（计算机系统结构专业论文）基于定价机制的网络资源分配技术研究.pdf

声碉 本人声明所呈交的论文是我个人在导嬲指导下进行麴研究工幸譬及取褥 的研究成果。就我所知，除了文中特别加_ 以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发袭或撰写过的研究成果。与我一嗣工作的同志对本研 究所徽的任何贡献均e 在论文中作了弱确的说明并表示了谢意。 作者签名：司考 强麓：洳。；弩 关于论文使用授权的说骧 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许 论文被查阏和借阅；并可以公布论文的全部域部分内容，可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存该论文。 作者麓名：司若 导师签名：形阄f 彳日期：洳；以刁 苎主塞塑垫型塑塑竺塑塑坌墼苎查竺垄一一雯生一 摘要 随着i n t e m e t 服务发展的需要，用户对于网络服务性能水平提出了越来越高的要求， 甚至会就服务水平与i s p 签订合约。但是，现在的网络却面临着诸多复杂的问题：基于 宽带的应用对于带宽的需求使得网络资源仍然面临着供不应求的矛盾，这就要求网络在 资源分配时采取有效的拥塞控制方法以合理分配带宽资源；网络从最初的仅仅面向大学 校园用户发展到现在的面向广大公共用户，用户群更加复杂化，这就要求网络采取有效 的用户激励机制来抑制恶意用户的破坏行为：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网络需要一种新的支持多类型多级别服务的管理模式等。 面对这些问题，我们有必要研究一种新的网络资源分配和管理模式，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，还要采取有效的用户激励机制。近年来，研究者开始将微观经济学相关理论引 入该领域，希望通过价格机制等经济手段来激励用户更积极地参与到网络管理中，以此 实现更有效的资源分配和拥塞控制。基于优先权的定价机制就是这样一种思想的体现， 这种定价机制把服务传输质量和用户要支付的费用相联系。通过这样的定价机制来实现 支持多级别多类型的服务模式，有利于网络管理者实现用户激励机制并进行流量控制。 本文首先讨论了微观经济学中的效用模型在网络控制领域的应用。引入效用模型将 有利于在传统网络控制理论的基础上，引入用户愿付价格、用户满意度等经济因素，利 用供求互作用机制、价格调节机制等微观经济学理论寻找用户满意度和网络性能的最佳 结合点。 效用模型的作用就是要引入对用户合理网络行为的激励机制，这种观点也体现在对 网络资源分配的研究中。本文对国内外研究者在网络资源分配领域的研究现状做了详细 的比较分析，包括各种经济模型、定价策略以及相应的网络通信协议。经过比较，作者 认为基于优先权的定价模型将更适合于实现有效的用户激励机制。本文的目标就是寻找 一种简单实用的网络资源分配模式，在基于优先权的定价机制的基础上提供多级别多类 型的服务，以此实现网络通过定价机制来调节控制网络流量传输的目标。本文详细描述 了这样的分配模型，在该模型的基础上讨论了网络服务策略、用户选择策略以及相应的 引入价格因子的网络通信协议的设计，并在s p i n 、n s 2 下完成了相应的仿真实验。结 果表明，该分配方式不仅能够支持多级别的服务模式，还能实现整个系统所追求的资源 使用最优化的目标；不仅能够从用户那里收回网络服务运营成本，还可以兼顾资源对用 户的价值：该模式通过将用户经济效益与网络行为相挂钩，能够实现利用价格等经济因 素限制用户对网络资源的需求、鼓励用户积极主动地参与到网络管理中来的目的。 关键词：定价机制，资源分配，网络管理 茎王室丝塑型塑里垒篓塑坌墼垫查堑塑 垒! ! ! 型 一 a b s t r a c t r e s e a r c ho n t e c h n i q u e s o f p r i c i n g b a s e dn e t w o r k r e s o u r c ea l l o c a t i o n l i u f a n g 化o m p u t e ra r c h i t e c t u r e ) d i r e c t e db y z h a n gg u o q i n g h i g h e rp e r f o r m a n c eo f n e t w o r ks e r v i c ei sd e m a n d e da st h ei n t e r n e ta p p l i c a t i o n sd e v e l o p q u i c k l y u s e r se v e nw o u l d l i k et os i g nc o n t r a c t sw i t hi s p si nt e r m so ft h es e r v i c el e v e l t o m e e tt h i sg o a l ，an u m b e ro fd i f f i c u l tq u e s t i o n sn e e dt ob es o l v e d