Service models and pricing schemes for cloud computing
Abstract Cloud computing is a model for enabling convenient, on-demand network access to a shared pool of configurable computing resources. To ensure large-scale adoption of cloud computing by businesses, several challenges including security, privacy, trust, performance and other quality attributes need to be addressed. Also, as with other utility services, adequate selection of service models and pricing schemes by service providers plays a pivotal role in market expansion. This paper investigates optimal pricing schemes for cloud services. In particular, this paper analyzes two pricing schemes: subscription and pay-per-use pricing models from a providerrsquo;s standpoint. Using a theoretical analysis of a simple economic model this paper analyzes the optimal choices of providers and discusses implications on consumer surplus and social welfare.
Keywords Cloud computing Service models Pricing scheme Subscription pricing · Pay-per-use pricing
1 Introduction
Cloud computing is a significant step towards realizing themission of utility computing, where computing services are commoditized and delivered in a manner similar to traditional utilities such as water, electricity, gas, and telephony [1]. It can be defined as a model for enabling convenient, on-demand network access to a shared pool of configurable computing resources (for example, networks, servers, storage, applications, and services) that can be rapidly provisioned and released with minimal management effort or service provider interaction [2]. The characteristics of cloud computing include on-demand access, elasticity, resource pooling, abstracted infrastructure, and no commitment [3].
The expected advantages that cloud computing can provide to users are numerous. First, the economies of scale of delivering computing from a centralized, shared infrastructure have set the expectation among customers that cloud computing costs will be significantly lower than those incurred from providing their own computing [3, 4]. An analysis based on a simulation reveals that over a 13-year life cycle, the total cost of implementing and sustaining a cloud environment may be as much as two-thirds lower than maintaining a traditional, non-virtualized IT data center [5]. Secondly, cloud computing allows users to focus on their main businesses by relieving them of the task of managing data centers [6, 7]. Businesses may start their operations immediately without the need to invest in software and hardware upfront. Thirdly, cloud computing has made it possible to analyze very large data sets in scalable and cost-effective ways [8].
However, to ensure large-scale adoption of cloud computing by businesses, several challenges including security, privacy, trust, performance and other quality attributes need to be addressed. Also, as with other utility services, adequate selection of service models and pricing schemes from a providerrsquo;s standpoint play a pivotal role in market expansion [9, 10]. While different criteria such as availability, capability and reliability also influence the selection of services and providers, cost is the most important factor [9, 11, 12].
Although recently much research has been undertaken regarding cloud computing, most of the research focuses on the technical aspect. Literature on the managerial aspect of cloud computing is far from sufficient. The implementation of adequate service models and pricing schemes for cloud services are critical challenges because user demand, providerrsquo;s profit, and social welfare vary with the service models and pricing schemes [9, 10]. In addition, the cost structure of cloud services is another critical issue because some critics have claimed that revenue from cloud services is not able to support the costs of providing the services [3]. The costs of providers, as well as those of users, are important for diffusion of cloud computing. The costs of providing cloud computing services is a topic that seems to have even less coverage than pricing.
This paper investigates optimal pricing schemes for cloud services from the perspective of cost structure. The paper analyzes two pricing schemes: subscription and pay-per-use pricing models, from a providerrsquo;s standpoint. The study differentiates itself from previous ones in several ways. First, it uses a theoretical analysis of a simple economic model unlike earlier studies that analyzed the pricing issues of cloud providers using simulation [9, 12]. Economic analysis can better teach us the rationale of providersrsquo; choices. Secondly, Songrsquo;s [18] model was extended to explicitly consider the cost structure of service providers. Thirdly, the study compares pricing schemes from a social point of view. Analysis was undertaken on the optimal choices of providers and the implications on consumer surplus and social welfare are discussed.
This paper is organized as follows: Sect. 2 discusses service models and price schemes in cloud computing; Sect. 3 investigates two pricing schemes for cloud services using a theoretical analysis and discusses implications; Sect. 4 presents conclusions and potential future work.
2 Service models and pricing schemes in Cloud computing
2.1 Cloud service models
Cloud computing consists of three layers analogous to the technical layers in most cloud realizations: infrastructure, platform, and application. The corresponding service models are infrastructure as a service (IaaS), platform as a service (PaaS), and software as a service (SaaS) [2, 3, 13].
