（管理科学与工程专业论文）网络服务商的拥塞控制策略研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 摘要 随着网络技术的发展与应用的普及，i n t e r n e t 正面临着许多新的挑战，主要 体现在：资源相对稀缺、网络拥塞、服务多样化及竞争的加剧。传统的“尽力而 为”服务模式已经不能够满足消费者应用多样化的需求，网络服务商( i n t e r n e t s e r v i c ep r o v i d e r i s p ) 必须改变当前的服务模式，必要时还需提供有质景保证的 服务以满足应用的需求。但在目前的网络服务中，i s p 与消费者都是基于自身的 性能目标做出相应的决策。i s p 根据消费者的需求信息制定规则，与此同时，消 费者则在i s p 制定的规则下选择自己的消费模式。因此为了更有效地利用稀缺的 网络资源，给消费者提供更满意的网络服务，有必要对i s p 在网络服务控制中的 行为进行研究。针对上述问题与挑战，本文运用经济学的方法探讨了i s p 的价格 控制、资源分配、呼叫接入控制( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 及供需市场上的 均衡问题，目的是使系统在兼顾网络服务质量保证的前提下，最大化用户的满意 度与i s p 的收益，使网络资源得以更有效地利用 本文用定量与定性分析相结合的方法，研究了i s p 的网络拥塞控制策略与系 统均衡问题。在基于消费者需求信息的基础上，分别对基于价格控制策略的拥塞 控制、基于资源分配策略的拥塞控制、基于呼叫接入控制策略的拥塞控制及在控 制策略一般化基础上网络供需市场的供需均衡问题进行了深入探讨，为i s p 在制 定具体的控制策略时提供了一种理论分析与定量分析的参考依据。 根据研究点的不同，文章可以分为以下两个部分： 第一大部分是考虑单i s p 的网络拥塞控制问题，主要章节是第2 、3 、4 章。 在基于价格控制策略的拥塞控制研究中，给出两种基于价格控制策略的拥塞控制 方案。面对实际中i s p 价格控制策略选择的问题，给出了一种基于消费者需求统 计信息的价格控制策略比较选择方法，为i s p 在制定新的定价策略、决定最优定 价、比较不同定价策略优劣时提供了一种定量的参考依据 在基于资源分配策略的拥塞控制研究中，给出了两种基于不同目标的带宽分 配策略，并从非合作博弈的角度分析了运两种带宽分配策略对i s p 收益、消费者 利益及系统均衡的影响 在基于c a c 的拥塞控制研究中，分析了在不同服务价格条件下使期望报酬 最大化自q 接入控制策略，以确定i s p 的供应特性；此外还给出相应的仿真算法， 中国科学技术大学博士学位论文摘要 比较了不同控制策略对i s p 收益的影响，为i s p 按照网络的实际状况选择合适的 资源分配策略与接入控制策略提供了个定量的分析方法。 第二大部分是考虑多i s p 市场中的拥塞控制阃题，主要章节是第5 章，在研 究多i s p 市场中的价格控制策略中，给出了一种基于消费者需求统计信息的价格 控制策略的选择方法，给进入i s p 在采用价格控制策略控制网络拥塞问题、决定 最优定价、比较不同定价策略优劣时缒供了一种定量的参考依据。最后本文将所 研究的拥塞控制策略一般化，研究了多i s p 非合作网络供需市场上的供需均衡问 题，给出了传统经济理论中供求均衡稳定性条件的对策论意义，证明了经济理论 中的供求均衡稳定性条件。 本文的主要刨薪性工作如下： 1 将消费者的效用函数、焉求信息及i s p 的收益考虑到价格策略的制定中， 并给出了一种基于消费者需求统计信息的价格控制策略的比较选择算法： 与现有价控策略相比，本文所制定的价格策略在实现i s p 利润最大化与拥 塞控制的同时，还兼有简便、公平的优点。 2 将马尔科夫决策过程( m a r l o vd ， ) 与排队网络性能势 理论应用于对供应特性的分e析ci中sio，n通pr过oc将ess系m统d的pisp长期平均报酬转化为 m d p 中的稳态性能，给出了c 五c 基于长期平均报酬准则下的策略优化算 法。该算法将对一个m k 维的整体尊优转化为次影维的向量寻优， 从而能够显著地降低由于高维状态所带来的计算复杂度。 3 应用博弈论中的有关理论与压缩映象定理寻求一类多i s p 非合作对策纳什 均衡存在、唯一的充分条件，给出了传统经济理论中供求均衡稳定性条件 的对策论意义，证明了经济理论中的供求均衡稳定性条件：说明了经济学 中蛛阿模型的稳定供求均衡实际上就是对策理论中的纳什均衡，从而给出 了传统经济理论中关于这一结论的新解释。 