諸葛斌 ，鄧 麗 ，戴國偉 ，王偉明 ，蘭巨龍

（1.浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院 杭州 310018；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

迄今為止，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展了40多年，世界上很多國家已經(jīng)將其作為重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，很大程度上改變了人類社會(huì)的生活及工作方式。然而，隨著無線通信、傳輸技術(shù)、計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)越來越不能滿足用戶不斷增長的需求。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)所使用的交換機(jī)、路由器和其他設(shè)備，已變得極其復(fù)雜，因?yàn)樗鼈冊絹碓蕉嗟貙?shí)現(xiàn)了由IETF等組織標(biāo)準(zhǔn)化的分布式協(xié)議和內(nèi)在的封閉專有接口[1]。在新的需求面前，互聯(lián)網(wǎng)原來的分層數(shù)據(jù)中心的主要不足包括:服務(wù)器到服務(wù)器的連接和帶寬受限、規(guī)模較小、資源分散、縱向擴(kuò)展成本高、路由效率低、配置開銷較大、不提供服務(wù)間的流量隔離和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議待改進(jìn)等，這些問題的出現(xiàn)使得新型的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)需要滿足大規(guī)模、高擴(kuò)展性、高頑健性、低配置開銷、靈活的拓?fù)浜玩溌啡萘靠刂?、低成本等[2]。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN）的出現(xiàn)解決了以上問題。SDN是由美國斯坦福大學(xué)Clean Slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，其核心是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離，通過在控制面直接編程實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。在開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）的領(lǐng)導(dǎo)下，SDN的轉(zhuǎn)發(fā)控制分離架構(gòu)使得底層基礎(chǔ)設(shè)施被抽象成為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)邏輯或虛擬實(shí)體提供給應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3]。

近年來，SDN的熱度持續(xù)升溫。2012年，國際研究機(jī)構(gòu)Gartner將其列為未來5年內(nèi)IT領(lǐng)域十大關(guān)鍵技術(shù)之一。同年，谷歌宣布已在其內(nèi)部骨干網(wǎng)絡(luò)上使用SDN技術(shù)，標(biāo)志著SDN進(jìn)入商用化階段。本文從SDN架構(gòu)出發(fā)，通過分析OpenDaylight項(xiàng)目和雙邊市場理論，提出了基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)主要通過多平臺(tái)的選擇降低網(wǎng)絡(luò)故障問題，從而提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2 OpenDaylight概述

2013年 4月，由 Cisco、IBM、微軟、英特爾等超過 18家互聯(lián)網(wǎng)巨頭成立了開源SDN項(xiàng)目——OpenDaylight，該項(xiàng)目由Linux基金會(huì)執(zhí)行董事Zemlin J主持，其成員將為項(xiàng)目提供人力及物力支持。OpenDaylight希望打破供應(yīng)商對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的壟斷，縮短網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的生命周期，為網(wǎng)絡(luò)管理提供更靈活和廉價(jià)的解決方案。2014年2月4日，OpenDaylight宣布提供第一款自己的軟件即“Hydrogen”（氫）軟件的下載。Hydrogen發(fā)布后，各企業(yè)、服務(wù)提供商、設(shè)備供應(yīng)商和研究人員可以在網(wǎng)上下載軟件包，作為評(píng)估、商業(yè)化和部署軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的基礎(chǔ)。Hydrogen有3個(gè)版本:基礎(chǔ)版、虛擬化版和服務(wù)提供商版。

2.1 OpenDaylight項(xiàng)目研發(fā)范圍

在OpenDaylight發(fā)展過程中，采用了處理大數(shù)據(jù)的Hadoop以及基于Webkit瀏覽器的類似研發(fā)方案。OpenDaylight是一個(gè)非盈利組織，所有成員都不能獨(dú)立決定整個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展，在其成員內(nèi)部選擇最佳的實(shí)現(xiàn)代碼。以代碼整合和工程主導(dǎo)的方式研發(fā)核心的基礎(chǔ)設(shè)施軟件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商將公開研發(fā)資源，通過這些資源開發(fā)基礎(chǔ)設(shè)施軟件的增值產(chǎn)品。同時(shí)，OpenDaylight也是一個(gè)研發(fā)實(shí)體，未來將與作為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)體的ONF形成互補(bǔ)。

