，基于開放式平臺基礎框架的實踐主體、市場角色與服務邊界，提出了與之相適應的“沙漏型”市場模型及其組件圖，并研究了云服務市場模型正常運轉(zhuǎn)過程中的重要要素——有社會成本約束的信譽作用機制，研究并提出了云服務市場中的信譽管理的方法、技術與應用。

1 云服務市場的開放式框架

云服務應用和發(fā)展的基礎在于對云環(huán)境下的元服務(即服務的描述框架)的構(gòu)建，即建立合理、完善、開放式的云服務管理框架，以適用于各種領域的應用需求；這關系到元服務層之上各層次的設計。此外，云服務管理框架的構(gòu)建需要遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議和接口標準，使得元服務層的規(guī)劃與設計能按照統(tǒng)一的服務規(guī)范來進行[5]。在云服務的實踐場中，主要包含3種實踐主體。

(1) 云服務消費者(Cloud Service User， CSU)。CSU使用云平臺中的服務，而不必了解所使用的云服務的底層具體技術細節(jié)。一般的用戶使用界面與傳統(tǒng)應用程序基本相同；在消費者看來，“云”中的資源是可以無限擴展的，并可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。這種特性經(jīng)常被稱為“像使用水電一樣使用IT基礎設施”。

(2) 云服務市場運營商(Cloud Service Market Operater， CSMO)，即云服務平臺運營商。主要提供并管理云平臺基礎架構(gòu)。CSMO向CSU提供服務，并保證服務質(zhì)量；為獨立云服務提供商提供運營云服務的基礎架構(gòu)服務。CSMO通過云服務的運營計量與統(tǒng)計，確定CSU的服務使用情況和相應的賬單管理，自動為CSU配置、分配相應的資源，監(jiān)測并跟蹤云服務市場的狀態(tài)和IT基礎資源服務的使用情況。

(3) 云服務提供商(Cloud Service Provider， CSP)。CSP主要負責設計、開發(fā)和發(fā)布云服務；CSP可以是具有云服務開發(fā)能力的個人或群體，也可以是專業(yè)的信息技術服務提供方。

在云服務市場的開放式框架中，上述角色的交互均需要在開放式標準環(huán)境下進行，云中各角色的關系如圖1所示[6]。

圖1 開放云平臺中的角色關系Fig.1 Role relationship in an open cloud platform

2 云服務市場模型

在云服務市場中，各種資源具有相應的“價格”。資源的調(diào)度和分配按照供需變化和特定的市場機制來進行。為方便實現(xiàn)，可以采用“虛擬貨幣”的形式，參照文獻[7]中提出的服務銀行的設計。構(gòu)建云服務市場模型的目的是創(chuàng)建一個具有中央調(diào)控的競爭市場，市場中的所有資源被當作商品自由交易。為使云服務的供需雙方都能獲得最大化的利益，由作為中央管理節(jié)點的CSMO制定相應的市場策略對市場進行規(guī)范和管理；供需雙方通過價格、信譽和服務質(zhì)量等要素開展博弈。

在云服務自由市場中，CSMO是必不可少的，其主要提供市場目錄、服務銀行、信譽機制、價格調(diào)控和支付平臺等功能，故設計了一種“沙漏型”云服務管理模式，如圖2所示?！吧陈┬汀痹品展芾砟Ｊ绞侵笇Ρ姸嗟腃SP和CSU的信譽信息的采集面要寬，信譽信息作用的發(fā)揮面要廣，中央管理節(jié)點的信譽分析處理要細。

圖2 云服務市場模型Fig.2 Market model of cloud services

所有進入云平臺中的正式用戶都必須經(jīng)過統(tǒng)一的身份認證，而服務等級協(xié)議(Service-Level Agreement， SLA)是CSP和CSU間的一份具有法律效用的正式合同，其中定義了雙方交易的云服務的服務類型、服務質(zhì)量和服務接口等術語，CSU可以了解他們能獲取什么樣的服務，CSP也可清楚地知道他們應該提供什么樣的服務及其質(zhì)量保證[8]。云服務市場模型的組件圖如圖3所示。