关键词：拥塞控制网络定价资源分配呼叫接入控制非合作博弈 一l l 中国科学技术大学博士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n ta p p l i c a t i o na n dw i d es p r e a do fn e t w o r kt e c h - n i q u e s ，i ti sf a c i n gs e v e r a ln e wc h a l l e n g e s ，m a i n l yi n c l u d i n g ：r e l a t i v el a c ko fr e - s o u r c e s ，n e t w o r kc o n g e s t i o n ，s e r v i c ed i v e r s i t ya n dc o m p e t i t i o nr i v a l r y t r a d i t i o n a l b e s te f f o r t s e r v i c ec 蹰n ol o n g e rs a t i 8 f yt h er e q u i r e m e n t so fv a r y i n gc u s t o m e r a p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e , i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ( i s p ) s h o u l dc h a n g ec u r r e n ts e t - v i c em o d ea n dp r o v i d eg u a r a n t e e ds e r v i c e si fn e c e s s a r yi nt h i sc a s e b u ti nc u r r e n t i n t e r n e ts e r v i c e ，i s pa n dc u s t o m e r sm a k ed e c i s i o n st h a to p t i m i z et h e i ri n d i v i d u a lp e r f o r m a n c e i s pm a k e st h er u l e sa n da c c o r d i n g l yt h ec u s t o m e r ss e l e c tt h e i r c o n s u m p t i o nm o d e s t om a k em o r ee f f i c i e n tu s eo fs p a r s en e t w o r kr 酋o u r c c e ，a n d p r o v i d es a t i s f y i n gs e r v i c e sa sw e l l ，i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t ei s p sb e h a v i o r si n n e t w o r kc o n t r o la n dc o m p e t i t i o n t os o l v et h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m sa n dc h a l - l e n g e s ，t h i sr e s e a r c hf o c u s e so ni s p sp r i c ec o n t r o l ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，a d m i s s i o n c o n t r o la n de q u i l i b r i u mi ns u p p l y - d e m a n dm a r k e tw i t ht h eh e l po fe c o n o m i cm e t h - o d s i no r d e rt om a 妇m i z ec u s t o m e rs a t i s f a c t i o na n di s p sp r o f i ta sw e l l i nt h i s w a y , n e t w o r kr e s o u r c e 8w o u l db eu t i l i z e dm o r ee f f i c i e n t l yw i t ht h ep r e c o n d i t i o no f g u a r a n t e e ds e r v i c e s t h i 8p a p e re m p l o y sq u a n t i t a t i v ea sw e l la sq u a l i t a t i v em e t h o df o ra n a l y z i n g c o n g e s t i o nc o n t r o la n ds y s t e me q u i l i b r i u m b a s e do nc u s t o m e rd e m a n di n f o r m a - t i o n ，c o n g e s t i o np o l i c i e sb a s e do i li n t e r n e tp r i c i n g ，r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dc a l l a d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) r