OpenDaylight項(xiàng)目的研發(fā)范圍如圖1所示，主要包括以下3方面:

·SDN控制器的研發(fā)；

·北向和南向API（包括OpenFlow）的專有擴(kuò)展；

·多個(gè)控制器之間的東西向協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

圖1 Open Daylight項(xiàng)目研發(fā)范圍

以此為目標(biāo)，Open Daylight最終將開發(fā)完善的SDN新技術(shù)（包括邏輯上集中的SDN控制器），通過開放API把上層的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、底層的交換機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與控制器連接起來，同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜推渌M件的軟件實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

2.2 基于For CES的Open Daylight主體框架

Open Daylight作為一個(gè)開源項(xiàng)目[4]，其核心是模塊化、可插拔、靈活的控制器平臺(tái)。SDN的基本思想是從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中把控制能力解耦出來，集成到邏輯上集中的控制視圖——控制器平臺(tái)中，從而除了設(shè)備供應(yīng)商能編程和定義控制能力以外，其他普通用戶也可進(jìn)行同樣的編程操作。IETF的 For CES架構(gòu)能很好地滿足控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的需求，目前其ForCES工作組已經(jīng)正式發(fā)布了12個(gè)RFC標(biāo)準(zhǔn)，本文在現(xiàn)有的OpenDaylight平臺(tái)上將本課題組開發(fā)的ForCES中間件移植到OpenDaylight框架中?；贔orCES的OpenDayligh主體框架如圖2所示，與ONF SDN架構(gòu)類似，包含以下幾層。

圖2 基于ForCES的Open Daylight主體框架

·應(yīng)用層:頂層由使用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序組成，用于網(wǎng)絡(luò)的正常通信。這一層也包括業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)邏輯應(yīng)用程序，以監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)行為。

·控制層:OpenDaylight分層架構(gòu)的中間層，SDN控制器向應(yīng)用層公開和提供一組通用API（通常被稱作北向接口），同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)協(xié)議（通常被稱作南向接口）控制網(wǎng)絡(luò)中的物理硬件設(shè)施。在這層中，本文加入ForCES控制模型。ForCES控制模型主要由多個(gè)CE（控制件）組成，管理和控制多個(gè)FE（轉(zhuǎn)發(fā)件），CE具有靈活配置 FE內(nèi)各LFB（logical functional block，邏輯功能塊）的功能，通過構(gòu)造不同的LFB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠完成各種不同的業(yè)務(wù)。為了ForCES的正常運(yùn)行，還需在SAL（serviceAbstractlayer,服務(wù)抽象層）中插入ForCES協(xié)議插件。

·數(shù)據(jù)平面層:底層由物理和虛擬的交換機(jī)、路由器等其他設(shè)備組成，構(gòu)成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間所有端點(diǎn)的連接結(jié)構(gòu)。在ForCES中，數(shù)據(jù)平面層中的資源被抽象成LFB。在本文中，銷售商層的資源用LFB描述，這些LFB是對物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中異構(gòu)異質(zhì)的資源進(jìn)行重構(gòu)抽象而產(chǎn)生的，是一種邏輯實(shí)體。

3 基于雙邊市場的SDN研究

近年來，隨著云計(jì)算、虛擬化、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)企業(yè)提出了精簡網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和提升業(yè)務(wù)質(zhì)量的需求。未來網(wǎng)絡(luò)逐漸從面向連接轉(zhuǎn)為面向應(yīng)用，在這種大背景下，SDN作為新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，即時(shí)登上網(wǎng)絡(luò)舞臺(tái)，成為引領(lǐng)變革的新主角[5]。如今，各種學(xué)科間不再局限于單純的某一領(lǐng)域的研究，而是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域研究，該研究適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展需求。本文主要將SDN與經(jīng)濟(jì)學(xué)中的雙邊市場進(jìn)行結(jié)合形成一個(gè)交叉學(xué)科來研究。

