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网络拥挤与反应性定价模型 3 摘要 随着网络多媒体服务的不断应用网络拥挤问题也越来越严重在对网络拥 挤问题的原因作一探讨之后本论文将分析网络拥挤所产生的外部性效应由于 网络拥挤外部性效应的存在导致了网络资源的配置缺乏效率 为了使网络资源能 够得到最经济有效的使用本论文提出了反应性定价模型机制这种动态定价模 型能够使网络资源的配置富有效率 本论文发现主要有三个因素导致了因特网上的拥挤变得越来越严重这就 是现有的网络服务定价模式存在缺陷消费者日益增长的需求以及对新的因特 网服务的需求与现有因特网架构不相兼容因特网的私有化以及商业化这些因 素所导致的结构性影响是如此之大以至于我们必须重新思考因特网中所包括的 经济系统 拥挤是一种缺乏效率的资源分配方式因为资源的分配是通过等待完成的 通常这种分配方式会把资源分配给那些时间机会成本较低的用户 而非那些价值 较高的用户因此网络拥挤是一种典型的外部不经济 解决因特网拥挤的最有效途径就如解决其他的外部效应一样利用定价机制 来分配网络资源 有效定价机制能够自动使带宽资源的需求和对带宽资源的供给 保持均衡 相反 现行的边际价格为零的统一定价法只会使网络拥挤越来越严重 如果有恰当的反馈信号能够帮助适应性网络用户做出准确的反应 那么无疑 会提高网络的效率当网络流量过多使网络出现拥挤时反馈信号将使适应性用 户做出减少数据包发送的反应当网络流量相对较少时反馈信号将鼓励适应性 用户增加其想要发送的数据包数量这样很多拥挤问题就能得以解决 本论文将从福利经济学的角度出发 定义什么是资源配置效率和网络服务质 量q o s在对某些关键术语做了定义之后本论文将利用定性和定量的方法来 研究网络拥挤的效率损失另外在研究网络拥挤的成因和设计反应性定价模型 时本论文还会利用到博弈论的有关原理 关键词因特网拥挤外部性, 反应性定价 网络拥挤与反应性定价模型 4 abstract with the increasing application of the multimedia service in the internet, the network congestion has become increasingly serious. after a probe into the causes of the congestion, this thesis is going to discuss the externality effect of the network congestion. the existence of the congestion externality has resulted in inefficient allocation of network resources. in order to utilize the network resource in an economically efficient way, this thesis has proposed a response pricing mechanism, which can allocate the network resource in an efficient way. this thesis has found out that three key factors have mad network congestion more and more serious. they are: the defect in the current networks pricing system; the increasing demand of the consumers over the network service; privatization and commercialization of the internet. the structural impact of these factors is so profound that we have to reconsider the economic system of the internet. congestion is an inefficient means of resource allocation, because the allocation of resource is achieved by waiting. generally speaking, rare internet resources will be allocated to those internet users who have lower opportunity cost of time by this means of allocation. therefore, network congestion is a typical non-economy of externality. the most efficient way of solving network congestion is through pricing mechanism like solving most other externality effect. an effective pricing mechanism will automatically balance the demands and supply for network resources. on the contrary, the current flat pricing mechanism, which has a zero marginal price, will make the network congestion more and more serious. if a proper feedback signal can help adaptive internet users