f i r s t l y , m o r ea n dm o r e b r o a d b a n d b a s e d a p p l i c a t i o n sa p p e a r s u c ha p p l i c a t i o n sr e q u i r e m u c hm o r eb a n d w i d t h r e s o u r c et h a nb e f o r e ，w h i c hm o s to fo f t e ne x c e e d st h es u p p l yb yt h en e t w o r kr e s o u r c e h e n c e m o r ee f f e c t i v ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e sf o rr e s o u r c ea l l o c a t i o na r en e e d e d s e c o n d l y , t h e s w i t c hf r o mu n i v e r s i t y - o r i e n t e dn e t w o r k st ot h ep u b l i cn e t w o r k sb r i n g sm o r ec o m p l e xu s e r s ， e f f e c t i v eu s e r si n c e n t i v es c h e m e sa r en e e d e dt o p r e v e n tu s e r s f r o mv i c i o u s l yd e s t r o y i n g n e t w o r k t h i r d l y , at o t a l l yn e wp r i o r i t ys e r v i c em o d e ls h o u l db ep r o v i d e db e c a u s eo fb o t h m o r ea n dm o r ed i f f e r e n tt y p e so fn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa n di n c r e a s i n g l a r g em o u n t so f d e m a n df r o mu s e r s i tw o u l db ea g r e a tc h a l l e n g ef o rt h ep r e s e n ti n t e r a c t t od e a lw i t ht h e s ep r o b l e m s ，an e wn e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m ei se x p e c t e d i t s h o u l db ea b l et os u p p o r td i f f e r e n tp r i o r i t i e so f s e r v i c e ，g a i ne n o u g ht ob a l a n c et h ec o s tf o r p r o v i d i n gn e t w o r ks e r v i c e ，a n de n c o u r a g eu s e r sm o r ea c t i v e l yt o i n v o l v ei nt h en e t w o r k m a n a g e m e n t an o v e li d e ae m e r g e df r o mr e c e n tr e s e a r c hi st op u tn e t w o r ku s e r si nam o r e a c t i v ed e c i s i o nm a k i n gp o s i t i o n g i v e nt h i s ，an e wp r i o r i t y p r i c i n gs c h e m ei sd e s i g n e d ， u n d e r l y i n gs u c h as c h e m et h eq u a l i t yo f t r a n s m i s s i o ni sa s s o c i a t e dw i t ht h e p r i c eu s e r sp r e f e r a ss u c h ，n e t w o r ks e r v i c ep r o v i d e r sa r ea b l et oa d j u s tt h et r a 蚯cv o l u m e b ym e a n so fn e t w o r k p r i c i n g i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no ft h eu t i l i t ym o d e li nn e t w o r kc o