云服務(wù)市場(chǎng)的現(xiàn)貨期權(quán)協(xié)同交易機(jī)制研究

樊 聰，陳冬林，桂雁軍，宋大為

(1．武漢理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430070;2．福建新奇特車業(yè)服務(wù)有限公司上海分公司，上海 201824)

與傳統(tǒng)資源交易市場(chǎng)不同，目前云服務(wù)市場(chǎng)處于發(fā)展初期，尚未形成統(tǒng)一的市場(chǎng)交易機(jī)制，用戶在不同云服務(wù)提供商之間的轉(zhuǎn)換非常困難，并且提供商違反服務(wù)等級(jí)協(xié)議(SLA)的事件頻發(fā)，傳統(tǒng)資源交易模型及市場(chǎng)機(jī)制并不能很好地滿足云服務(wù)交易的需求。

ITANI等指出，隨著云服務(wù)市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，云服務(wù)提供商之間必須依靠相互協(xié)作的方式來(lái)應(yīng)對(duì)日益增大的用戶群，通過(guò)協(xié)同機(jī)制使得用戶的需求由多個(gè)不同的云服務(wù)提供商來(lái)滿足［1］。KNAPPER等發(fā)現(xiàn)隨著云市場(chǎng)中提供的服務(wù)越來(lái)越多，用戶購(gòu)買云服務(wù)需要根據(jù)自身特有的偏好來(lái)確定，而供應(yīng)商在提供服務(wù)時(shí)對(duì)這些偏好并不了解，因此存在信息不對(duì)稱，他提出了使云服務(wù)提供商在信息不對(duì)稱的不完全市場(chǎng)下利潤(rùn)最大化的一個(gè)經(jīng)濟(jì)模型［2］。JAVADI等相信現(xiàn)貨實(shí)例的特征是公共云環(huán)境中現(xiàn)貨市場(chǎng)隨機(jī)調(diào)度算法和容錯(cuò)機(jī)制設(shè)計(jì)的根本，他們基于亞馬遜現(xiàn)貨實(shí)例依據(jù)不同的現(xiàn)貨價(jià)格和價(jià)格變動(dòng)時(shí)間分析了不同類型的現(xiàn)貨實(shí)例，并提出了一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型［3］。FUJIWARA等提出了一個(gè)面向市場(chǎng)的云計(jì)算資源分配模型，該模型允許用戶從多個(gè)云供應(yīng)商購(gòu)買一組服務(wù)，并且借鑒了股市、電力市場(chǎng)獨(dú)立運(yùn)行的現(xiàn)貨市場(chǎng)與期貨市場(chǎng)機(jī)制，使得云市場(chǎng)資源分配更加靈活，初步的測(cè)試顯示該模型在可能的云環(huán)境下能以理想的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)［4］。CHAISIRI等研究了一個(gè)云計(jì)算市場(chǎng)，在該市場(chǎng)中，一個(gè)云服務(wù)提供商從微軟Windows Azure平臺(tái)租用云計(jì)算資源，再與一些其他增值服務(wù)整合，然后通過(guò)出售這些打包服務(wù)賺取利潤(rùn)［5］。雖然目前一些學(xué)者已經(jīng)提出了云聯(lián)盟的概念，但目前還停留在技術(shù)層面，并且忽略了各個(gè)參與主體追求利潤(rùn)最大化的本質(zhì)需求。

從其他擁有完善交易機(jī)制的市場(chǎng)如電力市場(chǎng)借鑒經(jīng)驗(yàn)，文獻(xiàn)［6］剖析了區(qū)域共同市場(chǎng)模式的交易機(jī)理，設(shè)計(jì)了幾種區(qū)域共同市場(chǎng)模式(模型)和交易機(jī)制。文獻(xiàn)［7］介紹了自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)(AVC)在電廠的安裝配置情況、調(diào)壓原理軟件設(shè)置及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況。文獻(xiàn)［8］設(shè)計(jì)了一種以各參與者對(duì)市場(chǎng)的福利貢獻(xiàn)來(lái)進(jìn)行市場(chǎng)的收益分配和結(jié)算的雙邊競(jìng)價(jià)機(jī)制。文獻(xiàn)［9］結(jié)合期權(quán)思想，設(shè)計(jì)了一種包含強(qiáng)勢(shì)賣方期權(quán)的電力遠(yuǎn)期合同，以發(fā)電商期望收益最大化建模，并通過(guò)理論研究及模擬分析，證明了發(fā)電商通過(guò)簽訂該合同能夠提高期望收益。

