CN104639631B - 基于mas价格协商的sdn资源交易方法 - Google Patents
基于mas价格协商的sdn资源交易方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种MAS价格协商的SDN资源交易方法。它包括如下步骤：1）在SDN架构中，分别在转发层、控制层和应用层构建了商家Agent、Agent控制层和顾客Agent；2）在顾客Agent中，按用户需求去搜索满足其条件的资源块；3）比对用户需求和搜索到的资源块，组合得到一系列资源链；4）顾客Agent和Agent控制层利用MAS价格协商机制得出两层之间交易的价格；5）Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制得出两层之间的交易价格。本发明提出的资源交易方法充分结合了SDN的特色，资源控制与转发的分离，使资源更有效地得到管理，有效抑制了网络资源的浪费问题。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法。
背景技术
随着互联网的普及，用户的增加，服务的多样性，传统码址资源(IP地址)已经不能满足当前网络的需求，同时也暴露出越来越多的问题。近年来由于网络用户的增加，全球范围内的网络资源浪费日趋严重。传统的资源调度策略已经不能满足当前的网络资源分配。其次，网络资源的分配不合理问题，由于传统网络采用单一的处理方式，这种方式公平地对待每一位用户，并不能很好的区分服务，更不能真实反映用户对资源的需求程度，造成了资源的分配不合理。所以如何能够体现用户对资源的真实需求，实现资源的充分利用，使有限的资源在无限的用户之间得到均衡有效的分配也是目前Internet所面临的问题。最后，在新的需求面前，传统互联网分层数据中心其缺陷主要有:服务器到服务器连接受限，规模较小，资源较分散，扩展成本较高，路由效率低，配置开销较大，不提供服务间的流量隔离和网络协议待改进等。这些问题的出现使得新型的数据中心网络需要满足:大规模，高扩展性，高强壮性，低配置开销，灵活的拓扑和链路容量控制和低成本等。
近年来，SDN(Software Defined Network，软件定义网络，以下用SDN简称)的热度持续升温，有效实现了集中控制底层资源的方式。因此本专利以SDN为基础，引入一种经济模型，形成了一种基于MAS(Multi-Agent System，以下用MAS简称)价格协商的SDN资源交易方法。将SDN的资源调度转化为一种经济学中的商品交易。该交易方法与传统网格中的资源管理方法中的经济模型类似，不同的是本专利的基于MAS价格协商的SDN资源交易方法采用了一种价格协商协议对资源选择进行了进一步的处理，有效地区别了传统的网格、集群计算。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
步骤(1).根据SDN架构，在转发层、控制层和应用层分别构建了商家Agent、Agent控制层和顾客Agent，并且在控制层和应用层中均构建了搜索Agent、比对Agent、协商Agent以及交易Agent来完成资源的交易任务；
步骤(2).在顾客Agent中，首先将用户的需求汇总，随后按用户需求去搜索满足其需求条件的所有资源块，资源块是由Agent控制层的搜索Agent完成。
步骤(3).比对Agent则将步骤(2)搜索出的所有资源块同用户的需求一一对比，组合得到最优资源块集合，集合中的最优资源块是相互独立的；比对Agent则会在这个最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链；最后由用户自主在上述MAS系统组合的多条资源链中选择性价比最高的一条；
如果顾客Agent中的用户成功选择了一条资源链，那么顾客Agent与Agent控制层将进入步骤(4)中的协商过程；如果顾客Agent中的用户没有成功选择，那么MAS系统中比对Agent那则重新执行步骤(3)，即在步骤(3)重新组合得到最优资源块集合，继续组合满足用户需求的新的多条资源链，然后由用户自主选择，直至跳出步骤(3)为止；
步骤(4).协商Agent分解成为多个子协商Agent，并将这些子协商Agent集成到相应的Agent系统层中，组成符合相应层属性的协商Agent；然后根据步骤(3)用户成功选择的资源链，在相应层的协商Agent进行协商，最终得出顾客Agent和Agent控制层交易的价格；