n t r o li sf i r s ta d d r e s s e d s u c ham o d e li s o r i g i n a l l yu s e di nm i c r o e c o n o m i c s n o ww eu s ei t i nn e t w o r kc o n t r o lt o i n t r o d u c es o m ee c o n o m i cf a c t o r ss u c ha st h ep r i c eu s e r sa r cw i l l i n gt op a y , t h ed e g r e eu s e r s a r es a t i s f i e da n ds oo n i nt h i sw a y , w ea i mt og e tt h eb e s tn e t w o r kp e r f o r m a n c ea n dt h u s s a t i s f yt h eu s e r sb e s t ，u s i n gt h ep r i c i n ga d j u s t m e n ts c h e m e sa n dt h ei n t e r p l a yb e t w e e nd e m a n d a n d s u p p l ye t e t h e y a r ea l s ob o r r o w e df r o mm i c r o e c o n o m i c s t h eu t i l i t ym o d e li si n t r o d u c e di n t on e t w o r kc o n t r o li no r d e rt o b r i n ga b o u te f f e c t i v e u s e r si n c e n t i v es c h e m e s i ti st h es a m ew i t h p r i c i n g - b a s e dn e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o n s c h e m e s ad e t a i l e ds u r v e yi sg i v e no nt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c hi nt h i sa r e a ，i n c l u d i n gt h e e c o n o m i cm o d e l s ，p r i c i n gs c h e m e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s t h r o u g h 2 墨王塞堕垫型塑塑堑塑婆坌墼垫查! 壅 些! 竺型 c o m p a r i s o na n da n a l y s i s ，w e t h i n kt h ep r i o r i t ys e r v i c ep r i c i n gc a r le f f e c t i v e l ys u p p o nu s e r i n c e n t i v es c h e m e s a n dt h u sl e tu s e r si n v o l v e di n t on e t w o r kc o n t r 0 1m o r ea c t i v e l y d i f f e r e n t p r i o r i t i e so f s e r v i c ea r ep r o v i d e db a s e do nt h ep r i o r i t yp r i c i n gs c h e m e s ，a n dt h u st h en e t w o r k s e r v i c ep r o v i d e rc a l la d j u s tt h et r a f f i cv o l u m ev i an e t w o r kp r i c i n g t h i sp a p e ri si n t e n d e dt o f i n dab e t t e rs o l u t i o nf o rn e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o nb a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h t h e s o l u t i o ns h o u l db es i m p l ea n de a s yf o ri m p l e m e n t a t i o ni nt h ei n t e r n e t w es y n t h e s i z ea n d d e s i g nt h en e wr e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m et h e o p t i m