圖3 云服務市場模型中的組件圖Fig.3 Component diagram of cloud services market model

CSP可通過服務發(fā)布界面向CSMO注冊和發(fā)布自己的服務；為使CSU更好地了解當前的市場情況和價格水平，CSMO中的價格調(diào)控組件實時根據(jù)供需情況和價格機制給出目前比較合適的均衡價格作為參考，具體的定價機制在文獻[9-10]中已有研究。當云平臺中的某注冊用戶需要獲取某個服務來完成某項工作時，可通過云服務門戶在云服務市場目錄中尋找合適的云服務，其中云服務市場目錄提供所有云服務的類型、價格以及USP的“信譽度”等信息。CSU根據(jù)自己的預算、服務質(zhì)量等需求條件來選擇適合自己的云服務，然后由本地的交易管理器負責與選定的USP的交易管理器進行協(xié)商和綁定，由服務調(diào)度器執(zhí)行具體的任務處理工作。

在具體實現(xiàn)中，各組件可以按需動態(tài)增刪，提供最佳性能。如在一個能夠保證參與者誠信的環(huán)境中，可以省略信譽機制；在一個基于資源交換的環(huán)境中，可以省略服務銀行等。

3 有社會成本約束的信譽作用機制

在云服務交易市場中，假設云平臺中的CSU或CSP是“誠實守信”的，但事實并非完全如此。納什的博弈論(Game Theory)認為[11]：博弈雙方總是從自身的角度尋找對自己最優(yōu)的策略，從而達到納什均衡狀態(tài)。本文使用博弈論方法對云服務交易市場作如下分析：CSU可能在與CSP協(xié)商好某云服務的價格后卻要求取消交易；CSP可能虛報夸大自己的云服務或經(jīng)常離線，致使CSU的作業(yè)難以完成。為保證云平臺的高效、有序，以及CSU對云服務的使用信心，很有必要模仿現(xiàn)實經(jīng)濟生活中的信譽調(diào)節(jié)機制，在云平臺中對CSP和CSU進行信譽評級。在同等情況下，CSU根據(jù)CSP的信譽級別來決定是否使用該云服務，信譽級別高的CSP將獲得更多CSU的服務請求，故CSP必須努力保證自己的服務質(zhì)量與誠信。同樣，CSU也要保證自己的誠信，在協(xié)商好某個服務或資源的價格后不能隨意毀約，否則，其信譽等級將降低；以此類推，如果其屢犯不改，最終將被列入CSU“黑名單”，而該“黑名單”在全網(wǎng)、全行業(yè)范圍內(nèi)都可以查詢和共享，則該CSU將被拒絕進入市場；CSP可以根據(jù)CSU的信譽值決定是否接受其服務使用請求。同時，CSP和CSU的信譽級別是可變的，云服務交易市場模型中的信譽管理組件，將定期更新各CSP的信譽值、發(fā)布CSU黑名單。

如果是收費的云服務，交易方一般通過支付平臺來進行身份認證(Certificated Authentication， CA)，由支付平臺協(xié)助CSU和CSP來完成交易；如果是免費的云服務，雙方一般通過CSMO來進行身份認證，由CSMO或網(wǎng)絡運營商來協(xié)助完成交易。若服務過程中發(fā)生了違約行為，由支付平臺或CSMO對受害方進行先付賠償，然后對違約方進行罰款，罰款數(shù)額將大于先付賠償?shù)臄?shù)額，通常是其倍數(shù)。若未找到違約方，則查封其賬號，讓他以后永遠都不能進行交易；若違約方交付了罰款，則以后還可正常參與交易。若CSU遵守約定，CSP的最優(yōu)選擇也是遵守約定，因為不誠信而支付的罰款遠遠大于一次違約所得，即違約成本比遵守承諾、提供高質(zhì)量服務的成本更高；若CSU不遵守約定，CSP的最優(yōu)選擇仍會是遵守約定，因為這樣做并不會有損失且保持了信譽度。因此，即使沒有顯性激勵合同，也不會有欺騙，良好的信譽可以作為顯性激勵契約的替代物；無論CSU選擇什么，CSP的最好選擇都是遵守約定。同理，無論CSP選擇什么，CSU的最優(yōu)選擇也是遵守約定。因此，該博弈的最終納什均衡是雙方均選擇誠信，云服務交易得以順利進行。云服務市場中的博弈是一個動態(tài)重復博弈(Dynamic Repeated Game)的過程[12]，云服務是IT基礎架構(gòu)服務；大部分參與者是多次使用甚至是不間斷的使用者，且完成了實名制注冊，故從總收益最大化的角度進行決策，參與者不得不考慮現(xiàn)階段的行為對后面階段博弈的影響，即注重信譽。與法律相比，信譽機制是一種成本更低的維持良好交易秩序的機制[13]。