e s p e c t i v e l yh a v eb e e nd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h e s e p o l i t i e sa x eg e n e r a l i z e d ，t h e nt h ec o r r e s p o n d i n ge q u i l i b r i u mp r o b l e mi sa n a l y z e d w e l l t l l i 8w o r ka t t e m p t st os u g g e s tar e f e r e n c eb e n c h m a r kf o rm a k i n gs p e c i f i c c o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc a nb ep a r t i t i o n e di n t ot w op a r t s ： t h ef i r s tp a r tf o c u s e do ns i n l e - i s pn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o b l e m t h e d i s c u s s i o n sl i ei nc h a p t e r2 ，3a n d4 i ns t u d y i n gc o n g e s t i o nc o n t r o lb a s e do n p r i c i n gp o l i c y , t w op o l i c i e sb a s e do nc u s t o m e rd e m a n di n f o r m a t i o na r ep r e s e n t e d t od e a lw i t hp r a c t i c a lc h o i c ep r o b l e mo fp r i c ec o n t r o lp o l i c i e s ，ac o m p a r a t i v e m e t h o df o rp o l i c i e sc h o o s i n gb a s e do ns t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no fc u s t o m e rd e m a n d - m 一 中国科学技术大学博士学位论文 英文摘要 i ss u g g e s t e d i ns t u d y i n go fc o n g e s t i o nc o n t r o lb a s e do nr e s o u l c ea l l o c a t i o n ，t w o d i f f e r e n tb a n d w i d t ha l l o c a t i o np o f i c i e sg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c eb a s e d o nt h ed e m a n di n f o r m a t i o no ft h ec u s t o m e r sh a v eb e e np r o p o s e d t h e nt h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tb a n d w i d t ha l l o c a t i o np o f i c i e so ni s p sr e v e n u e s c u s t o m e r sb e n e f i t s a n ds y s t e me q u i l i b r i u mh a v eb e e na n a l y z e da sw e l l i ns t u d y i n go fc o n g e s t i o n c o n t r o lb a s e do nc a c t h ec o n t r o lp o l i c yw h i c hm a x i m i z e st h ee x p e c t e dr e w a r d s u n d e rs e v e r a ld i f f e r e n ts e r v i c ep r i c e si si n v e s t i g a t e d 。