3.1 雙邊市場的介紹

“雙邊市場”理論是國際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。真正對雙邊市場的研究始于2000年前后，主要由一系列針對國際信用卡產(chǎn)業(yè)的反壟斷案例所引發(fā)。Armstrong在2004年提出，雙邊市場是指兩組參與者需要通過中間層或平臺(tái)進(jìn)行交易，而且一組參與者加入平臺(tái)的收益取決于加入該平臺(tái)另一組參與者的數(shù)量。Wright在2004年指出雙邊市場涉及兩種類型截然不同的用戶，每一類用戶通過共有平臺(tái)與另一類用戶相互作用而獲得價(jià)值。Rochet和Tirole（2004年）在只存在使用外部性的情況下，定義和區(qū)分了雙邊市場和單邊市場。下面主要對雙邊市場的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及雙邊市場中的非對稱定價(jià)策略標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹。

3.1.1 雙邊市場的特點(diǎn)

雙邊市場基本特征的共識(shí)主要以下有3點(diǎn)。

（1）具有交叉或者雙邊網(wǎng)絡(luò)外部性

自Katz和Shapiro（1985年）開始，有大量文獻(xiàn)研究市場內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)外部性問題。但在某些情況下，如媒體產(chǎn)業(yè)，網(wǎng)絡(luò)外部性發(fā)生在兩個(gè)市場之間，在某一特定市場上生產(chǎn)的產(chǎn)品效用隨著對另一市場所生產(chǎn)產(chǎn)品的需求數(shù)量而變化，反之亦然，這就稱作雙邊網(wǎng)絡(luò)外部性。

（2）具有價(jià)格非對稱性

當(dāng)平臺(tái)企業(yè)索要的價(jià)格總額不變時(shí)，可以通過調(diào)整對雙邊用戶的收費(fèi)實(shí)現(xiàn)利潤最大化，而不是按照邊際成本等于價(jià)格（邊際收益）的原則確定，此時(shí)平臺(tái)企業(yè)對用戶的定價(jià)不對稱，即傾斜式定價(jià)。不對稱定價(jià)能吸引用戶參與，并內(nèi)部化用戶間的網(wǎng)絡(luò)外部性。

（3）需求的互補(bǔ)性或相互依賴性

雙邊用戶同時(shí)對平臺(tái)企業(yè)的產(chǎn)品有需求時(shí)，產(chǎn)品才有價(jià)值[6]。

雙邊市場在現(xiàn)實(shí)世界中存在較為廣泛。許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如媒體、中介業(yè)和支付卡系統(tǒng)都是典型的雙邊市場。隨著信息通信技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，又出現(xiàn)了多種新型的雙邊市場形式，如B2B、B2C電子市場、門戶網(wǎng)站等。

3.1.2 雙邊市場結(jié)構(gòu)和非對稱定價(jià)策略標(biāo)準(zhǔn)

雙邊市場的結(jié)構(gòu)主要分為以下幾種:基本市場結(jié)構(gòu)、存在中間服務(wù)提供商的結(jié)構(gòu)、消費(fèi)者多歸屬結(jié)構(gòu)、平臺(tái)互聯(lián)互通和存在中間服務(wù)提供商的平臺(tái)互聯(lián)結(jié)構(gòu)。而在本文中主要討論消費(fèi)者多歸屬結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是雙邊市場中的常態(tài)行為，是消費(fèi)者之間存在多歸屬的情況，消費(fèi)者希望在多個(gè)平臺(tái)上登錄以接觸廣泛的潛在交易對象。如圖3所示是消費(fèi)者多歸屬結(jié)構(gòu)。

圖3 消費(fèi)者多歸屬結(jié)構(gòu)

非對稱定價(jià)策略是指對用戶制定比較低的或者免費(fèi)的價(jià)格，吸引用戶到相應(yīng)的平臺(tái)上來，然后利用網(wǎng)絡(luò)外部性的作用，吸引另外一邊的資源提供商到平臺(tái)上交易，同時(shí)制定比較高的價(jià)格彌補(bǔ)平臺(tái)運(yùn)營成本并實(shí)現(xiàn)盈利。結(jié)合一個(gè)例子來說明，淘寶網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的收費(fèi)方式大概分為會(huì)員費(fèi)、服務(wù)費(fèi)、廣告費(fèi)和交易費(fèi)4種，表1對淘寶網(wǎng)中消費(fèi)者和商戶的收費(fèi)進(jìn)行了比較，可以看出該平臺(tái)主要是利用對消費(fèi)者采取完全免費(fèi)的非對稱定價(jià)策略吸引消費(fèi)者，從而達(dá)到交易量上漲的目的。