react to network condition accurately, then it will definitely increase the network efficiency. when the network traffic is too much and network congestion has occurred, the feedback signal will help the adaptive users to decrease the data package transmission. when the network traffic is quite moderate, the feedback signal will encourage the adaptive user to increase the data package transmission. therefore, the network congestion can be solved. this thesis will start from the perspective of welfare economics to define what is efficiency of network resources allocation and what is quality of network service (qos). after such definitions, this thesis will make use of qualitative and quantitative methods to study efficiency loss of network congestion. in addition, this thesis will also touch upon some aspects of game theory when examining the cause of network congestion and designing the responsive pricing mechanism. key words: internet, network congestion, externality, responsive pricing. 网络拥挤与反应性定价模型 5 序言 jeffrey rohlfs 在 1974 年 shmuel oren和 stephen smith在 1981 年最先描述 了通信服务中出现的正的消费外部性或者说需求外部性 他们发现随着新的用户 加入网络每个现有用户的效用递增nicholas economides 和 charles himmelberg 在 1995 年注意到了网络发起时存在的临界容量问题并证明了一个倒 u 形的需求 函数michael katz和 shapiro 在 1985 年正式将这种现象描述为一种网络外部性 形式 david clark (1996)研究了因特网的成本结构并从成本分配的角度对因特网 的定价做了有益的探索frank kelly(1996)分析了网络拥挤状态的定价原则 mackie-mason 和 murphy (1994)对网络用户的反馈机制进行了研究 并试图解释 单个用户的反馈机制是怎样影响所有网络用户的整体行为 厦门大学的张洪铭洪 博士2001对网络定价的原则进行了探讨并阐述了动态定价机制的理论框架 从上述文献回顾可以看出 虽然国内外很多学者对网络外部性进行了卓有成 效的研究然而多数的研究集中于网络由于本身的经济特性而产生的外部性 并在此基础上研究了市场是否失灵而对于日益严重的网络拥挤的成因由于网 络的拥挤而导致的外部性以及这种外部性是否导致网络资源的配置失效等问题 则涉及较少对于网络拥挤的定价问题虽然已有很多的文献涉及然而能够从 定价的角度提出一个优化网络资源配置的模型则并不多见 本论文试图从定价的角度研究日益严重的网络拥挤现象试图探究其成因 并利用前人对网络外部性的研究成果探讨网络拥挤外部性是否导致市场配置网 络资源的功能失效在此基础上本论文提出一种拥挤定价机制这种拥挤定价 机制能够利用价格杠杆调控网络拥挤从而使网络资源能够得到最为有效的配 置 网络拥挤与反应性定价模型 6 第一章 网络拥挤及其原因分析 第一节 网络拥挤问题的现状 目前我国的网络拥塞问题已经显得十分严峻了从对网络带宽的需求方面 来看这个问题还可能日益恶化 首先是 i n t e r n e t用户人数和上网计算机的迅速增加就以我国为例网上 用户几乎是以指数般的速度增长截止到 2 0 0 3 年 1 2月 3 1 日我国的上网用户 总人数为 7 9 5 0 万人同上一次调查相比我国上网用户总人数半年增加了 1 1 5 0 万人增长率为 1 6 . 9 % 和去年同期相比增长 3 4 . 5 % 同 1 9 9 7年 1 0 月第一次调 查结果 6 2 万上网用户人数相比 现在的上网用户人数已是当初的 1 2 8 . 2 倍( 如图 1 - 1 所示)可见我国上网用户总数增长非常之快 图 1 - 1 历次调查上网用户总数( 万人) 资料来源中国互联网络信息中心 截止到 2 0 0 3 年 1 2 月 3 1 日我国的上网计算机总数已达 3 0 8 9 万台同上一 次调查结果相比 我国的上网计算机总数半年增加了 5 1 7 万台 增长率为 2 0 . 1 % 和去年同期相比增长 4 8 . 3 %是 1 9 9 7 年 1 0 月第一次调查结果 2 9 . 9 万台的 1 0 3 . 