s oa st oa n a l y z et h ei s p s s u p p l yc h a r a c t e r i s t i c s i nt h em e a l lt i m e ，c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o na l g o r i t h mi s d e v e l o p e dt oc o m p a r ei n n u e n c e sc a u s e db yd i f f e r e n tc o n t r o lp o l i c i e so ni s p t h i s p r o v i d e saq u a n t i t a t i v ea n a l y z i n gm e t h o df o ri s pt oc h o o s ea p p r e c i a t er e s o u r c e a l l o c a t i o na n da d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c i e sa c c o r d i n gt on e t w o r ks t a t u s t h es e c o n dp a r tf o c u s e do nm u l t i - i s pn e t w o r kc o n g e s t i o nc o n t r o lp r o b l e m t h ed i s c u s s i o nl i e si nc h a p t e r5 i ns t u d y i n go fm u l t i - i s pp r i c i n gp o l i c y , a na n n - l y z i n gm e t h o db a s e do ns t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no fc u s t o m e rd e m a n di sp r o p o s e d i nt h ee n d ，a n o t h e ri m p l i c a t i o ni nt h es e n s eo fg a m et h e o r yi sp r e s e n t e df o rt h e s t a b i l i t yc o n d i t i o no fs u p p l y - d e m a n de q u i l i b r i u mi nt r a d i t i o n a le c o n o m i ct h e o r y a f t e rg e n e r a l i z i n gt h ea b o v ec o n g e s t i o nc o n t r o lp o l i c i e s i tc a nd e m o n s t r a t et h e s t a b i l i t yc o n d i t i o nf o rs u p p l y - d e m a n de q u i l i b r i u mi ne c o n o m i ct h e o r y t h ei n n o v a t i o n so ft h i sd i s s e r r a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w e d ： 1 i nm a k i n gp r i c i n gp o l i c i e s ，c u s t o m e r 8u t i l i t yf u n c t i o n ，d e m a n di n f o r m a t i o n a n di s p 8r e v e n u e sa r ec o n s i d e r e d ；f h r t h e r m o r e ac o m p a r a t i v em e t h o df o r p o l i c i e sc h o o s i n gb a s e do ns t a t i s t i c a li n f o r m a t i o no fc u s t o m e rd e m a n di s s u g g e s t e d c o m p a r i n gt ot h ee x i s t i n gp r i c i n gp o l i c i e s ，t h e s ep o l i c i e sa c h i e v e i s p 8p r o f i tm a x i m i z a t i o na n dc o n g e s t i o nc o n t r o l ，a tt h e8 锄et i m e ，h a v et h e m e r i t so fs i m p l i c i t ya n df a i r n e s s 2 m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( m d p ) a n dp e r f o r m a n c ep o t e n t i a lt h e o r ya r ea p - p l i e dt ot h ea n a l y s i so fs u p p l yc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g hc o n v e r t i n gs y s t e m 8 l o n g - r