所述的价格协商的理想标准是用户想以最低价格购买，而Agent控制层则想以最高价格售出，顾客Agent和Agent控制层利用MAS中的价格协商机制对顾客Agent与Agent控制层之间的交易进行协商；
步骤(5).Agent控制层和商家Agent同上述步骤(4)价格协商过程相似，利用MAS价格协商机制得出Agent控制层和商家Agent的交易价格；最后，顾客Agent接受来自Agent控制层的资源，并且按照步骤(4)协商好的价格进行交易，最终用户得到资源，交易完成。
步骤(1)中所述的商家Agent、Agent控制层和顾客Agent三层结构，分别与SDN架构的转发层、控制层和应用层三层结构一一对应。
本专利中的MAS是多个Agent组成的集合，其多个Agent成员之间相互协调，相互服务，共同完成一个任务。它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统。根据不同的应用，将MAS划分为顾客Agent系统、Agent控制层系统和商家Agent系统。
步骤(2)中搜索Agent的作用就是搜索Agent控制层中的尽可能满足用户需要的所有资源块，通过资源块的属性(速率、带宽、QoS等)确定满足用户需求的资源块。
例如，用户请求网络电话服务，首先会租用TCP/IP协议，利用专门软件将话音转化为数字信号，打包形成多个小数据包，然后会在网络上搜索空闲的带宽；因为在复杂的网络拓扑中，路由器与路由器之间会有多个空闲的带宽，搜索Agent的任务就是将这一系列空闲带宽找出，最后经过一系列过程完成通话。
步骤(3)中所述的比对用户需求和步骤(2)搜索到的所有资源块，组合出最优资源块集合，此处的最优指在理想上100％符合用户的要求，但是在实际上这是不可能的实现的；同时在最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链，在这些资源链中用户自主选择性价比最高的一条，具体操作是：
顾客Agent a将从Agent控制层b处购买资源数量为Agent控制层b则从商家Agent c处购买的资源数量为顾客Agent a完成它的第n个作业所花费的时间为假设Agent a对其所有作业的完成时间是有上限的，其限制为且Agent控制层可以提供M种不同的资源块，而顾客Agent可以选择多种资源来完成自己的请求，ua为顾客Agent a消费M种资源的总费用，N个商家Agent提供底层网络资源，资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配，由此构成多条资源链。用户自主选择性价比最高的一条。
步骤(4)中所述的协商Agent则是用来对资源链的价格进行协商，所述的价格协商的理想标准是用户想以最低价格购买，而Agent控制层则想以最高价格售出。
每个商家Agent c向Agent控制层b提供的资源起始价格为那么在商家Agentc(所有商家Agent的总和)处就有对应一个所有商家Agent的价格向量得到用户和控制层的效用函数商家Agent资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配，根据用户和控制层的效用函数构造拉格朗日函数
当求的最优拉格朗日乘子的解后，我们可以分别算出用户的效用函数以及控制层的效用函数对用户的效用函数构造拉格朗日函数通过求偏导可以得出一个最优解其中即为最优价格解，表示用户a愿意以的价格支付服务的费用，最后双方交易完成。
步骤(5)中所述的Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制中的价格协商协议得出Agent控制层和商家Agent的交易价格，具体是顾客Agent接受来自Agent控制层的资源，并且按照协商好的收费标准进行交易。
由于商家Agent资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配，故根据用户和控制层的效用函数可以构造拉格朗日函数对拉格朗日函数求解，得到拉格朗日乘子的最优解，代入用户和控制层的效用函数，就分别得到了用户的效用函数以及控制层的效用函数对控制层的效用函数构造拉格朗日函数通过求偏导求解得到最优解其中是Agent控制层愿意支付给商家Agent的最优价格，即以价格购买资源。最终用户的请求得到满足，交易完成。
本发明有益效果：
