云計算環境下基于負載均衡的資源分配技術專利綜述

魏留強 李平

摘要：當前，隨著云計算技術的發展，云計算環境下的資源分配成為各國和各大企業發展的重點。在日常的云計算資源分配的過程中，不可避免的出現資源分配不均的問題，因此，云計算環境下基于負載均衡的資源分配技術被各大企業關注和研究。本文從中國以及全球的視角，對云計算環境下基于負載均衡的資源分配技術進行了較為全面的專利分析，分析了專利申請的趨勢、專利申請分布情況和重要申請人信息。最后本文對重要的企業的專利進行了深入的發掘和比較研究，得到重點企業的技術發展脈絡，探索云計算環境下的資源分配技術未來發展的方向。

關鍵詞：云計算;資源分配;負載均衡

中圖分類號：TP3911 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）06-0151-07

1 引言

云計算作為一種新型的IT資源供應模式，是分布式計算、網格計算、并行計算和互聯網技術的延伸與發展，它的主要吸引力在于能夠為用戶提供按需的、靈活的、彈性的、可靠的和廉價的資源服務，可以減少用戶在信息化建設過程中前期的軟硬件投入和后期的運維成本[1]。

互聯網發展的最初階段，用戶數量少且操作相對簡單，此時用戶的需求利用單個服務器即可完成。隨著互聯網技術的不斷發展，不僅網絡用戶數量迅速增長，用戶的操作也更復雜，此時對服務器的響應時間、穩定性都提出了更高的要求，單個的服務器已不再能滿足用戶的要求，因此必須從單一的服務器轉變為使用服務器集群解決這些問題。用戶的需求由服務器集群中的各個服務器協作完成[2]。

在服務器協作工作過程中，不可避免地出現服務器間負載不均衡的狀況，例如一些服務器節點上的任務很多或者存儲數據多，負載比較重，而另一些服務器處于空閑狀態或者存儲數據少，負載比較輕。這將會導致整個集群系統的性能下降。因此如何在多臺服務器間合理的進行數據存儲、分配任務、調度資源是一個迫切需要解決的問題，這就是所謂的負載均衡的問題[3]。負載均衡問題就是為了獲得最優的資源利用率，在多個進程、計算機、磁盤或者其它資源間進行任務的合理調度，降低計算時間。負載均衡問題一直是云計算研究領域里的熱點研究問題之一，尤其對于異構系統，由于系統中節點配置、資源類型的多樣性，使得負載均衡更加困難[4]。

本文主要通過對涉及“云計算環境下基于負載均衡的資源分配技術”的國內外專利文獻進行檢索和研究分析，從而揭示該項技術的發展脈絡、發展現狀以及技術特點，為技術人員在該領域的繼續探索和研究提供參考。

2 數據采集和取樣

本文采用中國專利文摘數據庫（CNABS）、德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）。其中，CNABS用于中文專利檢索;利用DWPI完成英文庫專利的檢索。

本文主要云計算環境下基于負載均衡的資源分配技術，檢索關鍵詞包括云，cloud，數據中心，datacenter，檢索涉及的CPC分類號包括G06F9/5083，G06F9/5088。將檢索時限截止到2019年7月3日，其中由于專利文獻從提出申請到向公眾公開有時間的延后，因此，2018年及2019年的樣本會有不完整的問題。所以，對于以下分析圖中有關2017年和2018年申請量的下降曲線不排除是由于樣本數據量的不完整而造成的。

3 專利分布總體情況

3.1 專利申請態勢分析

圖1示出了基于負載均衡的云計算資源分配的全球專利申請趨勢狀況。通過圖1可以看出，基于負載均衡的資源分配專利申請最早的申請為2008年的兩篇，距離Google在2006年8月9日首次提出“云計算”（Cloud Computing）的概念不足兩年的時間，且幾乎沒有萌芽期，一開始就以非常快速的態勢突飛猛進，從2008年到2012年的專利申請數量逐年倍增，并迅速在2016年達到了一次高峰。這說明云計算的技術改革與創新速度非常快。這與云計算的關鍵技術同樣存在于網格計算、分布式計算等其他傳統的計算平臺有關，這樣將傳統計算平臺的技術在云計算平臺中重新賦予新的意義也更加容易實現。

