（计算机科学与技术专业论文）下一代互联网中计费机制的研究与实现.pdf

北京邮电人学硕上研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 下一代互联网中计费机制的研究与实现 摘要 随着网络应用的不断发展，互联网用户对业务服务质量的要求在 进一步提高，相关网络技术也随之逐步成熟。作为网络管理的重要组 成部分，计费也随着这些发展而不断改进。在多业务多用户的网络中， 计费不再仅仅是运营商收取费用的手段，同时应该成为引导用户网络 行为的重要方式。合理的计费机制能够有效影响用户使用网络的行 为，引导网络运行的方向，促进网络资源的合理分配，使各种服务都 能达到承诺的服务质量保证的同时保证运营商的最大收益。因此，不 断研究探索更新更合理的业务计费模型，对于建立一个良好的业务运 营环境意义重大。 本论文正是在这一背景下，对下一代互联网的计费机制进行了分 析研究。论文在对互联网计费的现状及下一代互联网计费的研究分析 的基础上，提出了一种适用于下一代互联网的基于q o s 的非线性峰 谷计费策略。该方案从按策略计费的角度出发，结合了按内容计费、 按流量计费及按时间计费等主流计费方式的优点，将业务执行过程按 照网络流量分布分为波峰波谷等不同阶段，分阶段对业务进行非线性 q o s 计费。基于q o s 的非线性峰谷计费的应用能够动态改变业务的 实时费率，通过价格因素宏观调控用户的网络行为，调整网络负载， 提高网络资源利用率，增加运营商收益。 作为“c n g iq o s 机制和组网关键技术及实施方案的研究”项目 i 北京邮电大学硕 j 研究生学位论文 下一代互联嘲中计费机制的研究与实现 的子课题，本论文设计实现了c n g iq o s 管理系统的n p s p 计费子系 统，给出计费系统的总体设计、详细设计，并完成了单元测试、集成 测试以及系统测试。 论文最后针对系统的不足提出改进建议，并总结了本人在硕士研 究生期间的工作情况和成果。 关键词：下一代互联网；差异性服务；基于q o s 的非线性峰谷计费 北京邮电人学硕r 上研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs e r v i c e a c c o u n t i n go nn e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e ta p p l i c a t i o n s ，t h er e q u i r e m e n tt ot h e q u a l i t yo fs e r v i c e sh a sb e e ni n c r e a s e da n dr e l a t i v et e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e n d e v e l o p e d a sa n i m p o r t a n tp a r t o fn e t w o r km a n a g e m e n t ，s e r v i c e a c c o u n t i n gh a sb e e nd e v e l o p i n ga sw e l l o nam u l t i s e r v i c e s ，m u l t i u s e r s n e t w o r k ，s e r v i c ea c c o u n t i n gi sn o tm e r e l yam e t h o db yw h i c hp r o v i d e r s c h a 唱eu s e r sb u ta l s o am e a nt oc o n t r o lu s e r s b e h a v i o r ， h e l p u s e r s c o n s u m en e t w o r kr e s o u r c er e a s o n a b l y ，a n dg u a r a n t e et h eo p e r a t i o no ft h e w h o l en e 觚o r k ar e a s o n a b l ea c c o u n t i n gm e c h a n i s mc o u l da f r e c tu s e r s b e h a v i o re 仃e c t i v e l yt od i r e c tn e t w o r ko p e r a t i o n ， g u a r a n t e en e t w o r k r e s o u r c er e a s o n a b l ea l l o c a t i o n ，m a k es u r et h a te a c hs e i c ec o u l da c h i e v e t h ep r o m i s e dq u a l i t ya n dp r o v i d e r sc o u l dg a i nm o s t s ot h a t ，r e s e a r c h i n g a n de x p l