表1 消費(fèi)者和商戶之間的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)比較

依照雙邊市場理論，該平臺(tái)運(yùn)行的基本原理就是:用盡可能低廉的收費(fèi)獲得盡可能大的用戶規(guī)模，再以盡可能大的用戶規(guī)模贏得盡可能多的商戶，從而以從商戶服務(wù)中獲取的收費(fèi)來彌補(bǔ)平臺(tái)運(yùn)營的虧損，最終獲得盈利[7]。

3.2 基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理模型

在人類社會(huì)的商品市場中，經(jīng)濟(jì)學(xué)家已經(jīng)提出了很多微觀經(jīng)濟(jì)和宏觀經(jīng)濟(jì)方面的經(jīng)濟(jì)模型，成為對商品價(jià)格預(yù)測和管理的重要工具。目前，一些經(jīng)濟(jì)模型已經(jīng)嘗試用于數(shù)據(jù)庫管理、CPU周期、存儲(chǔ)和分布式計(jì)算等系統(tǒng)，如Mariposa[8]、Mungi[9]、JavaMarket[10]。其中，一些經(jīng)濟(jì)模型也可以用于網(wǎng)絡(luò)資源的管理，如商品市場模型、牌價(jià)模型、議價(jià)模型、招標(biāo)/契約模型和拍賣模型等[11]，結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)理論，明確影響經(jīng)濟(jì)變化的關(guān)鍵因素，通過建模分析市場經(jīng)濟(jì)中的商品需求、供給與價(jià)格之間的關(guān)系。

雙邊市場中的消費(fèi)者和銷售商對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)中的用戶和提供商。在最底層的為資源設(shè)備層，捕獲各個(gè)物理資源的QoS屬性，以支撐中間層的各類QoS[12]。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商是網(wǎng)絡(luò)提供商，不僅需要從網(wǎng)絡(luò)角度知道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，還需要從服務(wù)角度知道網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況。此外，需要在提供多媒體服務(wù)和應(yīng)用時(shí)有效利用網(wǎng)絡(luò)資源。本文主要通過雙邊市場與SDN進(jìn)行結(jié)合，對SDN框架中的資源進(jìn)行多平臺(tái)選擇，使得消費(fèi)者可以以更低的價(jià)格選擇自己想要的資源，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配。

在Open Daylight架構(gòu)的SAL中，利用ForCES中間件服務(wù)對資源分配進(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真說明如圖4所示的基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)主要由3部分組成，分別為消費(fèi)者層、SDN控制器層和銷售商層。資源調(diào)度可分為以下幾個(gè)步驟。

（1）消費(fèi)者層對應(yīng)于Open Daylight框架中的應(yīng)用層。在消費(fèi)者層中，消費(fèi)者對SDN控制器提出自己的要求，包括所需資源和交易所必須的信息，如價(jià)格、時(shí)間限制、偏好等，并通過 UOM 和 Open Daylight API（REST）傳遞給 SDN控制器。

（2）SDN控制器層主要由Open Daylight控制器和多平臺(tái)管理系統(tǒng)層組成，并進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，通過Open Daylight API（REST）接收來自消費(fèi)者層的要求，將該要求在OpenDaylight控制器匯總整理后提交給多平臺(tái)管理系統(tǒng)層。多平臺(tái)管理系統(tǒng)層是依照雙邊市場的消費(fèi)者多歸屬結(jié)構(gòu)構(gòu)造的。圖5是對圖3的擴(kuò)展。多平臺(tái)管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)資源發(fā)現(xiàn)和資源選擇，根據(jù)銷售商信息和用戶的服務(wù)要求選擇不同的平臺(tái)進(jìn)行交易。在該選擇中采用基于擴(kuò)展的FPM（fixed-pricing mechanism，固定價(jià)格機(jī)制）的價(jià)格選擇算法來確定交易價(jià)格。

（3）銷售商層對應(yīng)于OpenDaylight框架中的數(shù)據(jù)平面層，主要負(fù)責(zé)資源的實(shí)時(shí)更新，根據(jù)市場信息動(dòng)態(tài)調(diào)整各個(gè)交易平臺(tái)上的交易價(jià)格和數(shù)量。其中，銷售商層和SDN控制器層通過南向接口ForCES協(xié)議調(diào)度。資源選擇功能實(shí)現(xiàn)對銷售商層LFB庫中的不同LFB進(jìn)行選擇，并轉(zhuǎn)發(fā)到多平臺(tái)管理系統(tǒng)層中進(jìn)行資源的調(diào)度。

