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网络计费技术研究及系统实现 1 。1 研究背景 第一章绪论 随着网络技术的飞速发展，计算机网络的应用规模呈爆炸式增长，相应的互 联网业务也随之不断丰富，口电话、远程教育等实时多媒体应用已成为未来互 联网发展的方向；网络复杂性和异构性的特点以及网络业务的多样性和综合性特 点日益明显，为实时应用提供服务质量保证的相关网络技术正在逐步走向成熟。 随着网络规模的扩大，影响网络服务质量的因素的增多，用户对网络的可靠性和 服务质量的要求也在不断提高；计费作为网络管理【1 】的重要功能【2 j ，也应随着这 些网络技术和网络应用的发展而进行改进。因此，实现分布式、多策略的网络计 费问题已经上升到战略性地位， 在网络管理的五大功能中，计费管理的主要任务是根据网络管理计费策略， 按照用户对网络资源的使用情况收取费用，分担网络运行成本。在非商业化网络 中，计费管理的主要目的是监视网络资源的利用情况，为网络规划和性能优化提 供决策依据【4 】，随着新的网络应用不断出现，网络资源不断丰富，网络服务也多种 多样，计费管理也在不断发展。归纳起来，计费管理有着以下几个方面的发展趋 势： 计费系统的跨平台发展：从有线网到无线网，用户的网络接入方式在发 生着变化。单一的企业网也在向企业动态联盟的网络化平台发展，以实 现企业间协同和各种社会资源的企业间、企业内共享。企业网络随着技 术的发展不断进行着扩充，新型网络设备、防病毒、防火墙、i d s 、v p n 等大量异构节点不断地对网络进行着完善：因此，网管系统将不再是一 个封闭的独立系统，而应该是一个开放型分布式的管理平台。管理分布 化因其构筑方便且扩展性好，已经成为网管系统的发展方向。网络复杂 性和异构性的增加使网络管理模式向分布式方向发展，而相应的计费系 统也需要分布式处理。 计费模式的多样化发展：传统的计费管理可以分为三种类型：( 1 ) 基于使 用时间计费，这种方式是根据用户使用网络的时间长短来收取用户费 用；( 2 ) 基于网络流量计费，这种方式是根据用户在一段时间内所使用的 网络流量来收取用户费用；( 3 ) 基于网络服务的计费，这种方式根据用户 所使用的网络服务次数或时间来收取用户费用。目前网络管理系统对于 不同的应用各自采取单独的计费模式，很难同时进行多种模式的计费管 网络计费技术研究及系统实现 作站的负载或过载。管理站给远程的设备发送一些命令( 不仅限于m i b 变量) ， 委派远程a g t 实际地执行。当然，远程设备包括一种弹性处理时间支持，可提 供新的服务，并动态地在设备中扩展。美国新泽西州科技大学的研究者州研究了 基于移动代码的网络管理方法，测试了基于移动代码的方法所能执行的管理功 能，比较了u o f c o d eo nd e m a n d ：( 即需即用) 、u 辩o f r 锄o t ee v a l u a t i o n ： ( 远程计算方法) 和u s c o f m o b i l e a g e i l t s ：( 使用移动a g e n t ) 三种方法的优缺点。 使用c o d e - o n d e m 柚d 方法，对于s n m p p m x y 中静态数据的收集会导致大量的 资源浪费，仅当一个功能在某节点必须时，才会从c o d es e c r 上下载执行；使用 远程计算方法，可以在需要时在设备上直接实现计算功能。功能代码由n m s 动 态发送执行。远程计算方法允许使用“数据的语义表示”，实际上，网络管理需 要的并不是单一的m i b 变量，而是包含高信息量的数据集合；移动a g e m 的使用 比远程计算方法有更多的优点，远程计算中管理动作总是由管理工作站发起，相 反，使用m 0 b i i ea g e n t ，在迁移的过程中存储自身状态的能力使得a g e n t 从一个 设备移动到另一个设备，执行网络管理功能，而且，a g e n t 可以根据它目前的状 态决定何时往哪里迁移。如果管理工作站管理的是不同的l a n ，且与它们的连 接是不可靠的低带宽的线路，那么减少与管理工作站之间的交互是此方法的优 点。在这种情况下，传统的方法是一个动作需要管理工作站和网络设备交换几个 消息。相反，如果我们使用a g 印t ，一旦管理功能( 作为a g e n t 的组件) 被发送到 远程，那么它就在那里执行。假设u n 上有足够的带宽，则a g e m 的代码量变 大，也不会有负面的影响，当它结束任务时，送回结果而不是全部代码。