o r i n gm o r ea n dm o r er e a s o n a b l es e i c ea c c o u n t i n gm o d u l e st o s e tu paf a v o r a b l es e r v i c eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n tb e c o m e ss i g n i f i c a n t o nt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp r o je c ta n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h es e r v i c e a c c o u n t i n gm e c h a n i s mo nn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，a n dp r o p o s e dan e w a c c o u n t i n gp r o l i c y aq o s - b a s e dn o n l i n e a rp e a k l o a da c c o u n t i n g p 0 1 i c y ，w h i c hw a ss u i t a b l ef o rn e x tg e n e r a t i o ni n t e m e ts e i c e s b a s e do n p o l i c y - b a s e da c c o u n t i n g ，t h i sm e c h a n i s mi n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so f v 北京邮电人学硕卜研究生学位论文下一代互联刚中计费机制的研究与实现 c o n t e n t - b a s e d a c c o u n t i n g ， t i m e - b a s e d a c c o u n t i n g a n dt r a m c b a s e d a c c o u n t i n g ，c l a s s i f i e ds e i v i c ep h a s e sa sp e a ka n dn o t c hp h a s e s ，a st i - a 所c d i s t r i b u t i o n ，a n dc h a 唱e dw i t h i nd i 能r e n tp h a s e s t h ei m p l e m e n t a t i o no f q o s - b a s e dn o n l i n e a rp e a k l o a da c c o u n t i n gc o u l dc h a n g es e r v i c e s o n t i m ep d c e sd y n a m i c a l l yt om a c r o c o n t r o lu s e r s n e t w o r kb e h a v i o r s w i t ht h ep r i c e1 e v e r ，a d j u s tn e t w o r kt r a f f i cl o a d ，a n dg u a r a n t e em o s tu s e r s q u a l i t yo fs e i c e a tm em e a nt i m e ，i t c o u l di n c r e a s et h eu s a g eo f n e t w o r kr e s o u r c et or a i s et h eb e n e f i to fn 酏w o r kp r o v i d e r s t h i s m e c h a n i s mc o u l ds o l v et h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nn e t w o r kc o n g e s t i o n a n dp r o m i s e dq o s ，c o s t sa n db e n e f i t s ，w h i c hc a n n o tb es o l v e dw i t ht h e t r a d i t i o n a la c c o u n t i n gm e c h a n i s m s a 1 s o ，a sas u b - p r o j e c to f “r e s e a r c h o nc n g iq o sm e c h a n i s ma n dk e yt e c h n i q u e sa n di m p l e m e n t a t i o no f n e t w o r k i n g ，t h i sp r o j e c td e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d