圖4 基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)

圖5 多平臺(tái)管理示意

上述基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)提供了對資源的集中管理能力，并且能適應(yīng)環(huán)境和用戶需求的變化，具有可編程、可擴(kuò)展的特點(diǎn)，非常適合于SDN環(huán)境下分布、動(dòng)態(tài)、自治且異構(gòu)的大量資源的管理和分配。在SDN中，本文采用迭代選擇算法進(jìn)行資源的選擇。其中，銷售商所要解決的問題是在不同的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)領(lǐng)域選擇一組服務(wù)實(shí)例化，以滿足用戶的不同QoS[13]要求。該資源管理體系結(jié)構(gòu)模型在優(yōu)先和最有效地利用資源方面顯示出巨大的潛力。

4 基于FPM的價(jià)格選擇算法

4.1 FPM模型介紹

在市場上商家提供商品并且決定價(jià)格曲線，設(shè)價(jià)格曲線為一個(gè)向量P，表示如下:

其中，Pi表示當(dāng)購買商品數(shù)量為i時(shí)的單位價(jià)格。當(dāng)采用FPM模型時(shí)，即各個(gè)價(jià)格都相同。根據(jù)Chen J[14]等人的研究，有如下規(guī)則和策略。

規(guī)則 I 如果競拍向量是 B=（b1，b2，b3，…，bn），n≤N（N為商品儲(chǔ)備量），交易價(jià)格為 P（B）=Pq，其中交易量 q表示為:

其中，H 為 0-1函數(shù)，即若 x≥0，H（x）=1；若 x≤0，H（x）=0。

當(dāng)交易價(jià)格為P時(shí)，顧客出價(jià)不小于P方能交易成功，成交價(jià)為P；出價(jià)低于P的顧客無法完成交易。

策略S 若潛在顧客對商品的估價(jià)為v，設(shè)其購買函數(shù)V（p）為:

其中，“0”表示潛在顧客沒有拍下貨物或者拍下后沒有付款；pj為式(1)價(jià)格向量中的分量，當(dāng)顧客估價(jià)v位于2個(gè)分量之間時(shí)，則取較小值。S策略表明，當(dāng)pN高于潛在客戶內(nèi)心估價(jià)時(shí)，潛在顧客會(huì)放棄購買；反之，潛在顧客會(huì)購買該產(chǎn)品。

根據(jù)規(guī)則I和策略S，產(chǎn)品的總銷售量為:

其中，Vn=（v1，v2，v3，…，vn）表示 n 個(gè)潛在顧客對商品的內(nèi)心估價(jià)，vj（j=1，2，3，…，n）表示第 j個(gè)潛在顧客的估價(jià)。商家的收益表示為:

其中，quantity表示總銷售量，Vn表示n個(gè)潛在顧客對商品的內(nèi)心估價(jià)，C為單位商品成本[15]。

4.2 FPM模型的擴(kuò)展

博弈論是經(jīng)濟(jì)學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)分析工具之一，是用于研究具有競爭性質(zhì)或現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論和方法，近年來，開始廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的流量工程、網(wǎng)絡(luò)安全以及體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展等各個(gè)方向[16,17]。上文提到的FPM模型為資源價(jià)格的選擇和供應(yīng)商的收益提供了一種靜態(tài)的方法。在博弈論的基礎(chǔ)上，根據(jù)SDN的資源虛擬化和可編程特性提出了一種動(dòng)態(tài)的資源價(jià)格選擇算法。

為了動(dòng)態(tài)地反映網(wǎng)絡(luò)資源的使用情況，資源提供者（運(yùn)營商）通過字節(jié)數(shù)計(jì)費(fèi)的動(dòng)態(tài)方案出售網(wǎng)絡(luò)資源，用戶根據(jù)價(jià)格策略動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身在不同平臺(tái)上的選擇。本文采用分布式迭代算法完成資源價(jià)格的選擇過程。

用戶的效用函數(shù)為:

其中，鄣是一個(gè)大于零的常量，x表示用戶獲得的資源量，Dj表示在運(yùn)營商j上進(jìn)行交易所需的費(fèi)用。

運(yùn)營商的效用函數(shù)為:

G（i）表示第i個(gè)資源提供者獲得的收益。

整個(gè)迭代過程采用如下循環(huán):資源提供者在每個(gè)時(shí)刻t，根據(jù)式(2)重新制定交易價(jià)格。用戶收到新的價(jià)格消息后，在每個(gè)時(shí)間間隔ε內(nèi)，根據(jù)式(6)和式(7)分別計(jì)算用戶和資源提供者的效用值，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整使用戶的效用達(dá)到最大。如果此時(shí)所有運(yùn)營商的效用也達(dá)到最大，則停止迭代，否則在下一時(shí)刻ε+1，資源提供者根據(jù)用戶的要求重新計(jì)算效用函數(shù)值繼續(xù)迭代[18]。

分布式迭代算法的偽代碼如下所示。

通過該動(dòng)態(tài)的資源價(jià)格選擇算法確定價(jià)格后，分別利用兩種不同的分配策略進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度。在此主要討論兩種任務(wù)調(diào)度策略:順序分配策略和貪心策略。

（1）順序分配策略

順序分配策略主要是把一組任務(wù)順序分配給一組資源，當(dāng)所有資源都有任務(wù)分配時(shí)，再從第一個(gè)資源開始從頭分配任務(wù)。該方法盡量保證每個(gè)資源都分配到相同數(shù)量的任務(wù)以平攤負(fù)載，并不考慮任務(wù)的需求和資源之間的差異。

（2）貪心策略

貪心策略的目的是讓所有任務(wù)的完成時(shí)間接近最短，主要考慮任務(wù)長度和資源執(zhí)行速度兩個(gè)參數(shù)。這種策略反映了越復(fù)雜的任務(wù)需要執(zhí)行速度越快的資源來完成，以解決復(fù)雜任務(wù)造成的瓶頸，降低所有任務(wù)的總執(zhí)行時(shí)間[19]。

本文仿真主要對這兩種算法進(jìn)行對比，并分別在單、雙平臺(tái)上演示得出仿真結(jié)果。

4.3 基于擴(kuò)展的FPM多平臺(tái)選擇算法描述

根據(jù)擴(kuò)展的FPM模型，為圖5中的多平臺(tái)管理提供了一個(gè)選擇策略。該策略的目的是用最少的資源和價(jià)格完成消費(fèi)者的要求。其基本思想是根據(jù)FPM模型中商家提供的價(jià)格加上平臺(tái)服務(wù)的部分費(fèi)用與消費(fèi)者提供的價(jià)格進(jìn)行對比，從而選擇最合適的平臺(tái)。策略具體描述如下。

（1）資源信息發(fā)現(xiàn):通過多平臺(tái)管理系統(tǒng)中的資源信息模塊統(tǒng)計(jì)消費(fèi)者層和銷售商層的資源請求和資源量。

（2）計(jì)算交易價(jià)格:根據(jù)擴(kuò)展的FPM模型計(jì)算交易價(jià)格和對應(yīng)的平臺(tái)使用費(fèi)用。

（3）平臺(tái)選擇:根據(jù)雙邊市場中的非對稱定價(jià)策略標(biāo)準(zhǔn)，按照平臺(tái)使用費(fèi)及資源價(jià)格與消費(fèi)者所能提供的價(jià)格進(jìn)行對比選擇適合的平臺(tái)。

（4）調(diào)度任務(wù):重復(fù)以下調(diào)度過程直到未處理任務(wù)列表為空，或者處理時(shí)間達(dá)到用戶要求的截止期限，或者執(zhí)行花費(fèi)超過用戶預(yù)算。

·根據(jù)以前任務(wù)平臺(tái)的選擇進(jìn)行計(jì)算和推測，預(yù)測并確定每個(gè)平臺(tái)的使用率。

·按照平臺(tái)使用價(jià)格遞增的順序?qū)ζ脚_(tái)進(jìn)行排序。如果兩個(gè)或更多平臺(tái)的價(jià)格是相同的，將服務(wù)速度快的排在前面。對每個(gè)平臺(tái)，基于它的使用率，預(yù)測并建立該平臺(tái)在截止期限前可以處理的任務(wù)數(shù)。