a l s o l u t i o nf o rn e t w o r ks e r v i c e p r o v i d e r s ，u s e r ss e r v i c es e l e c t i o ns c h e m e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s a r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e rt o g e t h e rw i t l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a st h er e s u l t ss h o w , t h e s c h e ：m ec a ns u p p o r d i f f e r e n tp r i o r i t i e so fs e r v i c ea n da l s ow o r kf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h e u t i l i z a t i o no fn e t w o r k r e s o u r c e b yu s i n gt h i ss o l u t i o n ，s e r v i c ep r o v i d e r sa r ea b l et ow i t h d r a w t h ec o s tf o rp r o v i d i n gn e t w o r ks e r v i c e ，a n do nt h eo t h e rh a n du s e r sc a nm a k et h e i ro w n s e r v i c ec h o i c ed e c i s i o nt og e tam a x i m i z a t i o no ft h e i ro p e r a t i o n u t i l i t y k e y w o r d s ：n e t w o r kp r i c i n g ，r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，n e t w o r km a n a g e m e n t 3 基于定价机制的网络资源分配技术研究图表名 图表名 图1 1 定价机制的信号作用 图3 1网络资源分配的市场模型 图4 1 服务计费的组成 图5 1s p i n 的体系结构 图5 2 模型验证示意图 图5 3 模型验证输出结果 圈5 4 用户需求变化图 图6 1网络拥塞控制的闭环控制系统 图6 2 网络拓扑结构图和用户路由表 表6 3 链路容量和时延参数表 表6 4 用户效用函数及最终服务选择策略及性能参数 图6 5 用户发送速率变化曲线图 钾 如 m 筻 嚣 甜 舛 邪 酊 墨二童堕堡一一 1 1 课题的提出和研究背景 1 1 1i a t e r n e t 面临的问题 第一章绪论 过去的十几年里，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，伴随着w 州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： 首先，尽管半导体技术与光纤通信技术的迅速发展缓解了许多带宽需求上的矛盾； 但是随着高速a t m 网的出现，新的基于宽带的应用对带宽的需求越来越大。实践已经 清楚地表明，业务量需求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”。因此，网络资源的合理分配与调度，以及有效 的拥塞控制方法的研究就变得非常重要。 其次，以往局限在校园里的网络已经发展成为面对广大公众的公共接入网。用户群 发生了变化，这就意味着必须要加强用户管理机制，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。如何采取有效的激励机 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。 再次，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已经不能很好地满足服务需求，我们需要采取多类型多级别的 服务方式。先进先出的f i f o 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( q o s ) 有严格要求的服务的q o s 管理技术。但是，采取多类型多级别的服务 要比简单的f i f o 模式复杂的多，需要在网络协议上有很多改动。 最后，不断增长的i m e m e t 使用也造成了成本的增加。基于宽带的高速应用的实现 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 m e t 发展成为遍布全球的服务网络，不同的i n t e m 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，收回成本为网络市场运作提供基础。 