t h en p s p a c c o u n t i n gs u b s y s t e m so ft h ec n g iq o sm a n a g e m e n ts y s t e m ，t h e n t e s t e da n d p r o v i d e dt h er e s u l to fs y s t e m t e s ta sp r o o a tl a s tm a i nw o r k ，i ts t a t e ds h o r t c o m i n g sa n di m p r o v e m e n to ft h i s p r o j e c t ，a n ds u m m a r i z e da u t h o r sw o r ka n da c h i e v e m e n td u r i n gt h e m a s t e r ss t u d y k e yw o r d s ：n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ；d i 虢r e n c eo fs e r v i c e s ； q o s b a s e dn o n l i n e a rp e a k - l o a da c c o u n t i n g 北京邮电大学硕- 上研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究与实现 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：銎划! ：笪：兰兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 本学位论文属于保密论文，在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：篁堡狴日期：碰：墨：兰兰 导师签名：匿焙斌， 日期：塑! ：妥：2 乙 北京邮电大学硕十研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究与实现 1 1 课题背景 第一章引言 随着网络技术的不断发展，互联网应用已经渗透到社会的各个领域，口 ( 1 1 1 t e m c tp r o t o c 0 1 ) 技术在网络通信领域中的地位越来越重要。3 g 网络、下一 代网络( n g n ，n e x tg e l l e r a t i o nn e t 、) l r o r k s ) 等通信网络技术都选用i p 作为统一 的承载技术。越来越多的新业务也都基于i p 网络技术，比如口话音业务、3 g 话音、视频业务、网络游戏、企业虚拟专用网( v p n ，r t l l a lp r i v a t en e 帆o r k ) 等。这些新业务对碑层的服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障提出了更高 的要求。 随着应用需求的不断增加，i p v 4 地址空间有限、性能上的缺陷、安全性问 题、以及节点的自动配置问题等重大局限性变得越来越明显。p v 4 的瓶颈需要 新的技术来打破，于是i p v 6 技术被提出，它能够部分克服i p v 4 技术的一些本质 缺陷或者为解决这些技术缺陷提供更好的技术扩展支持。然而i p v 6 的本质依然 是非面向连接，尽力而为的服务方式，因此无法从根本上提供一个能够为所承载 的业务提供有效的服务保障的网络。因此研究适于下一代互联网( n g i ，n e x t g e i l e r a t i o n1 1 1 t e n l e t ) 或下一代网络的可控制、可管理、可运营i p 网体系结构势 在必行。基于这种思想，以中国下一代互联网( c n g i ，c h i n an e x tg e l l e r a t i o n i n t e m e t ) 为基础，我们提出了一种具有q o s 保证的解决方案和组网技术，以解 决互联网的q o s 保证问题，并最终解决互联网各种业务的支撑性问题。 1 2 主要研究工作 1 2 1 课题目标 “c n g iq o s 机制和组网关键技术及实施方案的研究 项目是中国下一代互 联网c n g i 示范工程中的一个研究课题，它的总体研究目标是为了满足下一代互 联网差异化、个性化应用的管理需求；满足电信业网络融合、业务融合以及i p 网络运营和维护管理的需求；以及满足其他行业网络的应用管理精细化的需求。 为了达到以上目标，就需要开发了一套适应于c n g i 环境的、可控制的、可管理 的、可运营的q o s 管理系统，在下文中我们将这个系统称作c n g iq o s 管理系 统。 北京邮电人学顾j ：研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究j 实现 课题研究内容主要包括以下几方面： 可控、可管理的q o s 管理系统体系结构的研究。包括q o s 管理系统的研究、 软件设计结构的研究和物理网络部署的研究 具有q o s 保证的业务的签订、部署、性能监测以及计费等机制的研究。