本发明构建了基于MAS价格协商的SDN资源交易方法，提出了一种相邻两层之间进行交易协商时所用的价格协商协议(即为MAS价格协商协议)以及价格协商模型(即为MAS系统)。从SDN的转发与控制角度来看，本发明利用了SDN的集中控制实现对资源的集中控制，然后在SDN的相邻层之间添加一种价格协商协议来实现具体资源的交易服务(包括资源定价，资源分配等)，目前还未见其它任何有效的解决方法发表。本发明显著优点有：1)用户可以自定义资源；2)资源之间的价格是由系统自动去协商；3)资源的分配按照用户的需求量进行分配；4)与下一代网络架构相结合，适应网络时代的发展潮流；5)打破原有的控制和转发紧耦合的集成方式，使资源得到有效地集中控制；6)在更大程度上，有效抑制了资源的浪费。
附图说明
图1是基于MAS价格协商模块的SDN主体框架；
图2是基于MAS交易体系系统；
图3是基于MAS价格协商资源定价流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的分析。
基于MAS价格协商的SDN资源交易方法,通过对SDN框架以及价格协商协议的有效结合，达到提高网络对外的服务性能。具体包括如下步骤：
步骤1.根据SDN的架构，如图1所示，分别在底层、控制层和应用层构建了商家Agent、Agent控制层和顾客Agent，并且在控制层和应用层中构建了搜索Agent、比对Agent、协商Agent以及交易Agent来完成资源的交易任务；
步骤2.在顾客Agent中，首先将用户的需求汇总，随后按用户需求去搜索满足其条件的资源块，此处的资源块是由Agent控制层的搜索Agent完成；
步骤3.比对Agent则将所有资源块同用户的需求一一对比，之后组合出最优资源块集合，同时在最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链，用户自主在上述MAS系统组合的多条资源链中选择性价比最高的一条。如果顾客Agent中的用户成功选择，那么顾客Agent和Agent控制层就通过MAS价格协商机制进行协商。如果不成功，那么将重新组合步骤(3)中的资源链；
步骤4.协商Agent分解成为多个子协商Agent，并将这些子协商Agent集成到相应的Agent系统层中，组成符合相应层的协商Agent；然后根据用户成功选择的资源链，在相应层的协商Agent中进行协商，最终得出顾客Agent和Agent控制层之间交易的价格；如图2所示，顾客Agent和Agent控制层利用MAS价格协商机制最终得出顾客Agent和Agent控制层交易的价格；
步骤5.Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制中的价格协商协议得出Agent控制层和商家Agent的交易价格。最后，顾客Agent接受来自Agent控制层的资源，并且按照协商好的收费标准进行交易，最终用户请求得到满足，交易完成。
步骤1中所述的三层结构，与SDN架构的三层结构一一对应。本发明中的MAS系统是多个Agent组成的集合，其多个Agent成员之间相互协调，相互服务，共同完成一个任务。它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统。根据不同的应用，将MAS划分为顾客Agent系统、商家Agent系统和商家Agent系统。
步骤2中所述的搜索满足用户需求的所有资源块：首先由搜索Agent去搜索所有资源块，这些资源块是相互独立的。因此搜索Agent的作用就是搜索尽可能满足用户的所有资源块。例如，用户请求网络电话服务，首先会租用TCP/IP协议，利用专门软件将话音转化为数字信号，打包形成多个小数据包，然后会在网络上搜索空闲的带宽，因为在复杂的网络拓扑中，路由器与路由器之间会有多个空闲的带宽，搜索Agent的任务就是将这一系列空闲带宽找出，最后经过一系列过程完成通话。
步骤3中将步骤(2)中的搜索到的所有资源块汇总之后，比对Agent则将所有资源块同用户的需求一一比对，组合得出最优资源块集合：此处的最优指，在理想上100％符合用户的要求，但是在实际上这是不可能实现的；然后在最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链，最后用户自主在上述MAS系统组合的多条资源链中选择性价比最高的一条。
顾客Agent a将从Agent控制层b处购买资源数量为Agent控制层b则从商家Agent c处购买的资源数量为如果Agent控制层b所能提供的资源总数量为Sb，那么资源的分配必须满足Cc是商家Agent c所拥有的所有的资源数量，则满足