面对这些问题，我们有必要研究种新的网络管理模式，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。 茎要塞煎塑型墼婴塑塑塑坌謦楚鉴盟堕 1 1 2i n t e r n e t 串酶教魂经济学 近年来，国外研究者开始尝试着将微观经济学的研究方法引入网络管理，他们将通 信服务看作憋传统经济领域的谳品，这样就可以借烂已有的相关经济学原理来研究网络 管理中的蛹题。 获经滚攀熬受菠爱i n t e m e t 秘砖统爨逛信霹畜缳大豹不溺。i n t e m e t 怒霆 遮毒全蔹戆 i s p 商业丽络、政府网络等共阕搦或，不属于任俺一个权利枫梅，霞诧，不能傈证技术 的一致性、栩容性，不能保证服务稳定性和可用憔。传统电信网里，对镶次呼叫所分配 的资源是围愆的，使用价格则怒通过估算可能的呼叫数目来制定的；简i m e m e t 服务的 价格是根搬实际存在的竞争情况，而不是潜在可能的竞争来进行调节的。相对于传统电 信网，i n t e m e t 服务更新要快褥多，需求不可预见，网络可用资源匏度凝逛缀难实现。 缳是i n t e m e t 粒传统毫痞弼一撵秘然存在瓣终派生效焱：爱户逶遭大筑模瓣藏络互联囊 剐的用户遴信，随着网络甄模豹增大，用户通过竞争获得的收益也会稳威增多；用户还 可以利用网络产生增值服务，例如购买一种服务而转简用于另一目的，蛾者是从中衍生 出另外几种新的服务( 这样就无需直接购买这几种服务，就可以支付较少的费用) 。这 些都是i n t e m e t 有别于经济领域熙其他商品的特点。 采用微戏经济摆关原理秘方滋磋究嬲络管理，一个缀重要的课题就怒剃潮相应的经 济学原理礤褒蕊终瓷滚努配窝黢务定掺捉锾。合瑾懿定徐爨翱不仅疆候绘黢务供应囊鞋 成本回收、获取利润的机会，还为我们提供了实现市场管理和用户激赫枫制的手段。在 新的网络经济中，市场必颓要鸯虑大规模的网络效威摔服从相关规律，例如，根据经济 学原理，客户群的大小决定了用户需求大小以及服务售价的高低。因此，在设计网络时 就应该免费掇供一些最基本的网络服务以刺激用户对英他服务的需求，建立用户群，提 高鼹络增傻效懿。铡鲡，i n t e m e t 接入骚务寿霹就避爨蜜使曩静，这是为了透过该摄务 谴爱户镬簿一蕊要嚣费酶骚务。 采用经典的微观经济学原理研究定价机制时要同时考虑多个因素。缀时间内，可以 通过人工调低价格以快速建立用户群：但是从长远角度来说，价格的制定是由市场需求 和竞争关系决定的。网络传输容嫩是有限的，因此价格对于调整用户需求、控制拥塞就 可以起到萤嚣的作用。如果把网络比作一个工厂，那么这个工厂可以“懋产”很多种类 煞霹终照务，德楚戆够露对提供多少这襻靛缀务嬲会受裂资源彝攫零毽豢约疆裁。毽瑟， 我髓匏嚣稼虢蓬要磅究魏露逶避定价橇割这襻兹爱游手段使得霹络能够箍供尽可麓多 的、让用户满懑的服务。 1 1 3 计费饿怠在网络管理中的储警作用 翅络诗费不仅设为警理者提供了获取经济效蔻、牧懑藏搴熬途经，y l 荟籀供了一季 重 要兹霹络按涮黪手段。透过调节徐稽，管璎者可戳灞繁瘸户需求、控隶穗壤，这样就可 以尽可能的掇服务提供给那些愿意支付相应费用并艇能够通过该服务避黼获取更多经 第一章绪论 涛效益静藤户。逶誊，两络诗费撬潮旋爱来j 侉为一静整理瓣涮；毽燕舅一方蘑，定价嘏 制还可以超到髓路反馈和激励调节的作用，充分利用计费信息这样的“信号”作用有助 于网络达到一种性能与效益的最优平衡。 对于网络管理者来说，网络服务定价可以用来作为用户激励机制的信号。管理者通 过这样的信号来和用户通信，捌用价格经济手段调节甩户需求，引导用户正确合理地使 臻瓣络资源，这嚣毒秘予实现蠢教使惩瓣终瓷源戆疆戆。透过这秘方式，罄埋者霹以提 高服务质爨，蹭强霹络豹稳定髓农鲁棒性，实蕊瓣终控制翡可扩展馥。 对于用户来说，用户对于网络计费的反馈，也就悠用户对于价目表的选择，可以提 供给网络镣理者作为信号，以帮助网络管理者了解用户的服务首选即偏好信息。例如， 用户对于巢阎定或是移动电话收赞方式的选择，就西丁以作为信号来让管理者提前判断 用户准备如褥使用该网络的形式。这样的信号提供绘管理者一种“先黢”信息，可用来 提蘸颈溅资滋嫒羯量著甏璃终资滚分蓖绘最霉要它黪耀户。 可觅，定价橇系l 在蘑户帮弼络之阉提供了释储惑反馈和激励调节静俸耀，如霞1 1 所示。显然，这样的“信号”威该是准确真实的：不仅要给用户合理的激励，而且要提 供真实可靠的反馈信息给网络臀理者。网络计费应该简单可行、容易为用户所理解接受。 这里，“激励楣容性”( 见注释1 ) 是个关键概念，因为它可以用来避免欺骗行为、解决 拥塞问题。个“激励相容”的计赞策略必须毙够让耀户对于铃目表的选择8 2 够真实代 表秘终资源豹壤弱潼凌，窀磐续辍够羯对绘耀户窝瓣缀双方提摸疆穗懿镶惑。激藤程容 对网络环境下的资源调度超到了露力翡保障佟瘸，它能够防止用户在资源拥塞的情况 下，通过摄瀚作业优先级等方法来抢占资源。 图1 1 定价机制的信号作用 诗费绩惑逐霹殴薅采握供绘瑷瞧豹壤题户戳实瑷鸯力夔澈聚体爱，这鼹予愆户合理 管瑾蠢己静数箍流具有重要於惑义。这也是帮警蘸n t e r n e t 静实嚣簿漉耀致煎。