包括 通用的、可扩展的、用户易于理解和使用的多业务类型服务质量需求描述 s l a 模板的设计、端到端的业务签订和部署的设计、业务q o s 性能的实时 监测以及网络告警机智的设计、基于用户实际获得q o s 性能的计费实现、基 于用户订购服务内容的计费实现、计费策略的设计、以及对如何支持大型网 络和跨域操作的研究 网络资源的管理和控制。包括服务等级的划分与映射机制的研究、资源规划、 资源分解和精细化管理机制的研究、接纳控制机制的研究和支持大型网络跨 域资源管理机制的研究 物理网络上q o s 机制的配置和部署方案的研究 为移动i p 业务提供q o s 保证机制的研究 为资源独立的v p n 业务提供q o s 保证机制的研究 1 2 2 本文研究工作 作为“c n g iq o s 机制和组网关键技术及实施方案的研究 的一个子课题， 本论文主要研究下一代互联网中的计费技术以及其在c n g iq o s 管理系统中的 设计实现。具体研究内容包括： 分析互联网计费现状，研究互联网计费的特点 分析计费方案的评价标准，在其基础上分析比较现有互联网计费机制的优缺 点 研究下一代互联网的计费方案，提出适于下一代互联网的基于q o s 的非线性 峰谷计费策略，阐述基本思想，给出形式化描述，并验证策略合理性 设计实现c n g iq o s 管理系统的计费子系统，包括n p 计费子系统和s p 计 费子系统两部分，完成总体设计、详细设计及系统实现 在c n g iq o s 管理系统环境中对n p s p 计费子系统进行测试，包括单元测试， 集成测试及系统测试等 设计c n g iq o s 管理系统系统测试方案并参与测试 1 3 论文结构 本文共分六章，内容安排如下： 2 北京邮电大学硕1 ：研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究与实现 第一章介绍本课题的背景、目标及研究内容等； 第二章介绍互联网计费的背景及研究现状，介绍分析现有计费机制的优缺 点，以及下一代互联网的计费方案； 第三章在第二章的基础上提出适于下一代互联网服务质量保障需求的基于 q o s 的非线性峰谷计费策略，阐述基本思想，给出形式化描述，并验证该计费策 略的合理性； 第四章首先从宏观上对c n g i 项目进行概述，目的在于对c n g iq o s 管理 系统的整体结构有一个比较清晰的认识；然后在该系统的基础上给出计费子系统 ( 包括n p 计费子系统和s p 计费子系统) 的设计与实现； 第五章对c n g iq o s 管理系统的n p s p 计费子系统进行测试及验证，包括 单元测试、集成测试、系统测试等； 第六章对本文工作进行全面总结，给出本文所取得的成果，指出存在的不 足和改进方向，并阐述研究生期间所做的工作； 3 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 2 1 研究背景 第二章下一代互联网的计费机制 随着互联网的迅速发展和网络用户数量的增加，用户对网络资源的需求越来 越大，对网络性能的要求也越来越高。传统互联网所提供的尽力而为服务逐渐显 得力不从心，研究下一代互联网成为必然趋势。由于传统i p 网技术本身并没有 真正地提供服务质量的保证，因此下一代互联网的研究人员开始关注能够向用户 提供不同等级o o s 保证的新技术。 传统的网络计费方式并不支持具有q o s 保证的差异性服务，因此必然需要 有所改进。如何对差异性服务提供业务部署和资源管理的支持，满足业务运营的 需要成为了下一代互联网计费的研究焦点。 2 1 1 下一代互联网的业务特性及计费管理的难点 下一代互联网的业务特性中最主要的特点即是业务种类多样化。根据i t u t 建议y 1 5 4 1 的分类，下一代互联网业务主要分为四大类，分别是音频业务， 视频业务、数据业务和后台应用。每类业务又包含若干网络应用如下： 音频业务：语音通话、语音消息和音频流 视频业务：视频电话和单向视频 数据业务：w e b 浏览、批量数据发送、电子商务、命令控制、网络游 戏和t e l n e t 后台应用：传真、电子邮件和新闻组网络系统 期望具有q o s 保证的差异性服务( d i 蜀陆e n t i a t e ds e i c e ) 是下一代互联网业 务的另一特性。用户不再满足传统模式下的尽力而为的服务，而是对业务的服务 质量有了更高的要求，按照q o s 需求不同，业务被划分为不同等级，高等级的 业务具有高q o s 保证，在网络出现拥塞时按照q o s 等级约定对业务流进行有差 别的流量控制和转发，以满足用户不同的q o s 需求。依据i t u t 建议g 1 0 1 0 瞄j 的分类，网络应用根据q o s 需求的不同可以分为八个类别，分别是：语音通话 和视频类、语音视频消息类、音频视频流类、传真类、命令控制厂1 1 e l n e t 网络游 戏类、电子商务m ，e b 浏览电子邮件类、海量数据传输类、新闻组网络系统类。 下一代互联网的这些业务特性给计费管理带来了相应的困难。