In IaaS, the capability provided to users is to provision processing, storage, networks, and other fundamental computing resources, where the consumer is able to deploy and run arbitrary software including operating systems and applications. The infrastructure layer fo
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云计算服务模式与定价方案
摘要 云计算是一种能带来方便的、按需通过网络访问一个共享的可配置的计算资源池的模式。为确保企业大规模采用云计算，包括安全、 隐私、 信任、 性能和其他质量属性的几个挑战需要解决。而且，与其他公用事业服务一样，由服务提供商提供的适当服务模式和定价方案在市场拓展中发挥关键的作用。本文研究了云服务最优定价方案。特别是，本文从提供商的角度调查了两种定价方案 ：订阅和按次计费模型。本文使用一个简单的经济模型理论分析供应商的最优选择，并讨论了对消费者剩余和社会福利的影响。
关键字 云计算服务模式定价方案 订阅定价 按次计费
1 引言
云计算是实现效用计算任务的重要一步，计算服务在效用计算中是商品化的、分配方式类似于传统的公用事业，如水、电、煤气和电话 [1]。它可以被定义为一种能带来方便的、按需通过网络访问一个共享的可配置的计算资源池（例如，网络、 服务器、 存储、 应用程序和服务）的模式 ,这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。[2]。云计算的特点包括按需访问、 弹性、 资源池、 抽象的基础设施和可靠[3].
云计算可以提供给用户的预期优势很多。第一，从一个集中、共享基础架构中提供计算的规模经济已经在客户间建立了期望，这种期望是云计算成本将明显低于由他们自己支撑计算而招致的成本 [3, 4]。基于仿真的分析揭示了在 13 年的生命周期，执行和维持一个云环境的总成本可能比维护传统、非虚拟化的 IT 数据中心成本低达三分之二[5]。其次，通过缓解他们管理数据中心的任务,云计算能让用户把重点放在其主要业务[6, 7]。企业可以立即开始行动而无需提前投资于软件和硬件。第三，云计算使得以可扩展和具成本效益的方式设置非常大的数据集分析成为可能[8]。
然而，为了确保企业大规模采用云计算，包括安全、隐私、信任、性能和其他质量属性的几个挑战需要解决。而且，与其他公用事业服务一样，由服务提供商提供的适当服务模式和定价方案在市场拓展中发挥关键的作用[9, 10]。同时不同标准如可用性、 性能和可靠性也影响人们对服务和供应商的选择，选择成本是最重要的因素 [9, , 11 12].
虽然最近进行了很多关于云计算的研究，但是大多数研究侧重于技术方面。云计算管理方面的文献是远远不够的。因为用户需求、提供商的利润和社会福利随服务模式和定价方案变化而变化，云服务适当的服务模式和定价方案的实施是严峻的挑战， [9, 10]。此外，云服务的成本结构是另一个关键问题，因为一些批评人士称云服务所得的收入是不能够支持提供服务的费用 [3]。供应商以及那些用户的成本对云计算的扩散是重要的。提供云计算服务的费用是一个话题，似乎有更少的覆盖比定价。
本文从成本结构视角研究最优云服务定价方案。本文调查了两种定价方案：订阅和按次计费模型，从提供商的角度来看。这项研究本身有别于以往的几个方面。首先，它使用一个简单的经济模型进行理论分析，与早先通过模拟云供应商的定价问题进行分析不同 [9, 12]。经济分析能更好地教给我们的供应商的选择理由。第二，宋的 [18] 模型被扩展，以便明确考虑服务提供商的成本结构。第三，从社会角度研究比较定价方案。分析是基于供应商的最优选择，并讨论了对消费者剩余和社会福利的影响。
本文组织如下︰第2节讨论云计算服务模式及定价方案;第3节使用理论的分析调查了云服务两种定价方案，并讨论了其影响;第4节提出了结论和展望。
2 云计算服务模式和定价方案
2.1 云服务模式
云计算包括类似于大多数云实现中的三个层次技术层︰ 基础设施、 平台和应用程序。相应的服务模型是基础设施即服务 (IaaS)，平台即服务 (PaaS) 和软件即服务 (SaaS) [2, , 3 13].