u ne x p e c t e da v e r a g er e w a r di n t os t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ei nm d p , a p o l i c yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mu n d e rt h er u l eo fl o n g - r u ne x p e c t e da v e r a g e r e w a r d n 血a l g o r i t h mt r a n s f o r mm k - d i m e n s i o ng l o b a lo p t i m i z a t i o ni n t o kt i m e so fm - d i m e n s i o nv e c t o ro p t i m i z a t i o n ，s ot h ec o m p u t i n gc o m p l e x i t y i v 中国科学技术大学博士学位论文英文摘要 b r o u g h tb yh i g h - d i m e n s i o ns t a t ed e c r e a s e se v i d e n t l y 3 b y 印p l y i n gg a m et h e o r ya n dc o n t r a c t i o nm a p p i n gt h e o r e m ，as u f f i c i e n tc o n - d i t i o nf o rt h ee x i s t e n c ea n du n i q u e n e s so fn a s he q u i l i b r i u mj na m u l t i p e r s o n n o n - c o o p e r a t i v eg a m ei sp r o p o s e d a n o t h e ri m p l i c a t i o ni nt h es e n s eo fg a m e t h e o r yi sp r e s e n t e df o rt h es t a b i l i t yc o n d i t i o no fs u p p l y - d e m a n de q u i l i b r i u m i nt r a d i t i o n a le c o n o m i ct h e o r y i tc a nd e m o n s t r a t et h es t a b i n t yc o n d i t i o n f o rs u p p l y - d e m a n de q u i l i b r i u mi ne c o n o m i ct h e o r y s ot h es t a b l es u p p l y - d e m a n de q u i l i b r i u mo fc o b w e bm o d e li ne c o n o m i c si si nf a c te q u i v a l e n tt o t h en a s he q u i l i b r i u mi ng a m et h e o r y t h a ti sab r a n d n e we x p l a n a t i o nf o r t h ec o n c l u s i o ni nt r a d i t i o n a le c o n o m i ct h e o r y k e yw o r d ：c o n g e s t i o nc o n t r o l i n t e r n e tp r i c i n g l ：l 启b o u r c ea l l o c a t i o n c a na d m i s s i o nc o n t r o l n o n c o o p e r a t i o ng a m e 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 川 丝逡 年s 月】日 主里型堂竺垫堡垄丝塑二坠些 第一章绪论 1 1问题的提出和研究背景 1 1 1 当前网络面临的主要问题 过去的二十几年里，计算机通信网络出现了巨大的变革。光纤技术、计算机 硬件的发展，w w w 等软件技术为通信服务创造了一个更灵活的舞台。爆炸式发 展的网络服务以及随之而来的网络增值服务，给我们的生活带来了翻天覆地的变 化。但是，随之而来也出现了一些新的问题： 1 资源稀缺性 随着互联网的日益普及、新业务类型的不断拓宽及业务量的迅速增长，用 户的数量及用户对网络带宽的需求量急剧增加( 见图1 - 1 ，i - 2 ) 。实践已经 清楚地表明，业务需求量的增长迟早是要超过可以利用的网络资源的，尤 其是在无线通信领域中，“无线的资源永远是有限的”。对于互联网通信信 道的需求增长主要有两个原因，上网人数的快速增长和多媒体应用的普及， 例如视频点播所需要的带宽远远超过目前各种应用的带宽使用水平。 