差异性q o s 等级的业务必然需要差异性的收费，而传统的计费方法对业务的q o s 等级没有 区分；业务种类多样化特性对计费算法的实时处理能力提出了要求：在下一代互 4 北京邮电大学硕十研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 联网中，多用户、多业务的网络特点使得用户行为对网络运行质量产生重要的影 响。因此，在下一代互联网中，业务量控制必须与用户行为控制结合起来，而计 费正是一个引导用户行为的有效手段。合理的计费机制能有效影响用户使用网络 的行为，引导用户对网络资源进行合理消费，促使资源合理分配，尽可能满足各 种服务的承诺服务质量，有助于网络向正常运行的方向发展。因此对下一代互联 网计费的研究不能单纯考虑运营商的投入产出问题，而需要将业务特点、网络资 源分配、用户的利益及运营商的利益等多方面因素综合起来，这也是下一代互联 网计费管理的难点所在。 2 2 互联网计费的研究现状 作为网络管理的五大功能之一，计费的主要功能是度量终端用户及应用程序 对网络资源的使用情况，根据连接时间、连接跨越网络的长度、用户名及其他参 数采用与具体实现有关的各种算法来计算用户对网络资源的使用并核收费用。结 果记录于计费数据库中。 2 2 1 下一代互联网中计费的定义 随着通信技术的飞速发展，作为网络管理层面最主要也是与运营商利益最直 接挂钩的计费技术也经过了许多的改进与发展。根据i e t f 在i 心c2 9 7 5 【3 】中的定 义，计费( a c c o u n t m g ) 的过程包括数据采集( c o l l e c t i o n ) 、计算费用( c h a 哂n g ) 和营帐( b i l l i n g ) 三个子过程。在下一代互联网中，网络计费有了进一步的定义。 一个完整的计费过程包含了计费策略、数据采集、根据计费规则计算单位数据的 价格( 即定价) 、计算用户的费用( 即算费) 以及和用户结算相应的费用开票( 即 营帐) 等一系列处理过程【4 1 。文献【5 】将计算机网络费用分为以下四类： 接入费：用户需要交纳接入费以获得访问网络的权利。该费用用于支付 网络建设的固定成本。 使用费：这部分费用用于支付网络运营的可变成本。主要是根据用户业 务对资源的占用情况而收取。 拥塞费：拥塞费反映了网络高负载时传输流量的额外成本。拥塞费的收 取是为了鼓励用户在非高峰期使用网络，如果用户坚持在网络拥塞的时 候发送流量，那么这部分对用户额外收取的费用将用来弥补网络扩容的 成本。 q o s 费：q o s 费指的是用户需要为获得的q o s 保证缴纳费用。 北京邮电大学顾l 上研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 2 2 2 计费方案的评价标准 计费方案的好坏受多方面影响，其中最主要的是技术和经济因素。具体来说， 对计费方案的评价有以下标型6 】： 与现有网络技术的融合性：该标准是方案实现复杂度的重要标志。与现 有技术相融合的计费方案比那些需要对底层网络技术做重大改变的计 费方案更容易实现，也更容易部署，被市场接受。 计费与营帐的测量需求：这也是一条与方案的实现复杂度相关的标准。 有些计费方案没有数据测量的需求，极大程度上简化了计费与营帐的处 理过程，降低了实现的复杂度。 对拥塞控制或流量管理的支持度：某些计费方案利用价格杠杆来鼓励用 户避开网络的使用高峰期，从而达到网络拥塞控制和流量管理的目的。 是否对服务质量提供保证：如果对用户的服务质量提供保证，计费方案 就必须考虑到业务的q o s 性能，并对差异性q o s 等级的业务进行差异 性的收费。 计费对网络利用率的影响：网络运营商希望网络的利用率能保持在一种 较高的水平上，这样能够尽快地收回成本；但从用户的角度来看，高利 用率的网络意味着网络可用资源数量的减少，所以用户都希望网络相对 空闲。因此计费需要在两者之间权衡，既保证运营商的收益又保证用户 的服务质量需求。 用户可接受性：计费方案的设计要在不伤害用户利益的同时谋取运营商 利益的最大化，因此需要充分考虑用户的整体利益，力争做到使用户和 运营商都能够接受。 定价的时间粒度：即价格变化的时间间隔。对于动态价格计费方案来说， 如果价格变化的时间尺度很短( 分钟级) ，就能及时通过价格反映网络 状况，用户根据不断变化的价格来调整行为，从而支持网络拥塞控制和 流量管理。然而用户可能不太愿意接收价格的短期波动，因为这样增加 了使用网络服务的麻烦性，用户更倾向于长期稳定的价格。 以上评价标准之间并不存在优先级或者重要程度的问题。而且某些标准在不 同网络角色之白j 很难得到统一。如从用户角度出发网络利用率相对较低的计费方 案更容易得到支持，而网络运营商则更愿意选择能够使网络保持在高效率运营的 计费方案；用户可能希望价格长期保持不变，而网络运营商则倾向于制定弹性的 价格，调节用户自身的行为，以缓解网络拥塞或者提高网络利用率。 6 北京邮电大学硕十研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 2 2 3 现有计费方案分析 目前运营商主要采用的计费方式有三种，按时间计费、按流量计费和按内容 计费三种。 按时间计费 按时间计费是按照用户占用链路的时长进行计费。这种业务的计费思想主要 来源于电话业务的计费方式。