筆者在借鑒電力市場(chǎng)交易機(jī)制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)面向云服務(wù)參與主體的協(xié)同交易機(jī)制，并利用模擬分析驗(yàn)證了交易機(jī)制的有效性;該機(jī)制整合了云服務(wù)的所有參與主體，其中現(xiàn)貨交易機(jī)制為提供商之間的協(xié)同搭建了平臺(tái)，通過(guò)相互協(xié)作為用戶提供“一站式”服務(wù)，這將在很大程度上促進(jìn)云服務(wù)參與主體之間的協(xié)同;而期權(quán)交易機(jī)制為“提供商間市場(chǎng)”創(chuàng)造了風(fēng)險(xiǎn)管理的工具，可有效降低提供商違反服務(wù)等級(jí)協(xié)議的風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

1 云計(jì)算協(xié)同交易市場(chǎng)機(jī)制設(shè)計(jì)

1．1 交易機(jī)制及主要參與者關(guān)系

筆者提出了面向生態(tài)系統(tǒng)主體的協(xié)同交易機(jī)制，該市場(chǎng)交易機(jī)制中的主要參與者之間的交互關(guān)系如圖1所示。

圖1 云現(xiàn)貨交易機(jī)制及主要參與者關(guān)系

其中，用戶可以為個(gè)人用戶或機(jī)構(gòu)用戶，用戶的效用函數(shù)取決于服務(wù)的價(jià)格和質(zhì)量等;同時(shí)每個(gè)用戶還面臨著一定的資源約束，如成本約束。

云服務(wù)提供商可以為用戶提供一系列服務(wù)，如計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、SaaS和IaaS等服務(wù)。每個(gè)CP可單獨(dú)向拍賣系統(tǒng)提供報(bào)價(jià)或通過(guò)代理商，也可與其他CP合作，為用戶提供單一的團(tuán)體報(bào)價(jià)。

代理商并不能以自身的名義向用戶提供服務(wù)，在獲得云服務(wù)提供商的授權(quán)之后，以云服務(wù)提供商的名義向用戶銷售云服務(wù)，然后從中賺取買賣差價(jià)。

服務(wù)集成商可分為兩類，第一類通過(guò)對(duì)多個(gè)CP的服務(wù)進(jìn)行組合，然后向拍賣系統(tǒng)提出報(bào)價(jià)，從而滿足用戶對(duì)一組服務(wù)的需求;第二類對(duì)現(xiàn)有服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，以一種新的服務(wù)向用戶提供。

交易監(jiān)管員對(duì)拍賣機(jī)制負(fù)責(zé)，他需要制定拍賣的規(guī)則，并確保規(guī)則的執(zhí)行;拍賣機(jī)制作為交易機(jī)制中的一部分，首先需要從各個(gè)參與CP收集報(bào)價(jià)(個(gè)體報(bào)價(jià)或團(tuán)體報(bào)價(jià))，然后通過(guò)一定的WDA(winner determination algorithm)算法找到最適合用戶需求的一組服務(wù)及其提供商，該角色的功能可由專業(yè)機(jī)構(gòu)完成。

1．2 云“現(xiàn)貨”交易機(jī)制

筆者構(gòu)建的云現(xiàn)貨交易機(jī)制可以在單個(gè)服務(wù)商無(wú)法滿足用戶的一組服務(wù)請(qǐng)求時(shí)使用戶獲取完整的一組服務(wù)，減少交易費(fèi)用。用戶獲取云服務(wù)的整個(gè)交易過(guò)程可以被簡(jiǎn)化為以下4個(gè)階段:

(1)信息提供階段。在該階段，云服務(wù)提供商向用戶介紹自身產(chǎn)品的參數(shù)，并且通過(guò)對(duì)用戶的搜索記錄、購(gòu)買習(xí)慣等數(shù)據(jù)的分析，為用戶提供單個(gè)服務(wù)或服務(wù)組合的推薦;而用戶則可以根據(jù)需求來(lái)篩選所需的服務(wù)。

(2)條款協(xié)商階段。當(dāng)用戶找到所需的服務(wù)之后，協(xié)商過(guò)程就開始了，云服務(wù)提供商可以預(yù)先為用戶設(shè)定一些條款選項(xiàng)，然后用戶根據(jù)自身的需求進(jìn)行定制化的選擇;某些云服務(wù)商還可以向用戶提供非標(biāo)準(zhǔn)化的個(gè)性服務(wù)，與用戶進(jìn)行更深入的服務(wù)條件協(xié)商，如價(jià)格、SLA協(xié)議等。