2 网络拥塞 最初设计的i n t e r n e t 是无连接的分组交换网络，所有的业务分组被不加区 分地在网络中传输，网络提供“尽力而为”的服务模式。但是“尽力而为” 服务无法保证传输数据的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) ，尽管建立在 这种体系结构上的传统网络应用( 如：f t p ，e m a i l 等) 和网络协议具有较 强的灵活性和适应性，但随着用户数量的急剧增加，网络的负载往往会超 过网络的处理能力，网络的拥塞问题也就会越来越严重。 3 应用多样性 以往局限在高校校园与大公司里的网络已经发展成为面对广大公众的公共 接入网。大量涌现的各种不同的新的应用以及不断增长的用户需求意味着 现有的单一的尽力而为型的网络模式己经不能很好地满足服务需求，我们 网民数指每周登陆1 小时上网行为的巨联网用户；数据来源于中冒瓦联网信息中心2 0 0 1 2 0 0 7 年互联网络信息调查报告 1 圈1 - 1 历年中国互联网用户数与增长率 历年中国互联网出口带宽 2 5 黼钟 2 5 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 5 删 1 3 6 1 0 6 l 0 0 0 。 7 , 5 0 0 0 0 。御 ，5 9 8 螂? ，： 。 一j u 。 0 0 1 20 1 ，1 20 2 1 2 0 3 1 2 0 4 1 20 5 1 20 6 1 2 f 碉 围l - 2 历年中国互联网出口带宽 一2 - 中国科学技术大学博士学位论文 第。章绩沦 需要采取多类型多级别的服务方式。先进先出的模式已经不能满足不同用 户的不同需求，我们有必要研究对服务质量有严格要求的带宽分配策略。 用户群发生了变化，用户的应用也逐渐多样化，这就意味着必须要加强对 用户接入控制的管理机制，以抑制恶意用户的破坏行为，而在以前的网络 并不需要采取这样的激励机制来确保网络性能水平。如何采取有效的接入 控制机制鼓励用户积极主动地参与到网络管理中来，维持一个有序的网络 秩序是当前网络管理中要考虑的重要问题。 4 运营成本增加 不断增长的i n t e m e t 使用也造成了成本的增加。基于带宽的高速应用的实 现和维护需要有更多的成本：激励机制、拥塞控制和流量控制等控制手段 都会造成网络运营成本的增加。目前的i n t e r n e t 发展成为遍布全球的服务 网络，不同的i n t e r n e t 应用属于不同的服务供应商，这又对价格体系提出了 更高的要求。因此，有必要研究并采取一种更合理的价格机制和体系，体现 资源价值。在i s p 收回成本、维持利润最大化的同时，还要能够起到拥塞控 制的作用，为网络市场运作提供一个良好的基础。面对这些问题，我们有必 要研究新的价格体系，它不仅要合理有效地分配资源，还要支持多级别的 服务模式，不仅要能够从用户那里收回网络服务运营成本，还要鼓励用户 积极主动地参与到网络管理中。 5 竞争激烈性 9 0 年代初商业机构对i n t e r n e t 的进军，使i n t e r n e t 开始了商业化的新进程， 也成为i n t e r n e t 大发展的强大推动力。逐渐扩大的用户群与多样化的应用 需求在带来一系列问题的同时，也给i s p 带来了巨大的商机与挑战。潜在 的市场价值吸引越来越多的i s p s 参入到i n t e r n e t 中来，他们的加入在推动 网络告诉发展的同时，也加剧了自身的市场竞争。i s p 的市场竞争归根结底 就是其对消费者的控制，市场占有率是其对消费者控制的市场竞争指标 竞争的初期通常表现为价格的竞争，主要体现在入网费与使用费上的竞争 随着目前网络资源垄断的消除，互联网产品日益先进和廉价，面对着有着 巨大潜力的互联网市场，i s p 的竞争日益激烈。由于一些主干网的大幅度降 价，已经使得单纯通过价格上的降低变得异常困难。这样是不是意味着价 格竞争结束啦? 事实上，竞争不但没有结束，反而更加加剧了，只不过竞争 3 一 中国科学技术大学博士学位论文1 1 问题的提出和研究背景 的形式改变了而已。单纯的价格竞争已经转变为价格制定策略，提供多元 化服务、服务质量或者他们组合的竞争。 1 l 2 网络服务的控制与管理 网络控制是指网络为了提供各种服务并保证己签订的服务合约能够得到有 效执行而进行的各种操作。实际的网络控制方法有很多，如后面章节所研究的价 控策略、资源分配与呼叫接入控制都属于网络控制范畴，按照控制策略所维持的 时间间隔划分，接入控制对服务请求的处理比较及时，操作间隔非常短；资源分 配策略的操作间隔则较长；价格控制策略操作时间则可长可短，一般来说，静态 定价( 包括固定定价与基于使用量定价，见2 3 节) 策略的时间间隔相对比较短， 而动态定价策略的操作时间间隔则比较短。 为了满足用户多样化的服务及较高q o s 的要求，运营商需要对消费者的特 性及供需状况进行分析，在提供服务时要采取有效的控制机制以充分发挥现有资 源的使用效率，为用户提供尽可能满意的服务。对于i s p 自身而言，为了在在激 烈的竞争环境下使自己对于对手具有较强的竞争优势，i s p 需要对市场环境、竞 争对手的竞争优势进行分析，挖掘自身的潜力，使自己处于有利的地位。