在 IaaS中，提供给用户的功能是提供加工、 存储、 网络和其它基本的计算资源，消费者能够部署和运行任意软件，包括操作系统和应用程序。基础设施层的重点是使能技术。例如，亚马逊提供基于其基础设施的计算服务 (EC2) 和存储服务 (S3)。
在 PaaS中，提供给用户的功能是要部署应用程序获取或创建使用编程语言和工具提供程序支持。平台层代表能从技术和业务的角度提供增值服务的云基础设施的顶部解决方案，[14]。平台作为一种服务确实提供用户一贯开发应用程序的方便环境 [7]。示例将是应用程序堆栈如谷歌应用程序引擎和业务平台如 SalesForce.com.
在 SaaS中，提供给用户的功能是使用云计算基础设施上运行的应用程序。各种客户端设备可以通过例如 web 浏览器的瘦客户端界面访问这些应用程序。Net 套房，SalesForce.com 和 SAP就是一些例子。
2.2 云定价方案
随着更多供应商已经开始提供云服务，对于云供应商来说,如何确定合适的用户价格逐渐变得越来越重要。这是因为定价是能够调节计算服务的供给和需求的，从而很大程度上影响供应商 （供应服务的人） 和用户 （需求服务的人） [9].
有很多不同的潜力定价政策可供云内容提供商选择。这些定价策略可分为固定的和动态的价格。定价包括订阅定价和按次计费定价 [15]。用订阅定价，由于在线服务,用户需定期支付访问软件[9]。客户订阅使用单位服务预选的组合为一个固定的价格和较长的时间，通常每月或每年 [14]。用按次计费定价，用户只需要支付他们的使用的费用。尽管按次计费可以实现社会效率，但它不容易被想要控制他们预算的用户接受[10]。
用动态定价，由于动态的供给和需求，目标服务价格建立起来，例如通过拍卖。亚马逊网络服务介绍了亚马逊现场实例，允许客户竞购他们未使用的容量。只要竞购价格高于现货价格，亚马逊就运行客户的实例，现货价格由亚马逊基于其数据中心利用设置 [15]。虽然动态定价策略可以实现更经济有效的分配和高价值服务的价格 [9, , 14 16]，但对用户来说，与动态价格相比，固定的价格是更容易了解和直接的。在现实中，固定的价格，包括订阅定价和按次计费定价，都是典型。
IaaS的一个例子是亚马逊 S3，这是亚马逊网络服务提供的在线存储网络服务。几个亚马逊 S3 服务的定价结构如表1所示 。基本上，它用按次计费定价，并提供批量折扣。
PaaS的一个例子 是 Google AppEngine，即发展和驻留在谷歌管理数据中心的网络应用程序的平台。谷歌 AppEngine 的定价结构如表2所示。与亚马逊 S3一样，它也用按次计费定价。为了开发和管理 web 应用程序，用户通常需要购买几个资源。
SaaS 的一个例子是Salesforce开发的销售云——CRM。例如，它为销售代表提供了一个完整的客户配置文件和帐户历史记录，允许用户管理营销活动的开支和性能，跟踪所有机会相关的数据，包括里程碑、 决策者、 客户通信和对公司销售过程来说是独特的任何其他信息。Salesforce开发的销售云的定价结构。如表3所示。它的收取由每个用户每月确定的订阅费，订阅费不取决使用量。
2.3供应商成本结构
提供云计算服务的成本是比定价较少讨论的主题。一个广泛应用的，概述一项 IT 服务的成本结构的方法是在ITIL——Service Delivery第二版找到的[15]。ITIL的框架提出了六种不同的成本类型制定IT成本模型。在 ITIL中，成本类型是成本分配在预算和会计最高级类别。在每个高水平投入成本类型中，会有大量被定义的成本要素。如表4中所示, 云计算包括固定的成本要素和变动的成本元素。
李等人 [17] 认为弹性资源利用率和虚拟化的云计算模式挑战现有的成本分析方法，因此他们已开发一种新的成本分析方法。他们认为，两个成本元素是必需的，因为只有部分的资源池或云在用的时候是根据用户动态需求的。第一个要素是云持有成本 (tco) 和它代表的基本成本如不会随用户利用云而改变太多的云基础架构的投资。换句话说，云的持有成本是建造和运营云的成本。第二个要素是云使用成本——由用户引起的动态成本。云使用成本是与与锁定的实际资源直接关联的云资源的使用部分成本或致力于特定用户或应用程序的成本。