2011—2012年專利申請量的激增與各國政府的刺激密切相關。2010—2012年期間，我國國務院以及各地地方政府、美國、歐盟等紛紛出臺云計算發展戰略，鼓勵發展云計算技術。在政府的鼓勵下各企業紛紛發展云計算技術，導致2011—2012年專利申請量的激增。

2013至2014年專利申請量相比2012有所減緩，這與云計算技術已經發展較為成熟，來自傳統計算平臺的負載均衡技術已經在云計算資源分配管理中轉換完畢。新的技術需要根據云計算平臺的特點進行研發，因此，研發的腳步有所放緩，然而依然維持在一個相對高的水平。

2015年至2016年的專利申請數據又一次出現了快速增長的趨勢，這與市場的刺激有關，由于云計算規模的擴大，云計算的負載均衡管理問題不僅是降低運營成本的問題，還是保證云計算平臺穩定運行的問題。通過云計算平臺中各負載資源的再平衡技術，能夠保證云平臺中各個用戶都能夠得到優質、穩定的服務，并且降低云平臺的資源消耗[5]。

2017年資源負載均衡技術專利申請量首次呈現出負增長，2017年專利申請量較前一年減少31%。這是因為云平臺中資源負載均衡技術已經成熟，其發展達到瓶頸。

2018至2019年的申請數據出現了下降，這與專利申請的延時公開政策和數據庫的收錄延時有關。

3.2 技術活躍度分析

圖2顯示了申請負載均衡的云計算資源分配的申請人的數量的變化情況，可以看出，從2006年提出云計算開始，至2008年不足兩年的時間，申請人已經開始關注云平臺的負載均衡問題，且一直到2010年，各個申請人踴躍加入在負載均衡研究，通過負載均衡使云計算資源分配更加合理有效成為了各個大公司和科研機構的研究熱點。這與計算機業界巨頭的強勢推動有關，Google、Amazon、IBM和Microsoft等計算機業界的巨頭們以前所未有的速度和規模推動著云計算技術的發展和云計算產品的普及，刺激了學術界的一些研究者們也迅速將云計算作為自己的研究課題。由于云計算技術是由其他傳統平臺的技術演進而來，而其他傳統平臺管理中的負載均衡管理也有相對成熟的技術，因此，計算機傳統技術領域的申請人轉而研究云計算技術相對容易，新增申請人的占比逐年攀升，并在2016年達到頂峰。

在2008年至2012年，申請人數量快速增加，這期間由于云計算作為一個新出現的領域，引起了各企業以及科研機構的關注，因此他們爭相投入云計算進行研究。在2013年至2015年申請人的總量以及新增申請人的數量開始緩慢下降，但是專利申請量并未下降，依然在逐年上漲，這是由于經過幾年時間的研究，基于負載均衡的云計算資源分配技術由積累較多的企業申請專利，一些技術積累較少的申請人，無法持續投入資源進行研究，因此出現了申請人數量下降，但是申請量并未下降的現象[6]。

經過前幾年的技術積累以及資源投入，2016年專利申請人數量出現大幅度增加，達到了歷年專利申請量的峰值，但是此后的2017以及2018年申請人的數量開始下降，且新增申請人的占比也在下降，原有申請人數量也開始有了下降的趨勢，這說明云計算經過了幾年的發展，參與云計算資源管理中負載均衡方向的研究者隊伍也開始穩定。

2019年的申請數據由于專利數據的延時公開特性，數據存在誤差。

3.3 專利申請布局分析

從圖3可以看出，在基于負載均衡的云計算資源分配技術領域，中國和美國既是主要的技術來源國，也是重要的技術目標國。且來自中國和美國申請的專利布局占據了所有專利申請的絕大多數。這說明在基于負載均衡的云計算資源分配技術領域的技術創新，中國和美國已經站在了世界的頂峰。

而從各個國家的專利分布可以看出，中國和美國仍然是專利申請的目標國家，這說明中國和美國的市場是云計算平臺的主要分布市場，且從圖中可以看出，來源于歐洲地區的專利申請占比較低，但是申請目標國家和地區為歐洲地區的專利申請的數量占比相對較高，這說明其他國家和地區有在歐洲地區的市場進行競爭。