当藏 1 1 1 t c m c t 的用户对于何时增加或鼹减少输入n t e m c t 中的数据流的决策怒髓运行t c p 协 议的用户自己计算决定的，+ 而l n t c r n c t 的作用是传邀拥塞信号给用户。当t c p 收到关于 网络拥塞的信号阻后，它就会降低或是提高发送速率。所有的i n t e r n e t 用户都遵从这样 注释l ：2 激藏穗容，来塞予经济学孛熬壤裁竣诗原理。爨拿_ 褪爨中，器令叁菇囊匏参 与者帮赞毒鑫舀鲍效雳蠡数积镝好僖惠，蠢这些僖惑楚不茏箕链参与者移系统所知酶。 如果该机制的设计能使得参与者认定真实的叫价是其占优策略，则该机制遐激励相容 的。 1 3 基于定价机制的网络资源分配技术研究 的规则并按照该规则合作运行。但是，用户实际上没有必要完全按照这样的规则行事。 如果用户通过使用网络可以获得很高的利润，他完全可以不道守这样的规则，而是按照 自己的t c p 协议来发送数据包到i n t e m e t 。这完全可以通过拥塞信号传送计费信息来实 现，例如，用户在知道自己当前的发送速率所对应的计费价格之后，就可以根据自己的 实际需要来决定自己的发送速率。当拥塞出现以后，如果沿着拥塞路由的价格以及相应 的计费会逐渐增长，那么就可以促使用户适当地降低自己的发送速率。但是需要说明的 是，当前的i n t e r a c t 在设计时把所有的用户都同等对待，认为所有的网络服务部是具备 同等价值的。这样的假设已经不符合实际发展的需要了。因此，我们的目标之一就是要 研究如何将上述机制进一步的扩展使得它能适应一般的经济模型，使得不同的用户通过 使用网络可以获得不同的效用。我们希望当网络通过拥塞信号提供激励机制时，对于不 同的用户会对该激励做出不同的反应。 1 1 4 网络服务定价策略的选择 对于i n t e m e t 的端用户如何收取使用费用一直以来存在着不同的看法。从电信网的 发展历史来看，根据用户消耗资源多少来计费会降低网络使用量，因为用户会担心因为 使用量的增大造成要支付的费用也越来越多。研究表明，电信服务的用户倾向于简单的 单一费率的计费机制。但是，这种计费机制对用户来说是不公平的，很容易造成资源浪 费，这就好像是很多顾客在自助餐馆里面喜欢进餐过量一样。 经济学研究表明，考虑到实际使用情况的计费机制会更有效。这是因为浪费程度减 小了，资源被留给最需要它们的用户使用。进一步的，为了实现最优的经济效益，价格 可以是动态变化的，这样就可以更准确的反映需求的变化情况。但是这样的定价机制要 比简单的单一费率计费机制复杂的多，因此带来了很多的可行性问题需要考虑。另外， 过于复杂的计费机制反而可能会打击用户使用网络的积极性，这反而会不利于i n t e m e t 的进一步发展。 显然，要想合理利用计费信息的激励信号作用，我们要认真考虑采取何种计费策略。 在选择计费策略时我们应该考虑如何在确保网络资源得到经济有效的使用和维持一定 量的用户需求两方面寻求一种恰当的平衡，同时还要确保这种计费策略的简单易行性。 1 2 研究目标 当前网络服务的发展越来越要求底层网络提供一种有效的机制来管理、提供、监督、 保障网络服务质量的具体实现情况，并进一步提供一定的服务保证。面对这样的问题， 定价和计费机制对于提供多种类型( 例如b e s t e f f o r t 月e 务、统计意义上的确保服务等) 的 服务就变得越来越重要。因为计费机制通过经济上的激励措施可以促使用户根据实际的 通讯需要来合理操作。虽然网络内部可以使用传统的拥塞控制方法来提高服务保证，但 是经济手段仍然被认为是经营、技术和服务管理最核心最有效的手段，这种激励手段可 一 笙二兰堕堡 一一_ _ - _ _ _ - _ _ 一一。 以起到有效的调解作用。i n t e m e t 月艮务供应商是通讯领域的关键，根据发展需要在不久的 将来需要提供有区别的多种服务类型的i n t e m e t ) 报务，因此，如何为这些服务提供合理的 计费和定价机制对于i n t e m e t 服务市场就非常重要。我们有必要好好研究如何为多服务类 型的网络提供合理有效的计费管理和怎样通过定价机制实现更有效的网络控制。 另一方面，就传统的网络资源分配来说，一个突出的问题就是没有考虑到资源对于 用户应用程序的价值问题。实际上，不同时间不同的网络资源对于不同的应用具有不同 的意义。但是，现有的网络资源分配并没有考虑到这种资源价值，这就造成很多弊端的 存在。对资源调度器来说，由于不考虑资源对用户的价值，系统会默认为资源对不同应 用程序的价值都是相同的，这样就不能实现系统的资源最优分配。对用户来说，没有考 虑资源价值会导致他们在申请资源和确定作业优先级的盲目性，用户为了提高自身的效 益往往会申请尽可能多的资源和提高作业优先级，这种盲目行为会造成网络拥塞。现有 的资源管理往往通过限制资源访问量( 接入控制) 来解决，但这种方式缺乏用户友好性。 因此，我们在设计这样的定价机制时还要将资源对用户的价值也作为考虑因素来研究网 络资源分配问题。 本文的研究目标是：研究设计种新的网络资源分配模式，该分配方式不仅能够适 应支持多级别的服务模式的系统要求，还要确保整个系统所追求的资源使用最优化的目 标：不仅要能够从用户那里收回网络服务运营成本，还要兼顾资源对用户的价值，利用 价格等经济手段将用户经济效益与网络行为相联系以限制用户对网络资源的需求，鼓励 用户积极主动地参与到网络管理中。 