采用这种计费模式，需要采集用户开始使用网络的 时间、用户结束使用网络的时间数据。基于使用时间的计费模式很简单，在以简 单数据传输作为主要业务的网络通信中，用户占用链路的时长基本上与其对网络 资源的使用成正比，因此采用此种计费策略可以得到相对准确的结果。按时间计 费的缺点在于这种方式不考虑业务的类型及流量，不同类型的业务同一时间段内 对网络的使用并不相同，而按时间计费的方式并不能体现这种差异，不能客观的 衡量业务成本，也不能准确地反映业务流量，业务差异性在计费上没有得到体现。 按流量计费 按流量计费是用户在使用的业务被接入网络后按照实际产生的数据比特流 来进行计费。在宽带网络中，用户对网络资源的使用不能单纯以占用链路时间长 短来衡量，因为不能依据用户占用链路时间长短进行计费，于是出现了基于流量 的计费模式。按流量计费不关心用户花费多少时间获得这些数据量的服务，只按 用户实际获得的数据比特流量进行计费。采用按流量计费的模式，需要对用户的 收发流量进行采集，作为计费的依据。 相对按时间计费，按流量计费最大的缺点就是流量存在不可预知性。用户无 法估测自己实际的使用流量。举例来说，当用户访问某网站时，无法估测浏览信 息所产生的流量有多少，同时，网站上的广告信息所产生的流量也由用户被动接 受。因此，用户消费的透明性无法得到保证。另外，流量费率如何定价也是按流 量计费的难点之一。如果流量费率高，消费者无法承担，尤其对于大流量的视频 业务；如果流量费率低，运营商不能负担成本，如对于网络资源消耗高的业务。 同时，受制于流量的限制，网络的增值应用很难开展，不适用于下一代互联网的 多业务模式。因此单纯按流量计费也不是一种适于下一代互联网的理想的计费方 式。 按内容计费 由于按时间和流量的计费方式存在的不足，因此引入了按内容计费。按内容 计费是指运营商通过对用户使用的数据包进行过滤和分析，然后识别和区分出用 户数据传送的内容种类和属性，并把相关信息传送到计费系统进行计费。根据内 容信息，计费系统对用户做出灵活、合理的计费。与传统的计费系统对所有的业 7 北京邮l u 大学硕 ：研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 务统一采用时问或者流量计费不同的是，内容计费依据增值业务的内容价值进行 批价，并不对所有的业务采用统一的计费度量单位。内容计费能够针对一项业务 提供多种计费模式或者度量单位，以适应同一业务针对不同用户的变化。 按内容计费为运营商提供了一条较为精确地统计用户应用取向的途径。但是 单纯的内容计费也存在一些问题，比如如何控制内容的获取成本，如何从内容计 费中扣除流量成本后的收入分成，内容价格的制定需要考虑可能的流量和成本这 一前提。同时由于每个运营商提供的内容业务都有一定的特殊性，内容费用不像 流量资费那样易于计算。另外，目前运营商后台针对不同业务采用的各自孤立的 计费管理系统，每一种业务都需要进行计费或结算，而且计费或结算方式还有区 别。如果针对不同的电信业务分开建立各自独立的系统，既浪费大量资金、人力、 物力和时问，也不利于新业务的开展，不利于对客户提供便利的综合服务，对提 高竞争能力是有害的。按内容计费模式仍需进一步的研究发展。 如上文所述，目前运营商采取的计费方案主要采用流量与内容计费结合的方 式，基本分为三种类型： 包月付费 对用户来说，包月在某种程度上可以免除用户对费用的心理负担，可以尽情 地享受丰富多彩的数据业务；对运营商而言，包月付费具有一定的优越性，因为 不使用包月付费的用户在月底时会因担心通信费用而减少业务的使用量，这样一 方面会导致网络出现忙闲不均的情况，另一方面也会影响业务收入。但包月付费 也有一定的局限性，如果用户放开使用，将对运营商的网络资源占用较大，因此 对网络资源是个较大的挑战，运营商需要提高网络能力。 业务捆绑套餐 业务捆绑套餐是将不同种类的业务捆绑在一起从而让用户享受特有的资费 政策和优惠政策。套餐内的所有消费通过统一的账户支付。推行业务捆绑方式之 后，单一业务的资费水平虽然降低了，但是由于用户的使用量有所增加，运营商 的总体收入将会增加。正因为这样，业务捆绑的方式越来越受到运营商的青睐。 业务捆绑需要认真考虑将哪些业务捆绑在一起以及怎么合理计费等，捆绑的 内容还要有特色，只有这样在竞争中才有明显优势，业务捆绑也才会有更强的生 命力。此外，还要具有较强的运营支撑系统和综合接入能力。这些都需要运营商 进行深入的调查和研究。在多业务捆绑方式下，通过更加合理分配用户多业务之 间的消费比例，不断调动用户的积极性，从而可以帮助运营商达到提高市场占有 ；筝和增加收入的目的。 按内容计费，流量免费 这种计费方式比较简单，用户也较容易理解和接受，而且运营商比较容易控 北京邮电大学硕：i ：研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究实现 制。但是流量不好控制，网络资源不容易管理，内容的管理和控制要求也比较高。 需要在考虑可能的流量和成本的前提下制定出合适的内容价格。 2 2 4 下一代互联网计费方案的研究 2 2 4 1 基于q o s 的计费 实时多媒体业务的快速发展以及多业务类型的出现使得在下一代互联网中 依据q o s 需求计费成为研究的热点。不同业务类型的多媒体信息对网络传输有 不同的性能要求。