b u c h a n 锄l ” 总结了在网络管理中使用a g e n t 的优点：节省网络带宽，增加扩展的灵活性，解 决网络连接的间断性和不可靠性，为远程节点提供事件的本地响应，为大规模的 网络管理提供并行化的计算模式。 既然a g t 技术能够使大规模网络管理从集中走向分布，那么在网络计费中 应该采用什么样的应用模型呢? 分布在节点上的a g c l l t 实体的数量与系统性能 最优化之间存在着什么样的关系? 在分布式计费系统中计费策略控制模型又该 是如何呢? 其性能又是如何测试和验证呢? 这就是本文将要研究的核心问题。 1 2 研究现状 计费管理是收集网络资源的数据过程，建立测量策略，检查数量，决定费用， 它需要收集网络流量数据并精简和处理当前数据，数据过滤、压缩和初步分析可 在本地处理；要建立具备以上功能的基于多a g e m 分布式网络计费系统，首先需 要解决几个关键问题：第一、在分布式计费模式下，建立何种a g 朗t 模型才能够 适应于分布式计费的需求；第二、在分布式计费系统中采用怎样的计费策略控制 3 网络计费技术研究及系统实现 管理，保证对服务质量有效管理和监控。与此对应，可容纳各种网络服务的计费 系统势在必行。 计费模式的多样化发展 传统的计费管理可以分为三种类型：( 1 ) 基于使用时间计费，这种方式是根 掘用户使用网络的时间长短来收取用户费用；( 2 ) 基于网络流量计费，这种方式 是根据用户在一段时间内所使用的网络流量来收取用户费用；( 3 ) 基于网络服务 的计费，这种方式根据用户所使用的网络服务次数或时间来收取用户费用。目前 网络管理系统对于不同的应用各自采取单独的计费模式，很难同时进行多种模式 的计费管理。但是网络应用日益多样化，需要提供灵活的服务策略。例如，在一 个网络中，以上三种计费模式都需要时，传统的网络管理计费系统将会非常复杂， 不能进行相应语义处理。在运营商方面，目前的计费方式已经不能满足日益灵活 多变的业务需求以及用户量不断增加的环境需求。 计费策略的复杂化发展 计费策略向q o s 感知、内容感知等方向发展。 现代m 网基于“存储一转发”传输机制，针对实时的、突发性强的数据业 务没有q o s 保证。而随着现代网络高带宽应用的增多，越来越多的网络服务要 求有一定的q o s 保证。基于q o s 的网络计费的解决方案主要有两种，一种是针 对客户预定业务：通过业务配置系统接受客户的业务预定，其中涉及客户的q o s 注册信息，软交换计费系统将以此作为q o s 的计费依据。第二种是针对客户的 实时q o s 要求的计费( 如某视频通话期间客户要求提高q o s 等级) ，这种情况要 求软交换系统具备较强的实时调控网元的能力，需要构建专门的q o s 策略服务 器做辅助控制( 如带宽管理、呼叫许可、业务流分级、避免拥塞，调度等) 。q o s 参数应能充分描述网络资源，同时能够体现用户需求，鉴于q o s 主要针对网络 传输质量，采用传输层q o s 参数加以定义可以满足大多数q o s 计费要求。目前， 主要采用的q o s 参数有：速度比率、利用率平均延迟时间、最大延时、最大抖 动( 时滞) 、误码率( b e r ) 和分组错误率( p e r ) 等。 基于内容的计费在技术上是指如何做到针对数据服务进行数据采集、数据关 联，以及准确的计价计费，其功能实现主要是通过对用户业务数据进行深层的数 据包过滤和分析，计费对象主要是数据增值业务。 可编程网络等新的网络体系结构需要新的网络计费模型 可编程网络主要是利用网络节点中的标准网络应用编程接口向用户和网络 业务供应者提供一个“开放”的网络控制机制。它与传统i n t e m e t 的区别在于： 传统i n t e r n e t 是无状态的( s t a t e l e s s ) ，而可编程网络是有状态的，并且是可由用 户控制和改变的。它主要由i e e ep 1 5 2 0 和o p e n s i g u 工作组负责进行研究并 提出相应的标准。网络应用编程接口允许利用网络物理资源构建并管理适合自己 9 东南大学硕士学位论文 所需的业务，其主要目标包括提供开放的信令结构、支持快速构建新业务和增强 网络对q o s 的支持能力。根据用户需要，快速地产生、利用和管理新的服务是 推动可编程网络研究的一个关键因素。这个研究领域所取得的结果，对客户、服 务提供商、设备提供者甚至整个电信部门( 如宽带、移动、口网络) 都有很大的影 珥旬，引进新的服务种类是项富有挑战性的工作，这需要在产生服务的方法和服 务的计费管理上有很大的提高和改进。