引入资源对用户的价值因素是为了引入对用户合理网络行为的激励机制，这种观点 也体现在对网络定价机制的研究中。当前该领域的研究大多集中在如何提供给用户更多 的选择权以激励用户主动参与到网络管理中。基于优先权的定价机制就是这种思想的体 现。在这种定价机制中，数据包的传输质量是和用户必须要支付的费用相关联的。在定 价机制的基础上提供不同优先权的服务，也使得网络可以通过定价机制来调节网络传输 流量。当前针对基于优先权的定价机制的研究有很多，但是面临的一个最大的困难就是 如何降低复杂度设计出符合实际需要的基于定价机制的网络管理模式。我们希望在前人 工作的基础上，能够寻找到更理想实用的研究成果。 将微观经济学研究方法引入网络控制领域是国外研究者近年来提出的一个新课题。 这种新方法是在传统网络控制理论的基础上，引入用户愿付价格、用户满意度等经济因 素，利用供求互作用机制、价格调节机制等微观经济学理论寻找用户满意度和网络性能 的最佳结合点，以达到加强网络控制、更好地提供服务的目的。本文的目的就是要利用 关于市场和定价机制的经济学原理，探讨如何将传统经济学概念借鉴到i n t e m e t 网络资 源分配中以实现整个系统资源使用最优化和用户满意度最大化。 采用微观经济学方法研究网络资源分配的方法具有如下特点： 首先，通过价格调节来影响供需关系。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，最终达到合理使用资源，优化资源分配的 基于定价机制的网络资源分配技术研究 目的。 其次，通过定价机制来体现服务质量的差别，不同价格的服务对应着不同级别的服 务质量。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。 再次，市场机制固有的分布性和网络资源的分布性相致，微观经济学已有的控制 原理可以为网络资源的管理和控制提供有效的借鉴。 最后，经济模型提出的合理付费机制，能够为网络传输的商业运作提供基础。 1 3 本文结构 本文主要是研究如何将传统经济学的市场和定价机制借鉴到网络资源分配领域，以 实现系统资源使用和用户满意度同时最优化的理想的网络资源分配。本论文分为七章， 全文结构安排如下： 第一章，也就是本章是全文的绪论部分，首先给出了本课题的选题背景、研究动机 以及学术意义。 第二章研究了效用模型在网络控制领域的应用，主要探讨了它在资源分配、拥塞控 制、接入控制以及q o s s l a 管理中的应用前景。效用模型来源于微观经济学，它将网 络的管理和控制问题形式化为数学优化问题，这对于寻求更有效的网络控制方法、获取 更好的经济效益具有重要意义。后文所研究的利用定价机制实现有效的资源分配的方法 也都是建立在该模型的基础之上。 随后的第三章、第四章对于网络资源分配研究领域的研究现状，主要是对几种典型 的经济模型和定价策略进行了详细的分析比较。通过这样的比较，本文认为基于价格的 模型和基于优先权的定价机制将更有利于实现我们的研究目标。后文所述的新的资源分 配模式也正是建立在这样的基础之上。 第五章，利用效用模型继续研究如何利用定价机制实现有效的资源分配。本文将基 于价格的经济模型做了进一步拓展，得到一个以基于优先权的定价机制为基础、支持多 级别多类型服务的网络资源分配模型，研究分析了相应的网络资源分配策略、用户服务 选择策略的设计工作，并在s p i n 仿真软件环境下完成了模型的验证实验。 第六章，继续研究如何设计和实现基于价格的通信协议。我们的主要工作是研究怎 样在t c p 窗口控制机制中，实现前文所描述的用户选择策略。我们把价格因子引入用 户选择方案，以此激励用户积极主动地根据当前网络拥塞情况和自己的经济最优选择目 标合理地调节自己的发送速率，尽可能的从一开始就避免网络资源过度使用和网络拥塞 的情况。 最后一章总结全文，并列出了下一步的工作设想。 1 6 第二章基于效用模型的网络控制 2 1 引言 第二章基于效用模型的网络控制 随着网络服务的迅猛发展，现有网络面临着资源相对短缺而用户对服务的q o s 要求 越来越高等问题，这就要求运营商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。具体要解决的问题有： 如何利用接入控制尽早避免可能的拥塞情况，在保证用户对服务的q o s 要求得到 满足的同时运用怎样的调度策略才能实现经济效益的最优化； 相对于用户需求的不断增长，现有网络资源相对匮乏，应该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； 对于易发生拥塞的资源，如何通过拥塞计费来引导用户正确的网络行为，避免因 为对这些资源的过度使用造成网络性能的进一步恶化； 不同的应用对于q o s 的要求也不同，网络要从提供单一的尽力而为的服务改为提 供不同服务水平的多级别的服务，就要对用户和网络之间的服务水平协议( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) 进行有效的管理。怎样的s l a 管理才能在确保所有s l a 都得到有效执 行的同时实现用户满意度的最大化? 