(3)合同簽訂階段。當(dāng)云服務(wù)提供商與用戶在服務(wù)條款上達(dá)成一致時(shí)，該機(jī)制可以對(duì)之前各個(gè)階段的信息進(jìn)行歸集，自動(dòng)生成一個(gè)具有法律約束的合同，并將該合同文本提供給交易雙方。

(4)成交階段。在該階段主要有兩方面的活動(dòng)，首先是服務(wù)費(fèi)用支付，如通過(guò)銀行在線支付系統(tǒng)，或者其他第三方支付，同時(shí)如果這是一個(gè)服務(wù)組合，那么還涉及利益分配，即提供該服務(wù)組合的各個(gè)提供商之間通過(guò)該交易機(jī)制進(jìn)行收益的分配;其次，該交易機(jī)制還需要確保提供商能夠依照約定條款向用戶提供服務(wù)。

所有云服務(wù)提供商通過(guò)服務(wù)注冊(cè)，實(shí)際上形成了一個(gè)巨大的服務(wù)資源池，儲(chǔ)存了所有與提供商服務(wù)有關(guān)的信息，如服務(wù)等級(jí)協(xié)議(SLA)、服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)價(jià)格等，達(dá)到了資源共享的目的。

1．3 云“期權(quán)”交易機(jī)制

與銀行同業(yè)拆借市場(chǎng)相類似，只不過(guò)銀行拆借的是資金，在云服務(wù)“提供商間市場(chǎng)”，“拆借”的是云服務(wù)，筆者在此為“提供商間市場(chǎng)”提供了一個(gè)基于期權(quán)理論的交易機(jī)制，相當(dāng)于一個(gè)“云服務(wù)期權(quán)交易所”，該機(jī)制可幫助服務(wù)提供商提高利潤(rùn)，同時(shí)降低現(xiàn)貨交易風(fēng)險(xiǎn)。

如圖2所示，在該機(jī)制下，服務(wù)提供商通過(guò)向其他服務(wù)提供商支付期權(quán)費(fèi)，獲得它們的服務(wù)，避免了無(wú)法獲取服務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)，而如果最終沒有出現(xiàn)資源不夠的情況，則最高的損失也只不過(guò)是期權(quán)費(fèi)而已;同時(shí)由于期權(quán)鎖定了未來(lái)的服務(wù)價(jià)格，因此還規(guī)避了市場(chǎng)的價(jià)格波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。該期權(quán)交易機(jī)制是現(xiàn)貨交易機(jī)制的一個(gè)補(bǔ)充，服務(wù)提供商通過(guò)期權(quán)費(fèi)將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移了出去，同時(shí)獲取了客戶的信任和良好的聲譽(yù)。

從云服務(wù)提供商的角度來(lái)看，當(dāng)其在每次將空閑的預(yù)留實(shí)例通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)出售的同時(shí)，就需要考慮購(gòu)買相應(yīng)的期權(quán)合約，來(lái)對(duì)沖這一風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 期權(quán)交易機(jī)制示意圖

在存在期權(quán)交易機(jī)制的背景下，服務(wù)提供商主要有以下3個(gè)策略:

策略1不使用現(xiàn)貨交易和期權(quán)交易。在這種情況下，提供商不加入筆者提出的現(xiàn)貨交易機(jī)制也不購(gòu)買期權(quán)合約來(lái)對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)，在該策略下，為了避免違反服務(wù)等級(jí)協(xié)議，提供商需要將預(yù)留實(shí)例和按需實(shí)例分開處理，即使在預(yù)留實(shí)例使用率不高的情況下，也不能擅自將其在現(xiàn)貨市場(chǎng)上出售;同時(shí)由于不使用現(xiàn)貨交易市場(chǎng)，因此當(dāng)用戶按需實(shí)例的請(qǐng)求超過(guò)該服務(wù)提供商的供應(yīng)能力時(shí)，該請(qǐng)求便會(huì)遭到拒絕。

策略2使用現(xiàn)貨交易，但不使用期權(quán)交易。由于自身資源不足，而拒絕用戶的按需實(shí)例會(huì)嚴(yán)重影響提供商的聲譽(yù)，因此在使用現(xiàn)貨交易策略下，提供商通過(guò)使用現(xiàn)貨交易，來(lái)滿足按需實(shí)例請(qǐng)求，但是當(dāng)現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格高于自身提供服務(wù)的價(jià)格時(shí)，為了保證盈利，還是需要拒絕這部分按需實(shí)例請(qǐng)求。同時(shí)由于不能使用期權(quán)交易對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn)，因此同樣需要將預(yù)留實(shí)例和按需實(shí)例分開處理，不能擅自將空閑的預(yù)留實(shí)例出售出去。