顾客Agent a完成它的第n作业所花费的时间为假设顾客Agent a对其所有作业的完成时个间是有上限的，其限制为其中q是顾客Agenta第n个作业的长度，N为所有的作业数，且Agent控制层可以提供M种不同的资源，而顾客Agent可以选择多个资源来完成自己的请求，设这个资源集为M＝(1,2,…,M}，为顾客Agent a消费M类资源的总费用，N个商家Agent提供底层网络资源，资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配。
步骤4中所述的对用户所选择的资源链价格进行协商：每个商家Agent a向Agent控制层b提供的资源起始价格为那么在商家Agent c(所有商家Agent的总和)处就有对应一个所有商家Agent的价格向量我们用表示用户和控制层的效用函数，其定义如下：
其含义为顾客Agent a要求在限定时间Tj内完成所有作业，而且花费的时间越短，其获得的效用越大，同时支付资源使用的价格越小，效用越大。
其中顾客Agent a消费的总费用和商家Agent c向Agent控制层b提交的价格正比于服务和资源的单位价格：
其中，表示服务b的单位价格，表示资源c的单位价格，因此公式可改写成：
因此可以按照以下的三个约束条件给出优化模型G：
(G)
第一个约束条件表示对顾客Agent提供的服务数量不能超过服务的总量，第二个约束条件表示对资源的使用量不应超过总的资源数量，第三个约束条件表示顾客Agent完成其所有作业应在时间限制内。
可以采用将用户和控制层的效用函数构造拉格朗日函数的形式求解，其拉格朗日优化形式如下：
其中ab为拉格朗日乘子，也是服务b的单位价格，βc也是拉格朗日乘子同时也是资源c的单位价格，γa也是拉格朗日乘子。上公式中展示的是具有N个决策变量的非线性规划，当且仅当存在一组非负的价格组{αb，βc，γa}满足方程中的方程组时，资源分配向量就满足规划G。
当求的最优αb、βc后，我们可以分别算出用户和控制层的效用函数，其中用户的效用函数定义如下：
其中控制层的效用函数定义如下：
其中控制层效用函数中的O是预算限制，它表示每个Agent控制层从商家Agent处购买的总的资源花费不能超过它的预算表示Agent控制层b从顾客Agent a处交易服务所获得的收益，m是Agent控制层b租用底层网络带宽，使用各种不同平台所需付用的费用。
对用户的用函数构造拉格朗日函数为：
让可得到：
其中即为最优解，表示用户a愿意以的价格支付服务b的费用。
步骤5中所述的Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制中的价格协商协议得出Agent控制层和商家Agent的交易价格。最后，顾客Agent接受来自Agent控制层的资源，并且按照协商好的收费标准进行交易，最终用户得到资源，交易完成：根据上述的用控制层效用函数对控制层效用函数构造拉格朗日函数为：
通过求偏导可以得
则是Agent控制层b愿意支付给商家Agent a的最优价格，即以价格购买资源。其中
因此通过资源最优分配方案求得顾客Agent与Agent控制层之间的交易价格以及Agent控制层与商家Agent之间的交易价格。以下是资源定价的流程，在资源的定价中，我们采用博弈论的方法对资源进行定价及分配，整个迭代如图3所示：
1、用户Agent提出对作业的需求，如作业a的完成时间Ta和作业的长度qan；
2、商家Agent在每个时刻t，提出N种资源的价格向量
3、商家Agent根据Agent控制层的效用函数通过基于MAS的价格协商算法计算出最优的资源交易价格若交易成功，则Agent控制层成功在商家Agent购买到资源，若交易失败，则商家Agent重新调整资源的价格向量，重新开始迭代；
4、计算用户效用函数得出最优解若交易成功，则用户支付相应的费用，若交易失败，则重新组合最优资源块集合中的资源链或者调整需求进行求解。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1).根据SDN架构，分别在转发层、控制层和应用层构建了商家Agent、Agent控制层和顾客Agent，并且在控制层和应用层中均构建了搜索Agent、比对Agent、协商Agent以及交易Agent来完成资源的交易任务；
步骤(2).在顾客Agent中，首先将用户的需求汇总，随后按用户需求去搜索满足其条件的资源块，此处的资源块是由Agent控制层的搜索Agent完成；