可编程网络能够提供比传统i n t e r n e t 更高 的网络性能和更丰富的业务，它的指导思想将很大程度上影响到下一代的 i n t e r a c t 。因此，我们应该对这一下一代的网络技术进行深入的研究，以使我国 的网络通信产业跟上国际的发展，从被动变为主动，但是目前还没有适合于编程 网络的计费模式，加拿大多伦多大学的研究者【5 】对此提出了基于针对v p n 的可 编程计费管理框架，虽然很多实时计费方案被提出，但距离实用还有一段距离。 软交换设备不仅是下一代分组网中语音业务、数据业务和视频业务等呼叫控 制和业务提供的核心设备，也是电路交换电信网向分组交换网演进的核心设备。 无论是新型运营商还是传统运营商，软交换体系的先进思想和网络结构都有着强 大的吸引力。软交换又称为呼叫a g e n t 、呼叫服务器或媒体网关控制。其最基 本的特点和最重要的贡献就是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务 器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能，包括呼叫选路、管理控制、连接控制 ( 建立会话、拆除会话) 、信令互通( 如从7 号信令到i p 信令) 等。这种分离为控制、 交换和软件可编程功能建立分离的平面，使业务提供者可以自由地将传输业务与 控制协议结合起来，实现业务转移。这一分离同时意味着呼叫控制和媒体网关之 间的开放和标准化，为网络走向开放和可编程创造了条件和基础。目前适用于软 交换系统的计费协议主要有r a d i l l s 协议和d i a m e t e r 协议。软交换机只控制业 务的接续，而用户之间的数据流不经过软交换机，因此，软交换机只能实现简单 的按接续时长的计费。若要求软交换机具备按业务内容计费的功能，则要求媒体 网关具备针对每用户的每次使用的业务数据包进行深层分析统计的功能，并能够 将结果传送给软交换机1 9 。目前的这些协议只能解决用户的认证访问问题，而对 于q o s 计费的支持还有待研究。 2 2 现有计费系统存在的问题 目前的计费系统大多都是集中式的，例如基于路由器的计费方式和基于代理 的计费方式。基于路由器的数据采集的工作方式有着实现简单的优点，一般的路 由器都可以做到，并且不必增加过多的硬件。但存在着集中式方法的缺点：很容 易产生缓冲区溢出，导致计费数掘丢失，由于路由器本身负荷较重。从路由器的 缓存中采集流量数据，无疑会加重路由器负担，降低了效率。基于代理服务器的 网络计费技术研究及系统实现 数据采集的工作方式几乎解决了从路由器缓存中采集数据的所有问题，可以管理 到用户级。缺点是：对于大型网络来说，用户访问网络时在代理服务器上出现瓶 颈。为此，也产生了其它类型的计费方式，例如基于以太网广播特性的数据采集 技术，只接收不发送，因此不占用网络带宽，对整个网络的性能影响较小，但是， 这种计费方式不能对用户的访问进行策略控制，不能解决口地址盗用问题。而 且，目前的计费系统缺乏对q o s 和服务相关计费的支持，因此，现有的计费系 统很难满足不断增长的计费需求。 2 3 智能a g e n t 技术的特点 智能a g t 的研究，自2 0 世纪5 0 年代就已经提出，但真正的发展是2 0 世 纪8 0 年代之后，在2 0 世纪9 0 年代成为研究的高潮，直到现在为止仍然是人工 智能研究的热点。主要的研究侧重于智能a g e l l t 和多a g e n t 系统两个方面。对于 智能a g t 的研究主要侧重于以下几个方面： 个体a g e n t 的结构。 a g e n t 是一种处于一定环境下包装的计算机系统。为了实现设计目的，能够 在那种环境下灵活的、自主的活动的计算实体。按照j e i l n i n 擎等研究者的定义i 姗， 具备以下几种特性的软件实体才能被称为a g e n t ：环境特性( s i t u a t e d n e s s ) ，自 治性( a u t o n o m y ) 和灵活性( f l e x i b i l 埘) 。环境特性是指a g e n t 不但能够通过 接受环境的信息而感知环境的变化，而且能够通过一些行为改变环境。自治性是 指a 孵l t 能够在无外界干预的情况下执行动作，并能够控制自己的行为和状态， 甚至具备从经验中学习的能力。灵活性包括反应能力，主动能力和社会能力。反 应能力( r e a c t i v j t