Mechanisms and policies for resource allocation in clouds and next generation networks

Abstract

Το οικοσύστημα του Διαδικτύου σήμερα αποτελείται από ένα μεγάλο εύρος φορέων όπως οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας (Mobile Network Operators - MNOs), οι Πάροχοι Υπηρεσιών Υπολογιστικής Νέφους (Cloud Service Providers - CSPs), τα Δίκτυα Διανομής Περιεχομένου (Content Delivery Networks - CDNs), οι Πάροχοι Περιεχομένου (Content Providers - CPs), οι Πάροχοι Υπηρεσιών Over-the-Top (OTT) κ.λ.π.. Οι φορείς αυτοί προσφέρουν αμοιβαίως συμπληρωματικές λειτουργίες και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για την από κοινού παροχή υπηρεσιών προστιθέμενης αξίας σε επιχειρήσεις και τελικούς χρήστες. Ωστόσο, αυτοί οι φορείς είναι ορθολογικές (rational) οντότητες που αναζητούν κέρδη. Συνεπώς, αν και συνεργάζονται λειτουργικά, ανταγωνίζονται μεταξύ τους για τη διανομή των εσοδών από τους πελάτες των προσφερόμενων υπηρεσιών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προτείνουμε και αξιολογούμε υποδείγματα και μηχανισμούς που διευκολύνουν την αλληλεπίδραση αυτών των φορέων, καθώς και μηχανισμούς και πολιτικές που επιτυγχάνουν αποτελεσματική κατανομή πόρων και εσόδων σε συνεργατικά και σε ανταγωνιστικά οικοσυστήματα, καθώς και σε ενδιάμεσες περιπτώσεις συνεργασίας. Ειδικότερα, μελετάμε: (i) τη δημιουργία ομοσπονδιών από πολλαπλούς CSPs, εστιάζοντας στην παροχή υπηρεσιών υπολογιστικής νέφους που αξιοποιούν τους συλλογικά διαθέσιμους υπολογιστικούς πόρους, (ii) τις αλληλεπιδράσεις πολλαπλών MNOs κατά τη δημιουργία τεμαχίων δικτύου (network slices) τα οποία πρέπει να διασχίζουν πολλούς MNOs προκειμένου να καταστεί δυνατή η εξυπηρέτηση των αντίστοιχων από-άκρο-σε-άκρο εφαρμογών, και (iii) την από κοινού εξέταση της ανάθεσης χρηστών και της τοποθέτησης περιεχομένου σε Σταθμούς Βάσης Μικρού Κελιού (Small-cell Base Station - SBS), όπου ένας MNO και ένας CP συνεργάζονται για την αποτελεσματική διαχείριση των διαθέσιμων πόρων του ασύρματου δικτύου και της χωρητικότητας αποθήκευσης περιεχομένου (caches).

The Internet ecosystem nowadays consists of a wide variety of actors such as Mobile Network Operators (MNOs), Cloud Services Providers (CSPs), Content Delivery Networks (CDNs), Content Providers (CPs), Over-The-Top (OTT) services providers, etc., who offer complementary functionalities and interact with each other for jointly provisioning value-added services to enterprises and end-users. Nevertheless, these actors are rational entities seeking profits; thus, although collaborating, they usually compete with each other over the distribution of the earnings from service customers. In this thesis, we introduce models that capture the interaction of these actors, as well as mechanisms and policies that achieve an effective resource allocation in both cooperative and competitive environments, as well as in regimes falling between these two extremes. In particular, we study: (i) the formation offederations by multiple CSPs, focusing on the provision of cloud services that employ the computational resources collectively available; (ii) the interactions of multiple MNOs when establishing network slices that have to cross multiple MNO domains in order to enable the corresponding applications; (iii) the joint consideration of user association and content placement in small-cell cellular network, where an MNO and a CP collaborate to jointly manage effectively the available radio resources and cache capacity.

Το οικοσύστημα του Διαδικτύου σήμερα αποτελείται από ένα μεγάλο εύρος φορέων όπως οι Πάροχοι Δικτύων Κινητής Τηλεφωνίας (Mobile Network Operators - MNOs), οι Πάροχοι Υπηρεσιών Υπολογιστικής Νέφους (Cloud Service Providers - CSPs), τα Δίκτυα Διανομής Περιεχομένου (Content Delivery Networks - CDNs), οι Πάροχοι Περιεχομένου (Content Providers - CPs), οι Πάροχοι Υπηρεσιών Over-the-Top (OTT) κ.λ.π.. Οι φορείς αυτοί προσφέρουν αμοιβαίως συμπληρωματικές λειτουργίες και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους για την από κοινού παροχή υπηρεσιών προστιθέμενης αξίας σε επιχειρήσεις και τελικούς χρήστες. Ωστόσο, αυτοί οι φορείς είναι ορθολογικές (rational) οντότητες που αναζητούν κέρδη. Συνεπώς, αν και συνεργάζονται λειτουργικά, ανταγωνίζονται μεταξύ τους για τη διανομή των εσοδών από τους πελάτες των προσφερόμενων υπηρεσιών. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προτείνουμε και αξιολογούμε υποδείγματα και μηχανισμούς που διευκολύνουν την αλληλεπίδραση αυτών των φορέων, καθώς και μηχανισμούς και πολιτικές που επιτυγχάνουν αποτελεσματική κατανομή πόρων και εσόδων σε συνεργατικά και σε ανταγωνιστικά οικοσυστήματα, καθώς και σε ενδιάμεσες περιπτώσεις συνεργασίας. Ειδικότερα, μελετάμε: (i) τη δημιουργία ομοσπονδιών από πολλαπλούς CSPs, εστιάζοντας στην παροχή υπηρεσιών υπολογιστικής νέφους που αξιοποιούν τους συλλογικά διαθέσιμους υπολογιστικούς πόρους, (ii) τις αλληλεπιδράσεις πολλαπλών MNOs κατά τη δημιουργία τεμαχίων δικτύου (network slices) τα οποία πρέπει να διασχίζουν πολλούς MNOs προκειμένου να καταστεί δυνατή η εξυπηρέτηση των αντίστοιχων από-άκρο-σε-άκρο εφαρμογών, και (iii) την από κοινού εξέταση της ανάθεσης χρηστών και της τοποθέτησης περιεχομένου σε Σταθμούς Βάσης Μικρού Κελιού (Small-cell Base Station - SBS), όπου ένας MNO και ένας CP συνεργάζονται για την αποτελεσματική διαχείριση των διαθέσιμων πόρων του ασύρματου δικτύου και της χωρητικότητας αποθήκευσης περιεχομένου (caches).