A Cooperative Incentive Structure for Mobile Cloud Computing

3 downloads 12188 Views 282KB Size Report
Mobile Cloud Computing; Architecture; Incentive; Shapley Value ... centers of the cloud so as to relievetheir own burden in CPU loads and energy consumption.
Parallel and Cloud Computing Research, Volume 3 2015                                                                                        www.seipub.org/pccr  doi: 10.14355/pccr.2015.03.003

A Cooperative Incentive Structure for Mobile  Cloud Computing  Jianhua Fan1, Xianglin Wei*2, Ran Li3, Qin Sun4  PLA University of Science and Technology, Houbiaoying88#, Nanjing 210007, China  [email protected]; *[email protected][email protected] 

1

  Abstract  Encouraging the mobile devices to contribute their idle resources is critical to promote the quality of service of Mobile Cloud  Computing (MCC), especially when the remote cloud service is absent or the access bandwidth is limited.In order to achieve  this goal, a carefully devised MCC architecture with appreciate incentive mechanismis needed. In this paper, inthe view point  of cooperative game, an incentive structure based on Shapley Value is brought forward for Hybrid Local Mobile Cloud Model‐ with stabilityanalysis. Moreover, the implementation issues of the incentive structure and its experimental evaluation are pre‐ sented.  Keywords  Mobile Cloud Computing; Architecture; Incentive; Shapley Value 

Introduction Recent  years  we  have  witnessed  the  rapid  development  of  mobile  devices,  such  as  PDAs,  smartphones,  etc.However, limited battery energy, CPU speed, store space and sensing capabilities of the mobile devices serious‐ ly  restrict  their  quality  of  service,  especially  in  the  computing  and  sense  intensive  environments.  Under  this  cir‐ cumstance, the concept of Mobile Cloud Computing (MCC) is suggested based on combining of cloud computing  and mobile computing.  MCC brings rich resources ofcloud computing for mobile devices and applications, as well as inherits the cloud’s  advantages, such as low cost, high scalability and robustness. Therefore, it greatly enlarges the potential of mobile  computing. In MCC environment, mobile devices can offload full or part of their mobile applications to the data  centers of the cloud so as to relievetheir own burden in CPU loads and energy consumption. This enables mobile  devices  to  support  more  sophisticated  and  rich applications  and  services.  In  order  to  support  these  applications,  researchers have proposed various architectures for MCC, such as MobiCloud[1], MAUI[2], CloneCloud[3], Cloud‐ let[4],Hyrax[5]  and  Hybrid  Local  Mobile  Cloud  Model  (HLMCM)[6].    From  these  proposals,  we  can  see  that  the  resources  resided  on  the  mobile  devices  are  very  important  for  promoting  the  QoS  of  MCC.Therefore,  how  to  stimulate the mobile devices to contribute their idle service capabilities is important as well as a chanllengingtask.  In this paper, from the perspective of cooperative game, an incentive structure based on Shapley Value is brought  forward to stimulate the mobile devices to contribute their idle resources to the system. Morevoer, a mechanism  which applies the proposed incentive structure to HLMCM is briefly presented.  This rest of the paper is organized as follows. Section 2 summarizes the related work. The background knowledge  of Shapley Value is presented in Section 3. Section 4 puts forward the incentive structure with its stability analysis  with simple experimental evaluation. Finally, weconclude our main work in Section 5.  Background and Related Work To provide high quality of service, MCC needs the contribution of computing and sensing capabilities from mobile  devices.  Therefore,  ithas  becomea  hot  topic  in recent  years. Under  the  framework  of  MCC, Yang  et al.  have  pre‐ sented two different incentive mechanisms for two types of task sharing models [7]. In the platform‐centric model,  their incentive mechanism is based on a Stackelberggame [8], which treats the platform and the users as the leader  and the followers of the game respectively. They showed the unique Stackelberg Equilibrium, at which the utility  of the platform is maximized, and noneof the users can improve its utility by unilaterally deviatingfrom its current 



www.seipub.org/pccr                                                                                        Parallel and Cloud Computing Research, Volume 3 2015