·生成平臺(tái)組，組中的每個(gè)平臺(tái)具有相同的價(jià)格。

·按照價(jià)格對平臺(tái)組進(jìn)行排序。

·對每個(gè)平臺(tái)，如果有在前一次調(diào)度中分配到任務(wù)但還未執(zhí)行的，把合適數(shù)量的任務(wù)移至未分配任務(wù)列表，有助于平臺(tái)使用率的更新。

·對于完成所有任務(wù)的任務(wù)列表，從未完成的任務(wù)列表中選擇一個(gè)任務(wù)執(zhí)行。

（5）分配任務(wù):如果還有未完成的請求任務(wù)，重復(fù)以下操作直到任務(wù)全部完成。

·在不超過平臺(tái)負(fù)載能力的前提下，確定能夠提交到平臺(tái)上的任務(wù)數(shù)目。

·按一定的策略分配任務(wù)到平臺(tái)上。算法流程如圖6所示。

5 仿真及結(jié)果分析

5.1 仿真環(huán)境

采用CloudSim[20]作為算法仿真平臺(tái)，主要從任務(wù)的完成時(shí)間和任務(wù)的開銷兩個(gè)方面分別對基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真比較，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。為了測試簡單起見，將多平臺(tái)設(shè)定為雙平臺(tái)系統(tǒng)，對單平臺(tái)和雙平臺(tái)的任務(wù)完成時(shí)間和平臺(tái)使用費(fèi)用進(jìn)行比較。

圖6 算法流程

首先，創(chuàng)建一組資源信息（見表2），記錄商家提供的不同資源的參數(shù)情況。參數(shù)有CPU的計(jì)算能力、提供的帶寬、存儲(chǔ)能力等，商家可以通過提供這些服務(wù)獲取收益。為了簡化仿真過程，僅考慮資源的計(jì)算能力。表2中，資源_MIPS表示資源的計(jì)算能力，資源價(jià)格表示資源的使用費(fèi)用，交易價(jià)格表示商家提供的單位時(shí)間價(jià)格。

表2 商家資源參數(shù)

然后，創(chuàng)建用戶所需的任務(wù)，用戶的競拍向量P={1.2,1.5,2.0,2.5,3.1}，即用戶所支付的單位時(shí)間資源的價(jià)格向量；任務(wù)長度task length={19365,49809,30218,44157,16754,18336,20045,31493,30727,31017}，即用戶提出的要求所需資源用任務(wù)長度描述。

根據(jù)商家出的交易價(jià)格，用戶的競拍向量P和擴(kuò)展的FPM模型中的交易價(jià)格P（B）=Pq，表示為:

可以得出初始交易價(jià)格為P（B）=P5=3，當(dāng)用戶的出價(jià)低于P（B）時(shí)就不再進(jìn)行交易。再根據(jù)策略中產(chǎn)品的總銷售量（式（9））和商家收益（式（10））得到商家的獲利情況。

確定交易價(jià)格后再對任務(wù)進(jìn)行分配。在任務(wù)分配過程中，主要采用順序分配和貪心策略分配模式，在對虛擬化服務(wù)分配處理核心時(shí)，利用的是空間共享策略。

最后，創(chuàng)建一組平臺(tái)，平臺(tái)參數(shù)為平臺(tái)的會(huì)員費(fèi)、廣告費(fèi)、服務(wù)費(fèi)和交易費(fèi)。4個(gè)費(fèi)用之和即平臺(tái)總的使用費(fèi)用。費(fèi)用越高，商家所支付的費(fèi)用也越高，從而帶來交易成本的提高，這將直接影響消費(fèi)者對平臺(tái)的選擇。在此仿真中，本文利用2個(gè)平臺(tái)進(jìn)行，平臺(tái)2的費(fèi)用為200元，平臺(tái)3的費(fèi)用為100元，根據(jù)不同任務(wù)在不同平臺(tái)上的完成情況對總的交易費(fèi)用進(jìn)行比較。

在此期間，主要記錄任務(wù)完成時(shí)間及價(jià)格。通過這2個(gè)數(shù)據(jù)將2個(gè)分配策略在單、雙平臺(tái)上進(jìn)行比較。