因而对 于i s p 丽言，目前亟待解决的问题有： 1 对于拥塞的资源，如何通过制定合理的价格策略来引导用户正确的网络行 为，避免因为资源的过度使用造成网络性能的恶化； 2 对于用户需求的不断增长与网络资源的稀缺性，如何分配资源以满足不同 应用对服务质量的各自需求，提高网络资源的使用效率； 3 如何利用与选择接入控制策略避免价格策略无法控制的拥塞情况，在保证 用户对服务质量要求得到满足的同时实现自身经济效益的最优化； 4 对于多i s p 竞争市场，采取怎样的价格控制策略以使自身处于有利的竞争 地位。 5 对于由于用户多样化的需求造成的网络拥塞与系统的不稳定性，采取怎样 的策略使系统达到供需均衡的稳定状态； 本文主要通过经济学与博弈论的方法来研究网络的服务控制与管理及i s p 之间的竞争行为，使i s p 能够清楚认识到当前的市场环境与竞争状况，从而采取 4 更加有效的控制与竞争策略，在提高网络资源的使用效率的同时，最大化自身的 效用 1 2 网络工程中的经济学方法 解决1 1 2 问题主要有以下几个途径：第一是大量增加固定投资，加强基础 设施的建设；但是这要受到投资力量的限制，在短期内很难取得明显的效果。第 二是依靠信息技术的进步；但是技术的进步也需要一个过程，即使有新的技术诞 生，也不一定容易应用到实际的问题中去，应用新技术也需要一个过程。以上两 种方法固然可以缓解这一问题，但是随着网络需求的急剧增长单纯依靠以上两 种手段已经越来越显得力不从心。于是研究者开始转向通过经济手段来解决问 题，因为他们相信，与以上方案相比，经济方案能够更直接地影响消费者的消费 行为，从而能够成为一种有效的、切实可行的解决网络工程中出现问题的方案， 这一点已被广大的经济学家、学者及网络工程师所认可。第三是通过价格控制机 制。第四是通过合理的资源分配机制。 本文研究目标主要是运用经济方法研究i s p 的网络服务控制与竞争行为，也 既是上述解决方案中的后两种方案。从1 1 1 我们可以看出，i n t e r n e t 的中心问题 是如何有效地分配有限的网络资源，提供优质有服务质量保证的服务，满足多样 化的应用需求，给i s p 提供较丰厚的利润，从而最大限度地实现资源的潜在价 值，而这正是经济学处理问题的长处。在8 0 年代的后期研究者就已经运用经济 学的方法来研究网络中出现的问题，为后来的研究提供了有力的理论与实践上的 指导。目前越来越多研究人员开始将经济学原理引入到对网络资源分配、i s p s 的竞争分析中来。这些努力并不仅仅只是停留在从技术上看平衡荷载的层次，他 们期望从经济学中寻求解决问题的切实有效可行的方案，帮助设计下一代的互联 网协议，使互联网得到有效的发展。 用经济学方法研究网络中的问题，首先就是把网络资源看成商品，将网络用 户看成是购买商品的顾客，然后建立相应的用户或i s p 的效用模型，目标就是最 大化用户的效用或最大化i s p 效用或最大化系统的效用或最大化社会福利。在调 节过程中采用价格机制，在供给大于需求时，下调价格刺激消费；在供给小于需 求时，上调价格扼制消费，直到系统总需求等于系统的总供给的均衡状态珥“。微 观经济学理论已经证明当系统处于均衡状态是，资源配置是最优化的，系统总的 效用是最大的。运用经济学来研究网络问题有如下优点： 5 中国科学技术大学博士学位论文 1 3 相关研冗 1 经济模型为网络优化提供了依据一能够改善系统用户的总效用的技术决 策才是合理的。 2 价格控制可以简化网络控制功能。价格虽然不是直接地为用户的数据业务 分配相应的网络资源，但是它最为一种激励机制可以使得用户根据价格的 高低来调节自己当前的传输量。根据供需关系进行价格调整可以使得用户 在资源使用成本和服务性能上寻找最佳结合点。当价格提高时，用户就会 相应减少自己当前的数传输量；当价格下降时，用户就会相应增加自己当 前的传输量；从而达到系统控制与调节网络资源的目的。因而价格可以在 不改变现有i n t e r n e t 技术和协议的前提下，起到类似接入控制的作用，从而 大大简化相应的q o s 保障机制。 3 通过简单的价格歧视，还可以达到类似区分服务的效果。用户通过支付不 同的费用获得不同级别的服务，从而使得系统能够很好地提供各种不同的 服务。 4 合理的付费机制，为网络传输的商业运作提供了基础。i n t e r n e t 的发展需要 资金，i s p 发展网络需要收回成本，因而合理的付费机制对于网络的运营十 分重要。 5 ，经济学中的博弈分析方法为网络中i s p 之间的商业竞争提供了有效的理论 分析基础。 1 3 相关研究 针对网络拥塞控制与管理，近年来，研究者提出了许多技术解决方案h ”与拥 塞控制算法唧。为了退出更加灵活、可扩展的i p q o s 结构，i e t f 提出了整合服务 ( i n t s e r v ) 嘲与区分服务( d i 船e r v ) 嘲。i n t s e r v 模型通过资源预留与接入控制机制， 对每个网络流提供q o s 保证，该机制需要使用资源预留协议。i n t s e r v 要求在传 输路径上的每一个i p 路由器给每一个网络流都预留足够的资源，记录系统的流 量状态信息，检查每一个传输的数据包以保证消费者的服务要求能够得到满足。 