圖4展示了專利的五局流向，從圖中可以看出，中國的專利申請，絕大多數都是在中國本地進行的專利申請，其次專利申請選擇向美國和歐洲地區進行專利布局，對日本以及韓國的專利布局較少。這說明中國申請人注重國內市場，對海外市場的專利布局重點在于美國和歐洲地區。

美國的申請擴張度極高，雖然美國國內的專利申請同樣占據了較高的比例，但是美國的申請人非常注重國外市場的拓展，中國和歐洲是美國的主要技術輸出國家地區，這說明中國市場和歐洲市場對于美國來說非常重要。美國雖然在日本和韓國也有進行專利布局，但是專利布局的數量明顯少于在中國和歐洲地區的專利布局數量。

歐洲地區的專利申請雖然體量不大，其專利布局在美國以及歐洲地區，并且歐洲地區的申請人在歐洲專利局的專利申請數量與其在美國進行專利申請的數量基本持平這說明歐洲地區的申請人非常重視美國市場。歐洲地區的專利申請人并未向中國、日本、韓國進行專利布局，這說明歐洲地區的申請人對中國、日本以及韓國市場并不重視。

日本的申請人與歐洲的申請人相似，他們都十分重視美國市場，專利布局主要在本國以及美國。日本對中國、歐洲以及韓國仍有專利布局，雖然專利的申請量很少，但是這說明日本申請人還是比較謹慎，對每個地區都進行了專利布局。

韓國的申請人也同樣將在本國申請的專利申請大部分在美國進行了專利布局。韓國申請人對中國、歐洲地區都進行了少量的專利布局，但是并未對日本進行專利布局，這說明韓國不重視日本市場。

綜上可以看出，美國在基于負載均衡的云平臺資源分配專利申請量最大，并且在五局中都進行了專利布局，技術輸出態勢非常明顯。另外，除美國之外的其他4個國家和地區的申請人都向USPTO進行了專利申請，但是申請的數量無法和美國相抗衡，這說明美國是世界各國爭相布局的主要市場，并且在美國市場，美國在基于負載均衡的云計算資源分配技術領域依然處于霸主地位。中國專利申請量僅次于美國，但是在五局專利布局上，主要布局在美國和歐洲，并且申請量較少，這說明中國申請人大多數并未走出國門，在基于負載均衡的云平臺資源分配領域與美國還有很大差距。

3.4 專利申請人分析

圖5為基于負載均衡的云計算資源分配技術領域專利申請人排名，從圖中可以看出，專利申請量排名第一的是IBM，其申請量遠遠超過其他申請人，這也體現出IBM公司在云計算領域的技術統治地位，另外，專利申請量排名前五中的IBM、微軟、VMWARE、惠普都是美國的申請人。

排名前十的申請人中，中國的申請人僅有浪潮、華為兩個企業，這說明書中國的專利申請人在基于負載均衡的云計算資源分配技術領域的技術儲備不足，存在很大的進步空間。

圖6為基于負載均衡的云計算資源分配技術領域專利申請人排名，其中，浪潮排名第一，但是他的專利布局僅限于國內，并未布局海外，因此浪潮的專利競爭性不足。另外，在國內申請人的排名中，位于前十的中國申請人有浪潮、華為、阿里巴巴、國家電網、東南大學、北京郵電大學、華南理工大學、上海交通大學，其中有4個申請人為大學申請人，說明我國在基于負載均衡的云計算資源分配技術領域的研究主要位于實驗室的研究中。另外，前十的在華申請人中存在兩個外國申請人微軟和IBM，他們均是美國的企業，這說明美國企業還是很重視中國市場的。

4 重點申請人分析

通過上述分析可以知道，IBM是基于負載均衡的云計算資源分配技術領域專利申請量最大的企業。華為和浪潮是基于負載均衡的云計算資源分配技術領域專利申請量最大的兩個中國企業。因此，選取IBM、華為和浪潮三個企業作為重點申請人進行分析。