面对这些问题，i s p 必须采取有效的网络控制手段以确保所提供的服务满足用户需 求。本章主要介绍来源于微观经济学的效用模型及其在网络管理和控制中的应用。效用 模型为我们提供了一种数学可计算的建模方法以描述服务的管理和控制问题，通过这种 模型我们就可以将服务的管理和控制问题用数学形式化的方式描述出来，这对于我们寻 求更有效的网络控制方式，获取更好的经济效益具有重要意义。我们将首先介绍网络服 务的管理和控制问题，并在介绍效用模型的基础上重点分析该模型在接八控制、资源分 配、拥塞计费以及q o s s l a 管理中的应用研究。 2 2 网络服务的管理和控制 2 2 1 网络服务 通常所说的网络服务实际上包含很多内容：可以是直接向用户提供的高层服务( 如 w e b 服务) ，也可以是用户看不见的为提供高层服务而必需的底层服务( 如为提供w e b 服务在用户终端和服务器之间交换数据的传输服务) 。本文所研究的是这种底层传输服 务。 基于定价机制的劂络资源分配技术研究 根据能否对服务提供质量保证，网络服务分为： 确保服务：向用户提供q o s 有保障的服务，用户和i s p 会就q o s 和流量的性能参 数签订合约： 弹性服务：不向用户提供性能保证，对所有的用户一视同仁。 根据数据传输的方式，网络服务又分为： 面向连接的服务：数据包沿着从源到目的地的固定路由传送。 无连接服务：数据转发并非沿着固定路由传送，前后相邻的数据包可能经过不同 的路由到达目的地。 2 2 2 网络控制 网络控制是指网络为了提供各种服务并保证已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，下文所述的接入控制、拥塞计费、资源 分配和s l a q o s 都属于网络控制范畴，只是各操作所发生的时间间隔大小不同。接入 控n g ( c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) 对每个请求都要处理，操作间隔非常短，而资源分配 等操作间隔则较长。不同的服务要求有不同的控制机制： 确保服务：有c a c ，一般没有流量控制，整个系统是开环控制。 弹性服务：有流量控制，但不存在c a c ( 除了a t m f o r u n 2 对于a b r 服务的最小 信元速率m c r 有规定之外) ，通过反馈或计算丢包率获知拥塞情况，实行的是闭环控制。 面向连接的服务：在每个交换机进行c a c ，寻找满足q o s 要求的路由，一旦链 路建立起来就要进行流量控制以尽可能的减少拥塞。 无连接服务：寻找花费最少的路由，只在传输层进行窗口流量控制，没有c a c ， 控制的目标是在控制丢包率的同时延迟最小化。 2 3 效用模型 在微观经济学里，效用是指对所使用或消耗的产品或服务的满意程度。把网络传输 服务看作经济领域中的商品，用户所需服务量看作需求因子，i s p 提供的服务量看作供 应因子，通过对供求双方的交互和竞争的模型化就可以建立起网络服务的效用模型。 2 3 1 效用函数 效用函数“( x ) 表n n p f 在消耗了数量为x 的网络资源后对供应商所提供服务的满 意程度。效用函数可以是估算的经验值，也可用智能代理动态求解效用值。效用函数可 用服务的o o s 水平或相应价格为参数，例如甜 ) = 1 一w ，x 是提供该水平的服务对应 的价格，v 是常数a 该函数是随x 变化的递增函数，这表明随着价格x 的增加，边界效 1 8 兰三塞薹王墼旦壁型塑旦堑墨型一 应会逐步减少，此时所有会话的效用函数之和就是供应商的收益。 2 - 3 2 效甩模型 效用模型假定有用户集合s 。系统可用资源r = ( 尺，r ：，r ，) ，其中r ，表示资源j 的可用量。定义矩阵a ，若资源r 在用户s 的路径上，则a 。= 1 ，否则a 。= 0 。x ，是用 户i 获得的资源数量，效用函数“。( x 。) 表示用户i 在获得资源x ，时的满意程度；p 是用 户i 消耗单位资源所付费用；c ，( y ，) 是供应商提供总量为y ，的j 类资源所需成本。效用 模型的优化目标就是寻找系统总效用最大的解决方案，即 系统总效用最优化：m ? “ ”，f x 。) ，且满足爿x 尺，工0 ( 2 。1 ) j e s 这包括两个子问题： 用户满意度最大化：m a x u ：( x ，) 一p ，x 。 ，且x ，0 ( 2 2 ) 服务供应商纯收益最大化：m y z p 。_ 一c ，( z 伪，r a x r ，x 0 ( 2 3 ) j j 通过为网络传输服务建立起 这样的经济模型，我们就可 以将发展成熟的微观经济学的理论引用到网络服务中来，这为网络控制问题的解决提供 了有力的理论支持和实践指导。 2 4 基于效用模型的网络控制 2 4 1 资源分配 对网络服务建立效用模型后，就可以借鉴微观经济学的相关理论进行合理的资源分 配，这里的资源包括交换机缓存、链路带宽等。基本思想是：通过价格来引导用户需求， 在供过于求时价格下调，刺激消费，在供不应求时提高价格，抑止消费。当价格调整到 系统总需求等于系统总供给的时候，按照微观经济学理论，系统资源分配达到了平衡状 态，此时的资源配置最优，系统总效用最大。 微观经济学研究表明：存在一个均衡价格，在此价格下的资源分配使得市场达到