由于其不能够满足不同应用的需求，而且实施的成本比较高，所以在实际中不为 i s p 所接受；为了克服i n t s e r v 高成本的缺点，i e t f 又提出了d i i t s e r r 。d i f f s e r v 定义了一种可以在互联网上提供可扩展的分类服务的体系结构，因而可以满足多 一6 一 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 样化的应用需求。但是在d i f f s e r v 结构中，内部路由器对单个流不加区分，而是 处理聚合类，所以无法优先处理一个特定的流请求。所以给出能够在d i f f s e r v 体 系结构中实施的定价策略就显得尤为重要。 尽管拥塞控制算法能够降低网络中的发送流量，但是不能够控制消费者需求 的增长。例如，对于一个传送大量文件的消费者，即使是在网络高度拥塞的时间 段，他也不会停止文件的传送。医而单单在网络拥塞的过程中降低消费者发送的 流量并不能确保良好的服务，因为网络资源对于完全满足消费者的需求是不够 的。从而通过非技术手段来解决这个问题就显得尤为重要，目前主要的非技术手 段有：价格控制策略、资源分配策略及呼叫接入控制策略，下面我们对目前关于 这几个方面的研究作一下简要的回顾。 在网络价格控制问题研究中，国内外学术界已从不同角度，用不同方法对此 进行了较为深入的研究，并取得了一些有理论意义及应用前景的结果。并元伟、 岳晓宁、王玉琢、沈晓军【7 】讨论了多优先级网络系统交叉干扰的线性激励价控 问题。针对多用户多优先级系统的通信量价控管理的数学模型，利用对策论中的 激励s t a c k e l b e r g 策略的概念，建立了基于交叉干扰的线性激励价格策略，同时 讨论了激励参数的确定方法，给出了一般的激励参数矩阵。通过数值例子验证了 该激励价控策略的有效性。岳晓宁、井元伟、张秀华【8 i 对多用户非线性网络系 统n a s h 平衡点与各优先级价差的关系进行了定量分析，研究了网络系统的盈余 函数与用户盈余函数的关系，利用差分法论证了各优先级价差对系统达到n a s h 平衡的影响，及网络系统达到p a r e t o 最优的n a s h 平衡条件。o d l y z k o ，a m 在【9 】 提出了统一计价方法，网络供应商制定一个统一的费率( 按时、按月) ，费用与消 费者的使用量无关。这种定价策略的优点是减少了网络服务商的服务费用，方法 简便，不需要太多消费者的需求信息，为目前大多数的网络服务商所采用”。但 是这种方法由于不限制消费者的使用，从而造成了网络资源的大量浪费，许多消 费者占用着网络资源却并不一定有需要。o d l y z k o 受8 0 年代巴黎地铁定价方法 的启发，在文献【1 1 】中提出了巴黎地铁定价。但是该方法没有考虑实际需求问题， 由于事先不知道哪类服务需求大，从而并不能恰当地确定各部分费率的高低。基 于这种考虑，我们在【1 2 】中提出一种带有缓冲器的巴黎地铁定价策略，从而克 服了巴黎地铁定价策略的上述不足。曹希仁、沈红霞等”“1 与r i c h a r d ”运用对 策论模型分析了几种不同的定价策略，曹希仁、沈红霞从非合作对策、合作对策 及两人非零和对策角度对单一类型顾客单一网络服务商、单一类型顾客双服务 7 ! 里型兰垫垄盔兰竖主堂丝丝苎：! 塑茎竺塞 商、两种类型顾客双服务商下的网络定价问题进行了研究，指出合作对策能产生 p a r e t o 最优，即能产生对网络服务商和顾客双方而言比非合作对策更大的效用， 并针对具体的实例仿真指出在两供应商非零和对策下存在n a s h 均衡。j o i n 提出 了优先权定价“1 ，将网络服务分成不同的优先级别，给不同级别的服务制定不同 的价格，消费者可以根据自己的需要选择不同的服务。岳晓宁，井元伟，尹风杰 在文献 1 7 】制定了网络系统的动态定价管理策略。通过引入网络需求函数，利用 最优化及经济学的边际理论，就用户可随机利用多个优先级的情况对网络系统的 最佳供给与动态定价进行了分析，给出了使网络系统达到最大利润的最佳管理策 略。我们最近研究了基于需求的网络服务定价策略问题，从非合作博弈的角度对 基于流量的定价策略与固定定价策略进行了比较研究，分析了不同价格策略对网 络服务商收入、消费者行为及社会总福利的影响“。在基于流量的定价策略研 究中，得出了社会总福利达到最优时的价格，是一种反映顾客使用成本的影子价 格的结论。 在网络资源的分配问题研究中，【2 l ，2 2 1 运用合作博弈的方法研究了在高速 网络中提供多种服务类别的q 0 8 保证的问题，将连接带宽定义为效用函数的变 量，转换缓冲器作为替代资源。资源在各个服务类之间的帕累托最优配置受呼叫 接入控制策略的影响。1 或消费者消费决策的影响。1 。运用合作博弈的方法可以得 出很多优美的结论，但是它不能很好地反映实际中消费者之间的资源竞争关系。 考虑合作博弈模型的这种缺点，文献【2 3 ，2 4 采用非合作博弈模型来描述消费者 之间的相互关系，研究网络带宽的分配问题。受【2 5 】的启发，文献f 2 5 - 2 7 将t c p 连接流中的带宽分配问题转化为消费者效用函数的分散优化问题c h a n g 与l i u 利用效用函数研究了在h t t