服务差异性的存在必然需要从计费上体现。因此，在网络对不 同业务提供不同等级的服务的时候，计费策略也需要相应改为基于q o s 的计费。 下文中将要提出的基于q o s 的非线性峰谷计费策略即是基于q o s 的计费策略。 在具有q o s 保证的下一代互联网中，用户的付费应当根据得到的服务质量 参数来确定，包括业务类型、q o s 等级、资源分配情况、访问时长、占用带宽、 距离以及访问网络的个数等等。其中业务类型与q o s 等级参数用于计费定价。 举例来说，对于视频点播业务，由于传输量较大，要求实时性、连续性较好，因 此网络需要为此种业务提供较高的服务质量保证，如保证一定的最大带宽及稳定 的平均带宽，丢包率限制在一定范围内、限制分组延迟，但是可以允许一定的误 码率。相对于同样使用时间和数据流量，但q o s 需求较低的业务来说，视频点 播业务的费率应相对较高。同样，对于v o i p 业务，虽然占用的带宽较小，但有 较高的实时性要求，因此相对实时性低的业务，如电子邮件、f p 等数据传输业 务来说价格要高一些。而同一类业务也具有不同等级的定价。q o s 等级的确定有 以下几种方式： 运营商为用户指定q o s 等级 运营商按照网络状态及用户需求分析事先设定可提供的业务等级及价格，并 将用户分组，不同用户组的用户对不同业务等级的使用权限不同，用户不能超过 本组权限使用业务。这种分级方式的有点在于计费过程简单，网络运行状态稳定， 易于管理。但缺点是限制了用户的灵活性，影响消费，进而影响运营商的收入。 用户动态选择q o s 等级 用户动态选择q o s 的方式中，业务等级及价格依然由运营商提前设定。但 与前一种方式不同的是，用户可以在各个业务等级之间自由选择，根据性价比选 取合适的业务。这种方式的好处在于增加了用户使用网络的灵活性，缺点是由于 主动权在用户手中，导致网络状态难以控制，难免有拥塞现象发生。因此就需要 有良好的定价机制来引导用户的行为。本文即在这一基础上进行的对基于q o s 的非线性峰谷计费的研究。 9 北京邮电大学硕上研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 协商方式 在这种方式下，网络根据运行状态动态调整价格，并提供资源协商定价协议 及框架，用户也可以声明自己的资源需求，与网络协商动态重新选择网络服务。 这种方式增加了网络的灵活性，对网络拥塞也起到了较好的控制作用，但是由于 改变了网络协议，这种方式实现起来有一定难度。 拍卖方式 与协商方式类似，用户声明自己的需求及可承担的费用，运营商根据所有用 户的声明情况决定是否提供此种服务并设定服务价格，将用户按照其付费能力排 序，依次分配到各个服务等级。与协商方式不同的是，这种方式的决定权完全在 运营商手中，网络价格不会动态调整，用户与用户之间存在竞争关系。同样，这 种方式也有一定的实现难度。 2 2 4 2 计费策略分析 按照2 2 1 节给出的计费的定义，网络计费过程中的第一步即是计费策略的 设定。设计良好的计费策略能够优化计费管理的功能。在现有计费系统中，主要 的计费策略有两种：平滑计费( f l a t r a t e ) 和基于使用量的计费( u s a g e b a s e d ) 【6 】 o 平滑计费是目前互联网中广泛采用的一种业务计费方式。在平滑计费中，价 格是个预先设置好的常量，与网络流量和业务类型无关。它是以时间( 小时、分 钟、秒) 作为计费依据，按照用户上网时间长度向用户收取一定的费用。平滑计 费最大的优点就是简单，因此获得了大多数网络运营商的青睐。平滑计费的缺点 在于并不考虑用户实际使用的网络资源情况，因此间接刺激了用户流量的增加， 容易造成网络拥塞，给网络运营商带来成本压力。 较之平滑计费，基于使用量的计费方式就复杂得多，需要详细记录用户对于 网络资源的使用情况，如用户发送和接收的流量，上网时问，用户流量的q o s 特 性以及用户业务带宽等。要获取这些数据，就意味着需要监测网络，并采集、存 贮、处理用户相关的计费数据，其后果是增加了运营成本，加重了网络负载。基 于使用量的计费的优势在于价格是传输流量的函数，随网络的运行状况而变化， 因此可以避免网络过载，适用于下一代互联网的服务质量需求。 上述两种计费策略均属于线性计费策略，即用户的付费与其对网络资源的占 用量成线性关系，这一策略的缺点在于计费不能体现网络的负载情况。当网络负 载过大时，同样服务质量前提下用户使用的网络资源属于稀缺资源，价格上应较 网络轻载时为高，而这一差别在线性计费策略中并没有得到体现。因此采用线性 计费策略，用户无法在各业务类型及网络资源上合理分布，不能保证网络正常运 1 0 北京邮电人学硕_ l 研究生学位论文 下一代互联网中计费机制的研究与实现 行并使运营商获得最大收益。由于无法兼顾降低成本、控制负载、促进业务多样 性、体现合理性、公平性和易用性等诸多方面的要求，因此，在下一代互联网中 运营商必定需要新的计费方式以应对服务差异性需求，适应其新的发展需要。 北京邮电人学硕十研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 第三章基于q o s 的非线性峰谷计费策略 综上所述，下一代互联网的计费系统不仅要完成对用户征收费用的基本功 能，同时要满足下一代互联网业务差异性的特点，对具有q o s 保证的业务进行 差异性计费，依据网络的负载状况，通过计费手段对用户的网络行为进行引导。 