strategy.  For  the  user‐centric  model,  they  design  an  auction‐based  incentive  mechanism,  which  is  proved  to  be  computationallyefficient, individually rational, profitable, andtruthful.Duanetet al.analyzedand compareddifferent  incentivemechanisms  for  a  client  to  motivate  the  collaborationof  smartphone  users  on  both  data  acquisition  and  distributedcomputing applications in MCC [9].For the data acquisition applications, they proposed a reward‐based  collaboration mechanism,where the client announces a total reward to be shared amongcollaborators, and the col‐ laboration is successful if there areenough users willing to collaborate. Then they analyzed the distributed compu‐ ting applications with Contract theory [10]. Fernando et al. adopted a simple cost model and micro‐pay mechanism  in their opportunistic job sharing framework [11]. Yang and Niyatoet al.modeled theresource allocation process of  a MCC systemas an auction mechanism with premium and discount factors[12].The premium and discount factors  indicate complementary andsubstitutable relations among cloud resources provided by theservice provider. Then  they  analyzed  the  individual  rationality  andincentive  compatibility  (truthfulness)  properties  of  the  users  intheir  proposed auction mechanism.  Shapley Value Let N be a set of players. Any nonempty subset S⊆N will be referred to as a coalition of the players. For each coali‐ tion S, itsworth function is denoted by V(S), which represents the total revenue produced by the service when all  players of S provide resources. Let  S  be the profit of the i‐th player of S, we have V(S)=∑ ∈S S . The contribu‐ tion of each player to a coalition can be defined as marginal contribution.  The  marginal  contribution  of  player  i  to  the  coalition  S⊆N\{i}  is  defined  as Δ ,S S∪{ } S .  Therefore,  the contribution of a player only depends on the worth function. In cooperative game, there are two properties of  the worth function need to be known, i.e. super‐additive and super‐modular.  A  worth  function  V  is  super‐additive  if  S∪T S)+ T),  for all S, T ⊆ N  s.t. S∩T=∅.  This  means  the  worth  of  any two disjoint coalitions is notgreater than the worth of their union.   A  worth  function  V  is  super‐modular  if  S∪ S T∪ T , ∀ S,T ⊆ N\{ },∀ ∈ N.  This  property  means a player entering a larger coalition brings “more value” than that of a player entering a smaller coalition.  As an important solution of cooperative game, Shapley Value gives a method about how to divide the worth of the  coalition  among  its  players.  For  some  particular  coalition S and  worth  function  V,  the  player  i’s  Shapley  Value  ∑ ∆ V,S π,i , ∀i  ∈ S. Π refers to the set of all |S|! orderings of S, and S π,i  is  S,  is defined as φi S, |S|! π∈Π the  set  of  players  preceding  i  in  the  ordering π.  The  Shapley  value  of  player  i  can  thus  be  interpreted  as  the  ex‐ pectedmarginal contribution ∆i ,Sʹ), where Sʹ is the set of players in S preceding i in a uniformly distributed ran‐ dom ordering.  Shapley Value has been proved to have many attractive properties like anonymity, efficiency, additivity, symmetry  and dummy. Therefore, in recent years, it has been widely applied to many areas. Moreover, there are two conclu‐ sions about the Shapley Value.  , ∀ ∈ If V is super‐additive, then the Shapley value is individual rational, i.e. for all S⊂N, we have  S, S.  Individual  rationality  implies  that  no  user  has  an  incentive  to  abandon  a  coalition  since  the  return  it  accrues  through the Shapley value exceeds the individual profit that it would gain by abandoning S. In this sense, individ‐ ual rationality guarantees the stability of a coalition.  N, S , ∀ S ⊆ N. In other words,  If V is super‐modular, then the Shapley value lies at the core of V, i.e. ∑ ∈S if  V  is  super‐modular,  no  given  subset  of  players  has  an  incentive  to  leave  the  “grand  coalition” N and  form  a  smaller coalition. This implies that the “most stable” coalition is, in fact, the grand coalition. This is also called the  condition to form the grand coalition.  Model and Incentive Structure Hybrid Local Mobile Cloud Model  Hybrid  Local  Mobile  Cloud  Model  (HLMCM)was  put  forward  in  [6],  which  extends  the  Cloudlet  architectureto  make  the  mobile  devices  contribute  their  computing  and  sensing  capabilities.  The  general  working  process  of 



Parallel and Cloud Computing Research, Volume 3 2015                                                                                        www.seipub.org/pccr

HLMCM is shown in Fig. 1, and it mainly contains four steps: 

  FIG. 1THE GENERAL WORKING PROCESS OF HLMCM 

(1) The Client offloads part or full of its applications to the Cloudlet. Note that the Client is also a mobile device,  and it can also provide service for other devices’ mobile applications.  (2) The Cloudlet partitions the application into several tasks, and it sends some of the tasks to a few mobile de‐ vices that are willing to provide resources.Moreover, the Cloudlet also handles part of the tasks itself.  (3) The mobile devices handle received tasks and send their results to the Cloudlet.   (4) The Cloudlet aggregates the results from the mobile devices and its own processing result, and then sends  the final result to the Client.  Model and Incentive Structure  1)

Players 

From Section 4.1, we know that there are one Client who requests for service, one Cloudlet and a few mobile  devices thatprovide service. From cooperative view, the Cloudlet and these mobile devices form a coalition.  2)

Revenue,operational cost 

The Client needs to pay for the service received from the HLMCM. Here, we adopt a simple method, i.e. the cli‐ ent pays a flat rate R to the Cloudlet for each offloaded application. The payment happens outside HLMCM and  is out of the scope of this paper. In order to provide the service, the coalition will incur an operational cost C,  whichdepends on the number of devices who decide to join the coalition. Without loss of generality we assume  that R is always larger than C, otherwise, HLMCM will reject to provide service to the Client.  3)

Coalition, worth function and Shapley value based incentive structure. 

If Cloudlet itself handles all the offloaded applications, it can receive all the revenue R. However, as mentioned  above,  its  resources are  much less  than  those  of  the data  center  and  cannot  support  a  large  amount  of  clients  with  acceptable  QoS.  Moreover,  some  applications  need  the  sensing  capabilities  of  the  mobile  devices  rather  than the computing capacity of the Cloudlet. Therefore, with the involvement of the mobile devices, the Cloud‐ let can provide high QoS for the clients, which will in turn bring more clients to the Cloudlet and more revenue.  At the same time, the cost C for each offloaded application can be reduced when it is separated among a few  devices since putting it on the single device will lead to high CPU load and incur high cost while separated sub‐ task can be easily handled with less CPU load and energy consumption, i.e. less cost. In summary, the Cloudlet  is  willing  to  join  the  coalition.  The  mobile  devices  also  want  to  join  the  coalition  since  providing  service  can  bring extra profit to them. This profit can be implemented in many methods, such as a price reduction for the  service it receives or electronic token and so on.  Let   and P be the mobile devices that provide service and the Cloudlet respectively. Then, the coalition can be  represented as N ∪ . Assume there are   devices joining the coalition, i.e. | | .  Learningfrom theassumptions about the cost function in economics and game theory, this paper assumes that  the cost function Cis a differentiable function of M, i.e. C=C(M), and C’