不同服务模式需要不同的成本结构。虽然所有的服务模型，云总成本是共同的，但IaaS和PaaS的云使用成本或边际成本是高的。例如，进行额外的存储需要购买额外的磁盘驱动器。然而，在部署在一个动态可扩展的基础架构中，将用户添加到一个集中式的软件应用程序的边际成本可以是几乎为零，如云计算提供的。本研究提出了不同的成本结构往往是与不同的价格方案关联的。
3两种定价方案的理论分析
为了分析云计算定价方案的社会福利效应，建立了一个经济模型，其中包括云供应商的成本结构。宋的 [18] 模型存在的局限性，因为他订阅模型高估用户效用。为简单起见，本文假定有垄断的云计算服务提供商。提供有关服务的成本包括固定的成本要素和可变成本要素，显示为 cQ f ，其中 c 和 f 分别是提供云计算服务的边际成本和固定成本。
本文的主要重点是公共云服务 如IaaS (例如，亚马逊 S3)、 (例如，Google AppEngine)，PaaS 和 SaaS (例如，Salesforce.com) 等。对于公共云服务，使用者更有可能是商业用户，而不是个人消费者。然而，个别消费者并没有被排除在外。报告假定消费者保留价格沿 [0，V ] 以单位的高度均匀分布，即 v isin; [0，V ]。因此， V 还可以表示该产品的潜在市场份额。因此，给出了供应商的单位价格 (p)，对于消费类型 v isin; [0，V ] 将获得消费一个单位产品的以下盈余 ︰
U(v) = = v - p
个体消费者的需求函数向下倾斜，表示为 qi = = viminus; p ,vi是最大的可接受的支付服务费用。因此，消费者 vi购买服务时 ，当vi ge; p。它被认为最大的云服务价格小于 sV ，消费者可以在订阅定价模式下购买系列服务或在按次计费定价模式下购买一次服务。
3.1 订阅定价
在订阅定价情况下，因为已假定的边际效用递减规律，消费者 vi使用 s 单位服务将获得的总利益为radic;svi。如果供应商提供的订阅价格是每个消费者P，消费者v在radic;svige; P 或 vige;P /radic;s 时购买 s单位的服务。因而，消费者 （或商业用户） 数量是 V minus;P /radic;s。此外，当每个 vi买 s 的单位服务时，使用服务的实际数量是 s (V minus;P/radic;s) 。1根据订阅定价策略，供应商有交易量的需求，(V minus;P /radic;s)。虽然实际用量是 s (V minus; P/radic;s)，但供应商是基于基本交易量考虑供应成本，比按次计费的供应成本低。因此，供应商的利润函数给出如下。
3.2 按次计费
在按次计费模式中，如果供应商提供的每个单元的服务价格为p，当vi ge; p时，消费者vi购买 s 单位的服务。因此，如下给出的消费者 （或使用服务的数量） 数量和供应商利润
3.3 研究结果
下面是从提供商的角度检验那种定价方案更可取的。通过比较供应商在订阅定价 (Pi;lowast;S ) 和按次计费(Pi;lowast;P ) 的情况下的利润，获得的是以下命题。
命题 1 (i) 当供应成本较高时,与按次计费相比垄断供应商更喜欢订阅定价，而当供应成本较低时，与订阅定价相比垄断供应商更喜欢按次计费。（ii) 随着使用级别的提升, 提供订阅的可能性也随之增加.
命题1(i) 表明当供应成本较高时,与按次计费相比垄断供应商更喜欢订阅定价。这意味着，如果供应成本是非常低，因为按次计费策略带来的高交易量或者供应成本，供应商会更倾向于按次计费，。命题 1（ii） 说，随着使用级别的提升, 提供订阅的可能性也随之增加。如表5中所示，一些大企业用户根据成本类型可能更喜欢的订阅方案。这将晚些时候在命题2讨论.
为了从商业用户和社会的角度来看那种定价方案更可取，将会使用社会福利概念，它可以由消费者和生产者的盈余 （或商业利润）的总和表示。因此，通过比较在订阅定价（CSS）和按次计费（CSP）的情况下的消费者剩余和社会福利，可获得的是以下命题。
命题2说，从消费者剩余和社会福利的角度看按次计费(CSP )总是更可取的。这是因为按次计费提供额外的效用不会除去一些想要买最少的服务用户，而订阅定价可以提供更多的服务给不能预测他们会使用的准确服务等级的消费者。因此，一些重业务用户可能想要选择订阅定价
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