Game-Theoretic Resource Management and Service Discrimination in Cloud Computing

Abstract

Glocalization and hyper-connection are the most noteworth business trends. In order to proactively utilize the hyper-connection technologies for the business, and secure the competitive advantages based on the glocalization strategies, it is necessary to utilize the cloud computing technologies which are the most popular and known to be well-suited for the distributed computing and web-based service delivery. Cloud computing provides infrastructure, platform, and software as services to customers. For reliable and truthful service providing, a fair and elastic resource allocation strategy is essential from viewpoint of service users. In this paper, the framework for adaptive process design has been developed in order to effectively support glocalization strategy in the cloud computing system at first. Users request cloud tasks according to the predefined processes. Then, a game-theoretic mechanism for dynamic cloud resource management for the requested tasks including task assignment and resource allocation has been presented to provide reliable and truthful services. A utility function for each cloud task is devised to evaluate the quality of cloud service by considering dynamic characteristics of cloud computing. The elementary stepwise system is then applied to efficiently assign tasks to cloud servers. The resource allocation mechanism based on bargaining solutions is finally adopted for the fair resource allocation in terms of quality of service. In addition, a resource allocation problem for service discrimination has been presented. It has been assumed that the service administrator allocates resources to users who select and access one of the discriminated services. To express rational service selection of users, a utility function of users is devised to reflect both service quality and cost. For the utility function of service provider, total profit and efficiency of resource usage have been considered. The proposed service discrimination framework is composed of two game models. An outer model is a repeated Stackelberg game between the service administrator and a user group, while an inner model is a service selection game among users which is solved by adopting the Kalai-Smorodinsky bargaining solution. The numerical experiments, it has been shown that the proposed mechanism guarantees better system performance than existing methods. The proposed mechanism completes the requested tasks earlier and provides relatively higher level of fairness of utility-cost ratio. Also, for the service discrimination, the performance has been compared with existing resource allocation methods according to user cost sensitivity. From the comparison results, it is shown that the proposed framework obtains better performance in terms of the total profit of the service administrator and the fairness for users utilities. By applying the proposed mechanism, it seems possible to support cloud service administrator to elastically manage the limited resources in cloud computing environment in terms of quality of service.

지역적 세계화와 초연계현상은 최근 비즈니스 경향 중 가장 주목할 만한 현상이다. 이러한 초연계현상을 가능케하는 기술을 비즈니스에 적극적으로 활용하고, 지역적 세계화 전략에 기반한 경쟁 우위를 확보하고 유지시키기 위해서는 웹 기반 서비스 제공방식과 분산 컴퓨팅 환경에 적합한 것으로 잘 알려진 클라우드 컴퓨팅 기술을 활용하는 것이 필요하다. 클라우드 컴퓨팅은 인프라스트럭처, 플랫폼 그리고 소프트웨어 등과 같은 자원을 사용자들에게 서비스의 형태로 제공한다. 신뢰성 높은 서비스 제공을 위해서는 서비스 이용자 관점에서 공정할 뿐만 아니라, 사용자 요구 변화에 탄력적으로 대응할 수 있는 자원 할당 전략이 필수적이다. 본 논문에서는 우선 클라우드 컴퓨팅 시스템에서의 지역적 세계화 전략의 효과적인 수행을 지원하기 위한 조정가능형 프로세스 설계 프레임워크부터 개발하였다. 사용자들은 제시된 프레임워크에 따라 사전에 정의된 프로세스를 기반으로 클라우드 업무를 서버에 요청하게 된다. 또한, 사용자로부터 요청된 업무를 효과적으로 처리하기 위해 업무의 서버 배정과 자원 할당을 포함하는 게임 이론 기반의 동적 자원 관리 기법을 제안하였다. 클라우드 업무 수행 결과의 품질 수준을 평가 하기 위한 효용함수를 클라우드 컴퓨팅 환경의 동적인 특성을 고려하여 설계하였고, 각 업무를 서버에 효과적으로 배정하기 위해 ESS 기법을 활용하였다. 서비스 품질 수준 관점에서 공정하게 자원을 할당하기 위해서 구매 게임의 해를 활용하기 위한 방안을 제시하였다. 또한, 서비스 차별화를 위한 자원 할당에 관한 문제도 제시하였다. 우선 서비스 관리자는 차별화된 서비스들 중 하나를 선택하고 이를 활용하는 사용자에게 일정 수준의 자원을 할당하는 것을 가정한다. 이 때, 사용자의 서비스 선택이 이성적임을 표현하기 위해, 사용자의 효용함수를 서비스 품질 수준과 함께 서비스 이용을 위한 비용을 고려하여 설계하였다. 서비스 관리자의 효용함수는 자원 할당을 통해 얻을 수 있는 수익과 자원 할당의 효율성을 기반으로 설계하였다. 본 연구에서 제안한 서비스 차별화 및 자원 할당에 관한 문제는 서비스 관리자와 사용자 집단 간의 게임으로 모델링할 수 있으며, 이는 크게 두가지 형태의 게임으로 구분된다. 외형적으로는 서비스 관리자와 사용자 그룹 간 반복된 Stackelberg 게임의 형태를 나타나게되고, 내부적으로는 제한된 자원에 대한 사용자 그룹 내 서비스 선택을 위한 게임의 형태로 표현된다. 사용자 그룹 내 게임의 최적해를 구하기 위해서는 Kali-Smorodinsky Bargaining Solution (KSBS)을 활용하였다. 수치해석적 실험을 통해서 본 연구에서 제안하는 기법이 기존의 다른 방법에 비해 더 좋은 시스템 성능을 보장할 수 있음을 보였다. 특히, 사용자로부터 동적으로 요청되는 클라우드 업무는 더 빠른 시간 내에 완료될 수 있으며, 효용-비용 비율 관점에서는 더 높은 수준의 공정성을 보장할 수 있게 된다. 또한 서비스 차별화 문제에서는 사용자의 비용 민감도를 기준으로 기존 연구와의 성능을 비교 분석하였다. 비교 결과 서비스 관리자에게 더 큰 수익을, 그리고 사용자 효용 관점에서는 더 높은 수준의 공정성을 보장할 수 있다고 말할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제안하는 기법을 활용할 경우, 클라우드 컴퓨팅 환경에서 서비스 관리자는 제한된 자원을 탄력적으로 그리고 효과적으로 활용하여, 높은 수익을 기대함과 동시에 더 높은 품질 수준의 서비스를 사용자에게 제공할 수 있을 것으로 예상된다.