4.1 IBM

根據市場研究機構IDC公布的2018年全球公有云廠商市場份額數據顯示，IBM在全球云計算市場的份額確在不斷下滑，其排名在亞馬遜、微軟、阿里巴巴之后，處于第四位。但是，IBM在基于負載均衡的云計算資源分配中的授權專利量處于絕對領先地位。因此，選擇IBM進行分析，以獲得云計算資源管理技術領域的專利技術發展和布局特點。

IBM在基于負載均衡的云計算資源分配技術的專利布局是從2009年開始。從2009—2010年，IBM針對云計算需求和云提供者進行靜態的能力分配，以達到相對負載均衡，提高系統的效率。如：US2011131329A1中基于處理資源消耗量將組件部署到與計算系統相關聯的服務器，減少軟件應用程序的執行時間。可以提高軟件應用程序的處理效率;US2011138048A1在云計算環境中提供云漫游服務的方法，涉及基于請求者的簡檔和云提供者集的能力確定提供所請求的云服務的云提供者的集合;US2011246992A1中將一個VM從云計算機移動到單獨的云計算機，以便在云計算機上留下另一個VM，從而有效地將提供有親和性要求的VM移動到云計算環境中的單獨計算機。該方法使得能夠將云計算識別為通過虛擬平臺提供信息技術服務的成本效益，使得具有數百或數千個刀片服務器的云使系統管理員能夠構建高度定制的虛擬機以滿足各種各樣的最終用戶需求。

5 總結

基于負載均衡的云計算資源分配專利申請分為初步發展時期（2008年至2010年）、快速增長期1（2011年至2012年）、穩步調整期（2013年至2014年）、快速增長期2（2015年至2016年）、調整期（2017年）四個發展階段。

專利申請量排名前15的申請人中，有10家美國企業，分別是IBM、微軟、VMware、惠普、SPLUNK、英特爾、紅帽、rackspace、谷歌、愛立信。美國是云計算技術發展最早的國家，最早提出云計算概念的谷歌就是美國企業，美國申請人憑借其在信息和通信技術領域發展的優勢，在技術上處于領先地位，牢牢占據了霸主地位，走在了世界的前列，是主要的技術來源國。且云計算領域行業“馬太效應”明顯，超大規模運營商的主要云服務市場份額逐年增長，行業集中度不斷提高，進一步擠壓了小眾玩家的生存空間。

中國的申請人在云計算資源分配領域的起步較晚，從2009年開始才有了自己的專利布局，而且，中國的企業仍然以國內市場為主，專利申請集中在國內，除了華為之外，極少向中國之外的國家和地區提交專利申請，沒有形成全球專利布局。

作為傳統IT企業的老牌企業，IBM在云計算資源分配中的授權專利量處于絕對領先地位，且其專利申請具有延續性的技術發展脈絡。浪潮作為中國本土綜合實力強大的IT企業之一，根據IDC發布的《中國政務云服務運營商市場份額，2017》報告，浪潮云以市場份額占比18.7的成績，位居2017中國政務云服務運營商市場占有率第一位。且浪潮也是在云計算資源分配技術領域中專利申請量最多的中國企業。然而，從浪潮進行專利申請的布局來看，浪潮僅有1件專利申請向國外進行了專利布局，絕大多數的專利申請僅在中國進行了專利布局。這與浪潮的云計算業務主要分布在國內市場有關。

華為是全球領先的信息與通信技術解決方案供應商，專注于信息與通信技術領域，在電信運營商、企業、終端和云計算等領域構筑了端到端的解決方案。在IDC最新發布的《2018中國云系統與服務管理軟件市場Tracker》中，華為云Stack云管理平臺ManageOne的市場占有率位居第一。同時華為也是云計算資源分配技術領域中專利申請量在中國企業中排名第二，其在云計算資源分配技術領域的專利申請布局遍布中國、美國、歐洲等國家和地區，這與其在這些國家和地區都有業務市場，且重視專利的國際化布局有關。但是華為在云計算市場上的保守也使得華為不論在云計算的市場份額上還是在專利申請數據上，都不處于優勢地位。

參考文獻：

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[6] Internet Data Center report on Optimizing Infrastructure and Server Managementin Tough Economic Times. http：//www.idc.com/.