云服務交易市場的信譽評估機構(gòu)一般由CSMO承擔。CSMO可以有效地進行信譽設置、管理和應用，幫助解決博弈中信息不對稱的問題，同時也起到社會監(jiān)督作用——收集失信的CSU和CSP信息，從而對其進行有力的社會懲罰或經(jīng)濟懲罰。圖4為信譽機制的組件圖。

圖4 信譽管理與作用機制示意圖Fig.4 Schematic diagram of credit and reputation management and action mechanism

為確保對云服務市場中的各參與者進行信譽評級，必須給市場中的每個角色一個唯一標識。無論用戶是CSU還是CSP，都可以根據(jù)用戶的身份角色來制定用戶的唯一標識(UserID)——全網(wǎng)絡唯一標識。為記錄用戶的信譽，必須有一個數(shù)據(jù)庫表記錄相應的UserID及其對應的信譽值。信譽值分為CSU消費信譽和CSP服務信譽兩類，消費信譽的初值可設定為一個統(tǒng)一平均值。為計算服務信譽初值，可先由CSMO的CRM(Credit and Reputation Management)管理節(jié)點向CSP的服務地址發(fā)送服務請求與應用測試包，根據(jù)測試完成情況來評定初始信譽值。

在CRM中，信譽管理機制由3個組件構(gòu)成：服務狀態(tài)監(jiān)測器、服務工作情況統(tǒng)計器和信譽度監(jiān)測器。其中，服務狀態(tài)監(jiān)測器用來評測CSP的服務質(zhì)量。當一個CSP在云服務市場中注冊后，必須定時向服務狀態(tài)監(jiān)測器發(fā)送狀態(tài)信息，表明自己“在服務中”，長時間離線則會被認為可靠程度不高。CSP離線前應先在云服務市場目錄中注銷自己的服務，以避免用戶搜索到服務卻不能使用，從而造成對CSP或云服務運營者失去信心而使得他們的信譽度降低。數(shù)據(jù)庫中保持有一個服務狀態(tài)表(ServiceStatus)，其表項中有兩個屬性：CSP_ID()和FailureTimes。其中，CSP_ID即CSP的ID號(主鍵)；FailureTimes中記錄了一個信譽值更新周期內(nèi)CSP未能按要求發(fā)送服務狀態(tài)信息的次數(shù)。

云服務工作情況統(tǒng)計器用于記錄和分析具體的云服務使用情況。當云服務交易雙方在交易管理器中協(xié)商好某個服務的價格后，服務提供者的ID、作業(yè)情況及具體信息(如使用時間、價格等)被打包發(fā)送至服務工作情況統(tǒng)計器。由服務工作情況統(tǒng)計器根據(jù)用戶的CSP_ID生成一個臨時表(CspID_Job_Status)，記錄作業(yè)的詳細的過程狀態(tài)參數(shù)。服務工作情況臨時表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 服務工作情況臨時表結(jié)構(gòu)

信譽度監(jiān)控器定期(隔一個信譽更新周期)在數(shù)據(jù)庫中查詢服務狀態(tài)表和服務工作情況表，計算和評測相應服務的信譽值。評測完成后，將刪除服務工作情況臨時表。其評測方法如下：

(1) 若服務執(zhí)行完畢時，CSU反饋的服務質(zhì)量在SLA規(guī)定的區(qū)間內(nèi)，則認為相關服務的工作能力達到標準，可靠度有保障，服務信譽值將增加。若在CSU使用某服務期間，該服務不可用或未達到SLA規(guī)定的服務質(zhì)量區(qū)間，則該服務對應的服務信譽值將降低。

(2) 若CSU在協(xié)商完價格并簽訂SLA后，由于不正當?shù)牟僮鞫煌ǜ?，消費信譽值將降低；若其不付費或毀約，則被列入實時黑名單(Real-time BackhoeList)。