策略3同時(shí)使用現(xiàn)貨交易和期權(quán)交易。在這種策略下，提供商將空閑的預(yù)留實(shí)例通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)出售出去，同時(shí)購(gòu)買期權(quán)合約來(lái)對(duì)沖預(yù)留實(shí)例用戶需求突然增加導(dǎo)致違反服務(wù)等級(jí)協(xié)議的風(fēng)險(xiǎn)。

2 云計(jì)算市場(chǎng)交易模擬分析

2．1 模擬模型建立

由于缺乏現(xiàn)實(shí)中服務(wù)提供商在一段時(shí)間內(nèi)所面臨的虛擬機(jī)(virtual machine，VM)請(qǐng)求數(shù)量，因此筆者通過(guò)仿真模擬的方式，虛構(gòu)了某個(gè)服務(wù)提供商每天的VM請(qǐng)求數(shù)量，假設(shè)該服務(wù)提供商每天按需實(shí)例的請(qǐng)求量服從正態(tài)分布;每個(gè)VM平均每天的使用時(shí)間服從均值為12 h，標(biāo)準(zhǔn)差為3 h的正態(tài)分布。其中虛擬機(jī)是指在服務(wù)器虛擬化技術(shù)中被虛擬出來(lái)的服務(wù)器，一臺(tái)物理服務(wù)器上可以運(yùn)行多臺(tái)虛擬服務(wù)器，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，虛擬服務(wù)器與物理服務(wù)器幾乎沒有區(qū)別，用戶可以在虛擬服務(wù)器上靈活地安裝任何軟件。

VM的類型采用亞馬遜EC2中Windows小型實(shí)例，即1 CPU core，1．7 GB RAM，1 Compute Unit和160 GB instance storage，價(jià)格為亞馬遜EC2在亞太地區(qū)(東京)的價(jià)格，按需實(shí)例為0．115$/h，一年期中使用率的預(yù)留實(shí)例為0．058$/h，未滿1小時(shí)的按1小時(shí)計(jì)費(fèi)。

該服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心的供應(yīng)能力為100個(gè)VM，模擬時(shí)間長(zhǎng)度為180天，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，假設(shè)在這180天里，預(yù)留實(shí)例的總預(yù)定量固定為50個(gè)VM。

由于“提供商間市場(chǎng)”的平均價(jià)格會(huì)低于服務(wù)提供商向用戶提供的按需實(shí)例，因此假設(shè)其服從均值為0．1$，標(biāo)準(zhǔn)差為0．001$的正態(tài)分布。

期權(quán)定價(jià)采用二叉樹定價(jià)法，為保證服務(wù)提供商的利潤(rùn)，敲定價(jià)格與出售服務(wù)時(shí)的現(xiàn)貨價(jià)格相同，步長(zhǎng)為50步，波動(dòng)率采用歷史波動(dòng)率，從現(xiàn)貨價(jià)格中計(jì)算得出為24%，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)利率為5%。以實(shí)驗(yàn)中的第1天為例，當(dāng)天現(xiàn)貨價(jià)格為0．099 3$，則到期日為3個(gè)月，敲定價(jià)格同樣為0．099 3$的美式看漲期權(quán)價(jià)格為0．005 4$。

提供商的利潤(rùn)由式(1)來(lái)決定:

式中:r按需實(shí)例為按需實(shí)例的收入;r預(yù)留實(shí)例為預(yù)留實(shí)例的收入，即實(shí)例價(jià)格與使用時(shí)間的乘積;c外購(gòu)成本為從其他提供商處購(gòu)買按需實(shí)例的成本;c期權(quán)為購(gòu)買期權(quán)的成本，即期權(quán)費(fèi);F固定成本為提供商的固定成本(如職工工資、水電費(fèi)、房屋租賃費(fèi))等，由于F固定成本是一個(gè)固定值，對(duì)利潤(rùn)函數(shù)的整體變動(dòng)趨勢(shì)并不產(chǎn)生影響，因此筆者在模擬計(jì)算中忽略 F固定成本。

