[논문 리뷰] On the Economics of Cloud Markets

Ranjan Pal, Pan Hui|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 28.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 여러 공공 클라우드 제공자 간의 클라우드 서비스 가격 및 서비스 품질(QoS) 결정에 대한 비협력적 게임이론 모델을 수립한다. 세 모델 중 두 모델에 대해 순수 전략 내시 균형의 존재를 증명하여, 제공자가 수익을 극대화하고 경쟁 하에서 동적으로 능력 효율적인 자원 할당을 보장할 수 있도록 최적의 가격과 QoS 수준을 설정할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

Cloud computing is a paradigm that has the potential to transform and revolutionalize the next generation IT industry by making software available to end-users as a service. A cloud, also commonly known as a cloud network, typically comprises of hardware (network of servers) and a collection of softwares that is made available to end-users in a pay-as-you-go manner. Multiple public cloud providers (ex., Amazon) co-existing in a cloud computing market provide similar services (software as a service) to its clients, both in terms of the nature of an application, as well as in quality of service (QoS) provision. The decision of whether a cloud hosts (or finds it profitable to host) a service in the long-term would depend jointly on the price it sets, the QoS guarantees it provides to its customers, and the satisfaction of the advertised guarantees. In this paper, we devise and analyze three inter-organizational economic models relevant to cloud networks. We formulate our problems as non co-operative price and QoS games between multiple cloud providers existing in a cloud market. We prove that a unique pure strategy Nash equilibrium (NE) exists in two of the three models. Our analysis paves the path for each cloud provider to 1) know what prices and QoS level to set for end-users of a given service type, such that the provider could exist in the cloud market, and 2) practically and dynamically provision appropriate capacity for satisfying advertised QoS guarantees.

연구 동기 및 목표

• 유사한 SaaS, PaaS 또는 IaaS 서비스를 제공하는 공공 클라우드 제공자 간의 조직 간 경제적 경쟁을 모델링하기 위해.
• 경쟁 시장에서 제공자가 수익을 극대화하기 위해 전략적으로 가격과 QoS 수준을 어떻게 설정할 수 있는지 분석하기 위해.
• 비용, 수요, 서비스 특성의 변화에 따라 가격-QoS 게임에서 내시 균형의 존재성과 수렴성을 특성화하기 위해.
• 광고된 QoS 보장을 충족시키는 균형 전략을 도출함으로써 실용적이고 동적 자원 할당을 가능하게 하기 위해.
• 다중 애플리케이션 경쟁 및 향후 자원 최적화 모델로의 분석 확장을 위해.

제안 방법

• 비협력적 게임이론 모델 세 가지를 수립: (1) 동시적인 가격과 QoS 경쟁, (2) 고정된 가격에서의 QoS 경쟁, (3) (2)의 특수 케이스로서 고정된 가격 벡터를 가진 경우.
• 수요 탄력성과 비용 함수에 기반하여 1차 조건에서 유도된 비선형 연립방정식 시스템을 사용하여 균형 가격과 QoS 수준을 구한다.
• 균형의 수렴성과 유일성을 검증하기 위해 tâtonnement 가격 조정 기법을 적용하며, 다중 해가 존재할 경우 성분별로 가장 큰 균형을 선택한다.
• 균형 QoS 수준을 가격, 비용, 위험 매개변수의 함수로 나타내는 닫힌 형태의 식 유도: $ s_i(pr_i^f) = \text{root of } x'_i(s_i)(pr_i - c_i - \rho_i) = \frac{\rho_i}{(\overline{rt} - s_i)^2} $.
• 가격이 고정되어 있을 경우 균형 QoS 수준이 유일하게 결정되며, 경쟁자들의 비용 또는 수요 매개변수와 무관하다는 것을 증명한다.
• 민감도 분 析를 통해 경쟁적 동역학 하에서 가격과 QoS 조정 간의 직관적이지 않은 관계를 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드 제공자 간의 가격과 QoS에 대한 유일한 순수 전략 내시 균형이 존재하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 클라우드 제공자의 가격 또는 QoS 수준이 변화할 경우, 경쟁하는 제공자들의 균형 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 동적이고 다중 제공자 기반 클라우드 시장에서 제공자들의 균형 전략을 계산할 수 있는 수렴성과 실용성을 갖춘 알고리즘을 설계할 수 있는가?
• RQ4 가격이 고정되어 있을 경우, 제공자의 최적 QoS 수준이 경쟁자들의 비용 및 수요 특성과 얼마나 독립적인가?
• RQ5 균형 전략을 어떻게 활용하여 과잉 할당을 방지하고 효율적인 동적 자원 할당을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 세 모델 중 두 모델에서 유일한 순수 전략 내시 균형이 존재한다: 동시적인 가격-QoS 게임과 고정된 가격에서의 QoS 게임.
• 고정된 가격에서의 QoS 게임에서 균형 QoS 수준은 고유하게 결정되며, 경쟁자들의 비용 및 수요 특성과 무관하며, 오직 제공자의 자체 가격, 비용, 위험 매개변수에만 의존한다.
• 균형 QoS 수준은 제공자의 가격에 대해 증가하고 오목함을 보이며, 명확한 도함수를 갖는다: $ s'_i(pr_i^f) = \frac{-x'_i(s_i)}{x''_i(s_i)(pr_i^f - c_i - \rho_i) - \frac{2\rho_i}{(\overline{rt} - s_i)^3}} $.
• 동시적인 가격-QoS 게임에서 다중 내시 균형이 존재할 경우, tâtonnement 과정은 유일한 최대 균형으로 수렴하며, 제공자들이 수익 극대화를 위해 선호하는 해이다.
• 민감도 분 析를 통해 직관적인 관계(예: 높은 QoS는 낮은 가격을 초래함)가 항상 성립하지 않으며, 역설적인 결과는 특정 시장 매개변수에 따라 달라진다.
• 모델들은 광고된 QoS와 실제 용량을 일치시킴으로써 최적의 동적 자원 할당을 가능하게 하여 낭비를 줄이고 클라우드 네트워크의 효율성을 향상시킨다.