而这个计费系统的核心就在于计费策略的选取，这也正是研究基于q o s 的非线 性峰谷计费策略的意义所在。我们将在3 1 节介绍基于q o s 的非线性峰谷计费的 基本思想，3 2 节中对其进行形式化描述，最后在3 3 节给出该策略的合理性验 证。 3 1 基于q o s 的非线性峰谷计费的基本思想 目前，s p 面临的最大问题就是网络拥塞与承诺服务质量之间的矛盾，以及 运营商投入成本及获得收益之间的矛盾。网络流量的分稚不均是导致这些矛盾产 生的根本因素。2 0 0 7 年中国互联网络发展状况统计报告显示了通常网络用户上 网的时段分布( 如图3 1 所示) ，而用户的上网时段分柿直接影响了网络流量的 分布。基本上，网络流量分布是时间的波形函数，如图3 2 所示。 0 点l 点2 点3 点 1 6 9 5 7 4 3 2 8 4 点5 点6 点7 点 2 2 1 8 1 9 2 9 8 点9 点1 0 点1 1 点 1 3 6 2 2 4 2 6 2 2 5 4 1 2 点1 3 点1 4 点1 5 点 2 8 5 3 1 5 3 5 9 3 5 9 1 6 点1 7 点1 8 点1 9 点 3 3 6 3 0 o 2 8 5 4 2 4 2 0 点2 l 点2 2 点2 3 点 5 4 9 5 3 3 4 3 2 2 6 3 图3 一l 网民通常上网的时间段分布 1 2 北京邮电人学硕r l 研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究与实现 图3 2 网络流量分布函数图 如图3 2 所示，以网络流量负载均衡部分为中间阶段，网络流量分布存在波 峰、波谷。在波峰时段，网络负载较重，容易产生拥塞，用户的服务质量不容易 保证；而在波谷时段，网络轻载，对运营商来说同样成本投入下收益较小。而理 想的网络流量分布应该受时间影响较小，流量分布基本处于均衡阶段，随时间变 化差异不大。如何通过计费手段引导用户行为以使得网络流量分布均衡成为计费 方案研究面临的重要问题。因此提出了基于q o s 的非线性峰谷计费的思想。 3 1 1 多部定价与峰谷定价 所谓非线性定价，是指总费用与购买量不成等比例的情况。根据经济学定义， 产品的平均单价会受到消费者购买的总量的影响。非线性定价种类繁多，如累退 定价( b l o c k - d e c l i n i n gt 撕f f ) 、两部定价( t 、v o - p 砒t 撕f f ) 、固定费用定价( n a t r a t e t 撕币以及多部定价( m u l t i p a nt 撕回等。两部定价( t w o - p a nt 撕回是非线性定价中 最简单，最基本的一种。公式如3 1 所示： 尺= e + 尸木p( 3 _ 1 ) 两部定价要求消费者先交纳一笔固定的进入费e ，然后再根据消费量q 及费 率尸支付使用费，二者的总和即为两部定价的总费用尺。 通过两部定价可以导出其他各种定价方式。例如当进入费e 为0 时，两部定 价就成为通常的线性定价。当使用费p 幸q 为0 时，两部定价则成为固定费用定 价( f i x e d - f e e ) 。而当价格方案存在多个价格分部时，则为多部定价( n m l t i p a r t 北京邮电人学硕上研究生学位论文下一代互联网中计费机制的研究弓实现 t 撕，也即是基于q o s 的非线性峰谷计费的基础。 根据定义，有多部定价的公式如3 2 所示： 尺= e + 鹎，i = 1 ，2 ，3 n ( 3 _ 2 ) f 其中r 为总支出，e 为进入费，为每部使用费率，q 为每部的消费量，n 为价格分部数量。 峰谷定价是指由于在不同的时期进行生产和消费的边际成本不同，价格应当 随时间的不同而有所差异，大部分固定成本都应当由峰期承担。如前所述，网络 流量的不均衡使得流量分布成波形函数曲线( 如图3 2 ) ，符合峰谷定价 ( p e a l ( l o a dp 订c i n g ) 的特点。明 3 1 2 基于q o s 的非线性峰谷计费策略 基于q o s 的非线性峰谷计费的核心思想正是基于多部定价( m u l t i - p a nt 撕f f ) 与峰谷定价。 首先，依据业务特点及q o s 需求，不同类型、同一类型下不同q o s 等级的 业务具有不同的进入费e ，在基于q o s 的非线性峰谷计费公式中，我们称之为 预留资源费用，用愈，表示。 其次，根据业务特点及q o s 等级，为业务设定不同的基本q o s 费率。 根据网络流量的分布，同一业务在不同时刻具有不同的峰谷费率。网络流量峰值 阶段，费率较基本费率。，为高( 以只表示) ，以期通过价格因素降低网络访问 量，避免拥塞，保证服务质量；流量谷底阶段，费率相对基本费率较低( 以表 示) ，目的是鼓励用户使用网络，提高资源使用率，增加运营商收入；而在网络 流量均衡的阶段，费率己等同于业务基本费率。，。峰谷费率与业务基本费率的 关系由峰谷定价因子( f 。e ) 确定。 对于每部使用费率只来说，同一阶段内费率并非不变，而是