信譽度監(jiān)測器完成評測后，生成一個付費表CsuID_Payment，表結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 付費表結(jié)構(gòu)

服務銀行根據(jù)付費表進行管理操作，若該CSU的賬戶余額已接近透支，則先通過電子郵件或短信服務平臺通知CSU，告知其盡快續(xù)費，否則其正在使用的資源將被凍結(jié)，亦即該用戶不能再請求任何服務，直至賬戶里有足夠的余額。

評價CSU信譽度的要素包括：客戶性質(zhì)、消費積分、污點行為、交費頻率等；評價CSP信譽度的要素包括：可靠性、可用性、響應速度、安全性、效率等。

追求良好的信譽是為了獲取長期收益，其實現(xiàn)是一個長期、動態(tài)、重復博弈的結(jié)果，關鍵是推進信譽信息共享。市場中交易各方的信譽信息數(shù)據(jù)的開放和市場化運作是信譽管理體系的重要內(nèi)容。因此，在云服務市場中，應建立信譽檔案庫，完善統(tǒng)一、規(guī)范、透明的信譽披露機制，實現(xiàn)信譽信息廣泛共享，最終打造信譽信息的公共平臺[14]；應充分發(fā)揮云服務市場中介的監(jiān)督職能，建立有效的信譽獎懲機制，有效提高交易雙方的社會成本。在具體實施中需注意以下內(nèi)容：① 推行實名制認證及嚴格的身份審核制。② 建立信譽在線反饋系統(tǒng)。信譽在線反饋系統(tǒng)是CSU完成交易后對云服務及CSP進行評價的平臺。它對CSP的交易量有著直接影響，對其有著一定的威懾作用，使其重視自己的信譽。③ 建立信用評級及信息披露制度。云服務市場的中介機構(gòu)發(fā)布的信用評級及對相關信息的披露，不僅為CSU在選擇CSP時提供參考，且可有效地激勵CSP誠信交易，這對防范交易信用風險非常重要。加大對交易不良行為的懲罰力度，即提高交易的社會成本、鼓勵誠信交易行為，是降低信用風險的一項重要措施。由上文中買賣雙方博弈的結(jié)果可見，交易的社會成本越高，不良交易行為發(fā)生的可能性就越小，交易者就越傾向于誠信交易[15]。

4 結(jié) 語

嚴格、完整的市場交易行為既存在交易成本、社會成本，同時存在獎懲機制，云服務范圍的廣泛性、受眾的普遍性和使用概率的黏性，已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認同。為云服務市場的健康發(fā)展營造一個良好的社會環(huán)境，本文從宏觀頂層設計的視角設計了一個云服務市場模型，模擬現(xiàn)實生活中的信譽機制對云服務使用者和云服務提供者評定“信譽值”，從而引入信譽管理和應用機制，將使得云服務市場的運營更為有序和高效。實踐結(jié)果表明，本文提出的模型有助于促進云環(huán)境下資源服務的高效管理、優(yōu)化配置，最大限度地滿足用戶的服務質(zhì)量需求。

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The Research of Cloud Service Market Model Based on Game Theory

ZHAOYang1,YANGZhihe2,ZHAOFengjing2

(1.Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corporation， Shanghai 201203, China;2.School of Electronics and Information, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Cloud computing is a high-performance green computing based on large-scale multi-tenancy technology.It is a paradigm having the potential to transform and revolutionize the IT industry.Due to its heterogeneity, centralized and dynamic natural characteristics, the cloud service deal management is a complex issue.This paper discusses the cloud service market’s features of repetition, dynamics and complete information game, and designs a cloud service oriented regulatory framework and credit mechanism.To establish good service relationship, users and service providers will connect in accordance with their “credibility and reputation ”.

cloud computing; cloud service; market mechanisms; economics

2095-0020(2013)06 -0359-06

TP 393；F 224.32

A

2013-10-11

上海市重點科技攻關專項項目資助(11dz1504400)

趙 陽(1981-)，男，工程師，碩士，主要研究方向為光電技術與軟件工程，E-mail：scottzy@163.com

楊志和(1979-)，男，講師，博士，主要研究方向為云計算與服務工程，yangzh@sdju.edu.cn