步骤(3).比对Agent则将步骤(2)搜索出的所有资源块同用户的需求一一对比，组合得到最优资源块集合，集合中的最优资源块是相互独立的；比对Agent则会在这个最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链；最后由用户自主在上述MAS系统组合的多条资源链中选择出性价比最高的一条；
如果顾客Agent中的用户成功选择了一条资源链，那么顾客Agent与Agent控制层将进入步骤(4)中的协商过程；如果顾客Agent中的用户没有成功选择，那么MAS系统中比对Agent则重新执行步骤(3)，即在步骤(3)重新组合得到的最优资源块集合中，继续组合满足用户需求的新的多条资源链，然后由用户自主选择，直至跳出步骤(3)为止；
步骤(4).协商Agent分解成为多个子协商Agent，并将这些子协商Agent集成到相应的Agent系统层中，组成符合控制层、应用层属性的协商Agent；然后根据步骤(3)用户成功选择的资源链，在控制层和应用层的协商Agent进行协商，最终得出顾客Agent和Agent控制层交易的价格；
所述的价格协商的理想标准是用户想以最低价格购买，而Agent控制层则想以最高价格售出，顾客Agent和Agent控制层利用MAS中的价格协商机制对顾客Agent与Agent控制层之间的交易进行协商；
步骤(5).Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制得出Agent控制层和商家Agent的交易价格；最后顾客Agent接受来自Agent控制层的资源，并且按照步骤(4)协商好的价格进行交易，最终用户得到资源，交易成功。
2.如权利要求1所述的一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法，特征在于步骤(3)所述的比对Agent将步骤(2)搜索出的所有资源块同用户的需求一一对比，组合得到最优资源块集合，集合中的资源块是相互独立的；比对Agent则会在这个最优资源块集合中选择出可以完成任务的资源块，组合得到满足用户需求的多条资源链具体是：
顾客Agent a将从Agent控制层b处购买资源数量为Agent控制层b则从商家Agent c处购买的资源数量为顾客Agent a完成它的第n个作业所花费的时间为假设Agent a对其所有作业的完成时间是有上限的，其限制为且Agent控制层可以提供M种不同的资源块，而顾客Agent可以选择多种资源来完成自己的请求，ua为顾客Agent a消费M类资源的总费用，N个商家Agent提供底层网络资源，资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配，由此构成多条资源链。
3.如权利要求1所述的一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法，其特征在于步骤(4)所述的顾客Agent和Agent控制层利用MAS中的价格协商机制对顾客Agent与Agent控制层之间的交易进行协商具体是：
每个商家Agent c向Agent控制层b提供的资源起始价格为那么在商家Agent c处就有对应一个所有商家Agent的价格向量得到用户和控制层的效用函数根据用户和控制层的效用函数构造拉格朗日函数对拉格朗日函数的求解，得到拉格朗日乘子的最优解，代入用户和商控制层的效用函数，就分别得到了用户的效用函数以及控制层的效用函数对用户的效用函数构造拉格朗日函数求解即可得到一个最优解这个最优解就是用户愿意以此价格支付服务的费用。
4.如权利要求1所述的一种基于MAS价格协商的SDN资源交易方法，其特征在于步骤(5)所述的Agent控制层和商家Agent利用MAS价格协商机制得出Agent控制层和商家Agent的交易价格具体是：
由于商家Agent资源的分配按照Agent控制层支付的最终价格进行分配，故根据用户和控制层的效用函数可以构造拉格朗日函数对拉格朗日函数求解，得到拉格朗日乘子的最优解，代入用户和控制层的效用函数，就分别得到了用户的效用函数以及控制层的效用函数对控制层的效用函数构造拉格朗日函数通过求偏导求解得到最优解其中是Agent控制层愿意支付给商家Agent的最优价格，即以价格购买资源。
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