5.2 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

根據(jù)不同的任務(wù)在CloudSim中進(jìn)行仿真，本文根據(jù)不同的資源分配策略對任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，分配策略有按順序分配和貪心策略分配方法，下面主要針對這2種分配方法和定價(jià)策略在單、雙平臺(tái)上進(jìn)行仿真并將任務(wù)完成時(shí)間和價(jià)格進(jìn)行比較。

如圖7所示是按順序分配資源的任務(wù)完成時(shí)間對比。從圖7中可以看出，雙平臺(tái)無論在單個(gè)任務(wù)還是總共任務(wù)的完成時(shí)間上都比單平臺(tái)完成時(shí)間小。雙平臺(tái)總共完成時(shí)間是1370.78 s，單平臺(tái)總共完成時(shí)間是1733.29 s，雙平臺(tái)完成時(shí)間比單平臺(tái)完成時(shí)間節(jié)省約21%。

圖7 單雙平臺(tái)順序分配完成時(shí)間對比

根據(jù)不同資源的使用價(jià)格、平臺(tái)的使用費(fèi)用以及任務(wù)的完成時(shí)間與單位時(shí)間價(jià)格的乘積得到代價(jià)仿真結(jié)果，如圖8所示。

從圖8中可以看出，雙平臺(tái)在每個(gè)任務(wù)的完成代價(jià)和總代價(jià)上都有優(yōu)勢。其中，雙平臺(tái)總共完成代價(jià)為6566.36元，而單平臺(tái)總共完成代價(jià)為8053.87元。單平臺(tái)比雙平臺(tái)多耗費(fèi)1487.51元，即雙平臺(tái)比單平臺(tái)在完成代價(jià)上節(jié)省約18%。

當(dāng)采用貪心策略對任務(wù)進(jìn)行分配后，任務(wù)完成時(shí)間（以下涉及時(shí)間的單位均為秒）、虛擬機(jī)的分配見表3、表4。

圖8 單雙平臺(tái)順序完成代價(jià)對比

表3 貪心策略單平臺(tái)結(jié)果

表4 貪心策略雙平臺(tái)結(jié)果

圖9顯示了不同任務(wù)在單雙平臺(tái)上使用貪心策略虛擬機(jī)分配的結(jié)果。從表3、表4可以看出貪心策略動(dòng)態(tài)調(diào)整任務(wù)與虛擬機(jī)的分配，從而實(shí)現(xiàn)總體上時(shí)間的縮短。相比單平臺(tái)系統(tǒng)，雙平臺(tái)系統(tǒng)在時(shí)間上節(jié)省17.09%，代價(jià)節(jié)省17.13%；相比順序分配策略，貪心策略在單、雙平臺(tái)上節(jié)省約18%和14%的時(shí)間，而代價(jià)節(jié)省11%和9%。綜上所述，無論采取順序分配策略還是貪心策略，雙平臺(tái)在任務(wù)完成時(shí)間和代價(jià)上都比單平臺(tái)更有優(yōu)勢。

圖9 單雙平臺(tái)貪心策略完成代價(jià)對比

以上結(jié)論證明了基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。從完成時(shí)間和使用費(fèi)用、成本上來說，雙平臺(tái)的使用不僅降低了任務(wù)的完成時(shí)間，并且能以更小的代價(jià)完成。其結(jié)果效用符合雙平臺(tái)的設(shè)想，用戶可以靈活地選擇不同的平臺(tái)進(jìn)行交易，完全從用戶的角度出發(fā)，保障了用戶的QoS需求。

6 結(jié)束語

由于SDN的出現(xiàn)有可能會(huì)打破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的市場格局，為競爭者帶來絕佳的機(jī)會(huì)，因而獲得大批創(chuàng)業(yè)者和各利益相關(guān)方的關(guān)注與積極參與。本文主要提出了一種SDN資源管理機(jī)制，依照現(xiàn)有的OpenDaylight框架構(gòu)建了基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)，并通過Open Daylight和FPM模型的結(jié)合，提出了一種基于擴(kuò)展的FPM多平臺(tái)價(jià)格選擇算法。在未來網(wǎng)絡(luò)流量、應(yīng)用請求不斷增大的趨勢下，本文提出的基于雙邊市場多歸屬結(jié)構(gòu)的SDN資源管理體系結(jié)構(gòu)能更好地滿足對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的要求。

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