Economics and resource management in content delivery networks

Abstract

We focus on the management and pricing of resources in Content Delivery Networks (CDNs), which are extensively adopted nowadays as a very efficient mechanism for Internet information provision. We establish a multi-stage framework that can be used by Origin Servers (OSs), that is, content-generating entities, for claiming and reserving CDN resources in a fine-grained way. The basis of our work concerns the trading and pricing of resources and lies in the use of stocks, a Secondary Market (SM), and Stock Options (SOs); concepts, tools, and products commonly used in modern capital markets.We treat resources as stocks. Using a Predictive Reservation Scheme (PRS), network resources, i.e., traffic volume (TrV), offered by a CDN are being monitored through well-established techniques, i.e., Kernel Regression Estimators (KREs), in a given time frame (typically in the order of an hour). This information is dynamically updated to reflect transient behavior and longer-term trends. The model we establish relies initially on the resource use forecasting that the kernels can provide but also on other complementary techniques. To cope with inaccuracies in the Load Prediction Mechanism (LPM) predictive capability that would imply inefficient use of the claimed resources, we establish a SM for the stock trading. This scheme allows the fast offloading of unused reserved resources between OSs. This exchange occurs either by implementing socially optimal practices or by allowing automatic electronic double auctions at the end of the day (EoD) or at shorter intervals. Then, SOs are used to address the potential scarcity of resources, not adequately addressed by the stock trading on the SM. SOs are purchased and exercised depending on the lack of resources at the EoD. SOs can also be traded in the SM. As a result, OSs may acquire resources (if required) at a standard price, avoiding penalizing tariffs for last-minute requests.The proposed framework is examined through extensive trace-driven simulations, with the mechanisms that comprise it being gradually activated. Corresponding trace-driven simulations are also performed for the dominant market pricing plans, i.e., the Pre-costed (PrC) and Pay As You Go (PAYG) plans. The optimal limits of PrC and PAYG plans, as well as the conditions under which the efficiency of these plans can be improved, are also explored. Among the metrics considered during the simulations are: (a) the cost for the OS; (b) the volume of resources committed and the percentage of them that remain unused; (c) the cost for the CDN; (d) the profitability of the CDN; and (e) the cost-benefit ratio for the CDN.Defining the efficiency of a mechanism under consideration as the distance of the above metrics of the mechanism from the corresponding metrics of the ideal plan (IdP), we conclude that the proposed PRS (with all sub-mechanisms activated) has the best efficiency among all the considered plans. At the same time, PRS is a Pareto - Optimal solution.