策略1中既不使用現(xiàn)貨交易，也不購(gòu)買期權(quán)，在這種策略下，如果按需實(shí)例請(qǐng)求數(shù)量超過(guò)50個(gè)VM，則超過(guò)部分全部拒絕，并且不能出售空閑的預(yù)留實(shí)例，則其利潤(rùn)為:

策略2使用現(xiàn)貨交易，但不購(gòu)買期權(quán)，在該策略下，如果按需實(shí)例請(qǐng)求數(shù)量超過(guò)50個(gè)VM，超出部分從現(xiàn)貨市場(chǎng)中的其他服務(wù)提供商處購(gòu)買，但是如果現(xiàn)貨市場(chǎng)價(jià)格超過(guò)本身提供服務(wù)的價(jià)格，則拒絕請(qǐng)求;在該策略下也不能出售空閑的預(yù)留實(shí)例，因此其利潤(rùn)為:

策略3中既使用現(xiàn)貨交易，也購(gòu)買期權(quán)。在該策略下，服務(wù)提供商將空閑的預(yù)留實(shí)例出售，并購(gòu)買同樣數(shù)量的期權(quán)來(lái)對(duì)沖風(fēng)險(xiǎn);按需實(shí)例的處理方式與策略2相同，服務(wù)提供商在策略3下的利潤(rùn)為:

2．2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

該實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)改變預(yù)留實(shí)例的利用率來(lái)研究3種策略對(duì)于提供商的利潤(rùn)影響。該服務(wù)提供商的供應(yīng)能力為100個(gè)VM，預(yù)留實(shí)例在這180天內(nèi)的總預(yù)定量固定為50個(gè)VM，期權(quán)合約到期日為3個(gè)月，按需實(shí)例服從均值為50，標(biāo)準(zhǔn)差為10的正態(tài)分布，其中策略1、策略2、策略3的利潤(rùn)分別由式(2)、式(3)、式(4)計(jì)算得出，如圖3所示。

圖3 3種策略在預(yù)留實(shí)例利用率變動(dòng)下的利潤(rùn)

從圖3可以看出，策略2帶給服務(wù)提供商的利潤(rùn)總是高于策略1，這是由于策略2中使用了現(xiàn)貨市場(chǎng)，當(dāng)按需實(shí)例的請(qǐng)求量高于該提供商的供應(yīng)能力50個(gè)VM時(shí)，它可以通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)從其他服務(wù)提供商處購(gòu)買服務(wù)，以滿足用戶的需求，并從中賺取差價(jià)。策略3在預(yù)留實(shí)例利用率較低的情況下，帶給提供商的利潤(rùn)高于策略2，這是由于在策略3中，該服務(wù)提供商可出售未得到利用的空閑預(yù)留實(shí)例，然后通過(guò)購(gòu)買期權(quán)來(lái)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，出售空閑預(yù)留實(shí)例增加的額外利潤(rùn)遠(yuǎn)高于付出的期權(quán)費(fèi)。但是在策略3中，隨著預(yù)留實(shí)例利用率的上升，可以出售的空閑資源越來(lái)越少，利潤(rùn)逐漸開始下降，當(dāng)預(yù)留實(shí)例的利用率達(dá)到100%時(shí)，策略3與策略2的利潤(rùn)在同一水平。

從該模擬實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論，在目前服務(wù)提供商預(yù)留實(shí)例普遍利用率較低的情況下(通常在40% ～80%之間)，通過(guò)結(jié)合使用現(xiàn)貨交易與期權(quán)交易，可有效增加服務(wù)提供商的利潤(rùn)，提高提供商采用該交易機(jī)制的積極性，這也說(shuō)明筆者提出的現(xiàn)貨與期權(quán)交易模型具有較高的可行性。

3 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)電力市場(chǎng)及現(xiàn)有云服務(wù)交易機(jī)制的研究，構(gòu)建了一個(gè)面向生態(tài)系統(tǒng)主體的協(xié)同交易機(jī)制，并通過(guò)模擬分析，驗(yàn)證了該交易機(jī)制的可行性。由于預(yù)留實(shí)例的利用率將在很大程度上影響服務(wù)交易商的利潤(rùn)率，因此根據(jù)預(yù)留實(shí)例的多少來(lái)選擇現(xiàn)貨與期權(quán)不同的組合方式對(duì)服務(wù)提供商來(lái)說(shuō)才是明智的交易方式。

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［9］ 王訪，鄒銳標(biāo)．結(jié)合強(qiáng)勢(shì)賣方期權(quán)的電力遠(yuǎn)期合同模型［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(1):78 －82．