Εστιάζουμε στη διαχείριση και τιμολόγηση των πόρων στα Δίκτυα Διανομής Περιεχομένου (CDN), τα οποία υιοθετούνται ευρέως στις μέρες μας ως ένας πολύ αποτελεσματικός μηχανισμός παροχής πληροφοριών στο Διαδίκτυο. Δημιουργούμε ένα μηχανισμό πολλαπλών σταδίων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τους Διακομιστές Προέλευσης (OSs), δηλαδή από οντότητες που δημιουργούν περιεχόμενο, για τη διεκδίκηση και τη κράτηση πόρων CDN με λεπτομερή τρόπο. Η βάση της δουλειάς μας αφορά στη διαπραγμάτευση και στην τιμολόγηση των πόρων και έγκειται στη χρήση μετοχών, μιας Δευτερογενούς Αγοράς (SM) και Δικαιωμάτων Προαίρεσης Μετοχών (SOs), δηλαδή έννοιες, εργαλεία και προϊόντα που χρησιμοποιούνται συνήθως στις σύγχρονες κεφαλαιαγορές.Αντιμετωπίζουμε τους πόρους ως μετοχές. Χρησιμοποιώντας ένα Σύστημα Πρόβλεψης Κράτησης (PRS), οι πόροι δικτύου που προσφέρονται από ένα CDN παρακολουθούνται μέσω καθιερωμένων τεχνικών, π.χ. Εκτιμητών Παλινδρόμησης Πυρήνα (KREs), σε ένα δεδομένο χρονικό πλαίσιο (συνήθως της τάξης μιας ώρας). Αυτές οι πληροφορίες ενημερώνονται δυναμικά για να αντικατοπτρίζουν την παροδική συμπεριφορά αλλά και τις μακροπρόθεσμες τάσεις. Το μοντέλο που καθιερώνουμε βασίζεται αρχικά στην πρόβλεψη χρήσης πόρων που μπορούν να παρέχουν οι KRE αλλά και σε άλλες συμπληρωματικές τεχνικές. Για να αντιμετωπίσουμε αδυναμίες στην προγνωστική ικανότητα του Μηχανισμού Πρόβλεψης Φορτίου (LPM), αδυναμίες που θα συνεπάγονταν αναποτελεσματική χρήση των δεσμευμένων πόρων, καθιερώνουμε μία SM για τη διαπραγμάτευση μετοχών. Αυτό το σχήμα επιτρέπει τη γρήγορη εκφόρτωση αχρησιμοποίητων πόρων μεταξύ των OSs. Αυτή η ανταλλαγή πραγματοποιείται είτε με την εφαρμογή κοινωνικά βέλτιστων πρακτικών είτε επιτρέποντας αυτόματες ηλεκτρονικές διπλές δημοπρασίες στο τέλος της ημέρας (EoD) ή σε μικρότερα χρονικά διαστήματα. Στη συνέχεια, τα SOs χρησιμοποιούνται για την αντιμετώπιση της πιθανής έλλειψης πόρων, που δεν αντιμετωπίστηκε επαρκώς από τις ανταλλαγές μετοχών στο SM. Τα SOs αγοράζονται και εξασκούνται ανάλογα με την έλλειψη πόρων στο τέλος της ημέρας. Τα SOs μπορούν επίσης να διαπραγματεύονται και να ανταλλάσσονται στο SM. Ως αποτέλεσμα, οι OSs μπορούν να αποκτούν πόρους (εάν απαιτούνται) σε μια τυπική τιμή, αποφεύγοντας αυξημένα κόστη για τα αιτήματα της τελευταίας στιγμής.Το προτεινόμενο πλαίσιο εξετάζεται μέσα από εκτενείς προσομοιώσεις, με τους μηχανισμούς που το αποτελούν να ενεργοποιούνται σταδιακά. Πραγματοποιούνται αντίστοιχες προσομοιώσεις και για τα πλάνα τιμολόγησης που κυριαρχούν στην αγορά, δηλαδή τα πλάνα Προ-Κοστολόγησης (PrC) και Πληρωμής Ανάλογα με τη Χρήση (PAYG). Διερευνώνται επίσης τα βέλτιστα όρια των πλάνων τιμολόγησης PrC και PAYG, καθώς και οι συνθήκες υπό τις οποίες μπορεί να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητά τους. Μεταξύ των μετρήσεων που εξετάζονται και λαμβάνονται υπόψη κατά τις προσομοιώσεις είναι α) το κόστος για τον OS, β) ο όγκος των δεσμευμένων πόρων και το ποσοστό αυτών που παραμένουν αχρησιμοποίητοι, γ) το κόστος για το CDN, δ) η κερδοφορία του CDN και ε) η αναλογία κόστους-οφέλους για το CDN.Ορίζοντας την αποτελεσματικότητα ενός εξεταζόμενου μηχανισμού ως την απόσταση των μετρήσεων του υπό εξέταση μηχανισμού από τις αντίστοιχες μετρήσεις του ιδανικού σχεδίου τιμολόγησης (IdP), συμπεραίνουμε ότι το προτεινόμενο PRS (με όλους τους υπομηχανισμούς ενεργοποιημένους) έχει την καλύτερη απόδοση μεταξύ όλων των εξεταζόμενων πλάνων τιμολόγησης. Ταυτόχρονα, το PRS είναι μια λύση Pareto - Optimal.