3 倍( 如图 1 - 2 所示) 可见我国上网计算机总数呈现出比较快的增长态势 网络拥挤与反应性定价模型 7 图 1 - 2 历次调查上网计算机总数( 万台) 资料来源中国互联网络信息中心 其次网络技术的发展对网络带宽的需求也将有增无减早期互联网上传的 文件大都是文本格式这种格式所需字节数较少因而在传输过程中占用的网 带宽资源也较少随着软件技术的发展网上传输的文件格式愈加复杂传递的 信息除了文字内容以外还有声音和图象 这些格式所包含的字节数要比文本格式 大得多尤其是现在还出现了动态传输形式的网络电话网络电视以及网络会 议等等这些信息传输所需占用的网络带宽资源更是大得惊人对传输线路的质 量要求也更加苛刻 第三随着网络商业化程度的提高最为引人注目的电子商务也将对网络带 宽提出了更高的要求电子商务的顺利开展主要取决于网上用户的规模如果没 有网络供给能力的相应提高则用户规模的扩大是不可能的即使网上用户有较 大的规模如果网络拥塞问题过于严重用户无法在网上顺利地获取商务讯息 电子商务要想发展也是不可能的总之从长期来看网络拥塞将是一个不可忽 视的重要问题 我国由于网络基础建设起步较低相对于发达国家网络拥塞问题要严重得 多近几年来我国的网络基础建设规模虽有很大的增长但由于网上用户的迅 猛增加网络拥塞问题并没有得到明显的改善特别是我国网络拥塞问题的严 重还可归结为一个体制上的原因 即国内还未形成一个具有充分竞争性的网络供 给市场由此也就不难理解上网资费高和上网速度慢是国内互联网发展的两大 难题但是也应注意到人们多数只重视上网资费的下调而忽视了由此带来的 网络拥塞问题从短期来讲在网络供给没有明显改善的情况下资费的下调只 能导致网络拥塞问题的恶化 因为资费下调的直接后果或者是上网人数的迅速增 加或者是用户在网上的滞留时间变长同时另外一个细节也不容忽视与国外 的包月收费制不同我国的收费是按用户在网上的时间计算的也就是说等待 的时间也被计入费用因而网络越拥塞用户等待的时间越长被收取的费用也 就越高如此一来表面上人们获得了一些好处实际上资费下调并不会改变什 么如果网络拥塞问题得以改善即使资费没有改变用户所支付的总费用也会 减少至少他们不须为等待而支付过多的费用了 拥挤问题并非是一个假想的问题例如 1 9 8 7年美国的 n s f n e t主干网发生 网络拥挤与反应性定价模型 8 了极其严重的拥挤问题当时主干网的传输速度只有每秒 5 6 千字节几近崩溃 使用远程登陆的用户遭受了令人难以忍受的延误作为一个临时措施n s f n e t 令路由器给予远程登陆比文件传输高的优先级别才得以暂时缓解主干网的拥挤 问题 如今因特网上的很多服务都遭受过严重的拥挤问题 许多大的网上文件夹和 w e b 服务器都因为使用过度而产生严重的拥挤问题自从 w w w 和视频会议诞生以 来全世界经常会碰到网络拥挤问题假如每个人仅仅使用 a s c i i码和 e - m a i l 服务那么网络拥挤问题就永远不会出现然而不幸的是对多媒体服务的需求日 益增加如果对网络拥挤仍不加以定价那么在可预见的将来终究会出现对带宽 的需求远远超出人类供给能力 网络拥挤与反应性定价模型 9 第二节 网络拥挤产生的原因 一现行的网络服务定价模式导致了网络拥挤的产生 几乎所有互联主干网都不是按边际流量进行定价 而是应用一种统一定价法 f l a t p r i c i n g 定价用户支付固定的费用从而得以无限制地使用其给定带 宽直至其极限任何一个理性的消费者都会尽最大可能使用其带宽这样便产 生了外部性的问题因为这种交换信息包的网络是一种共享的资源一个给定用 户多发送的一个信息包都会给所有其他用户带来成本的增加 这种成本的表现形 式可能是信息包的延迟甚至是丢失 如果没有一种机制鼓励对网络带宽进行经济地使用 那么就必然会出现要求 网络处理数据包的数量超过网络的负荷极限也就是说必然会出现网络拥挤问 题实际上所有的网络资源不管是高速公路网电力网还是因特网都会产生拥 挤问题但对于传输数据的因特网来说则更为严重因为因特网上不同的数据传 输服务所要求的带宽差别非常之大举例来说高速公路网上在一个给定的时刻 任何一个用户仅仅驾驶一辆车等待通过 而在传送数据的因特网上某个工作站上 的用户可能只传输几个字节的电子邮件也可能每秒传送几百兆的字节尤其对 于如今盛行的视频传输来说动辄需要每秒几兆的带宽由于给定的主干网其 带宽是有极限的 因此有限的几个这样对带宽要求极高的用户就可能使主干网陷 入崩溃 二传统的网络框架与现有的对网络服务的需求不相适应 网络应用的需求是推动网络技术发展的主要动力 传统的网络框架定制了传 统的网络应用即以共享以太网和低速链路接入广域网如 6 4 k b p s的 d d n 或更 低的 p s t n 链路就可以满足应用的要求随着新型的 w w w 应用特别是网络多 媒体应用的逐步使用传统的网络框架已经不适用 首先多媒体通信网络必须有足够的高带宽这一方面是多媒体通信海量数 据的要求另一方面只有高带宽才能确保实现用户与网络之间交互的实时性 按照一般的估计通过多媒体网络传输压缩的数字图像信号要求有 2 1 5 m b p s 以上的速率 m p e g 1 / 2 传输 c d 音质的声音信号要求有 1 m b p s以上的传输速率 因为多媒体信息包含多种不同类型的数据, 数据传输速率在 1 0 0 m b p s 理论上最 多 5 0 个 m p e g 1 视频流以上才能充分满足各类媒体通信应用的需要 其次网络必须满足多媒体通信的实时性和可靠性要求以保证服务质量为 了获得真实的现场感语音和图像的延时都要求小于 0 . 2 5秒静止的图像要求 少于 1 秒对于共享数据要求没有误码 最后是媒体同步要求包括媒体间同步和媒体内同步因为传输的多媒体信 息在时空上都是相互约束相互关联的多媒体通信系统必须正确反应它们之间 的这种约束关系例如保证声音与图像的同步 一些新的网络应用常常需要很大的带宽以支持实时数据服务 这种服务需求 与因特网的设计存在根本性的冲突b o h n e t a l在 1 9 9 4年指出新的因特网 网络拥挤与反应性定价模型 10 服务尤其是那些实时应用将对因特网产生灾难性的影响它们持续的高带宽要 求与因特网的架构存在根本性的冲突 要调整因特网服务模式以满足这些需求将 毫无疑问彻底毁灭现有因特网基础设施 实时数据服务的技术特性以及由此对网络的需求与传统的电子通信和数据 传输的技术特性有本质性的区别 然而因特网基础设施的设计却是为传统的电子 通信和数据传输而设计的传统的电子通信服务分布与一大群用户每个用户只 需要很少的带宽资源 然而新的实时音频和实时视频数据服务却需要长时间的连 续不断的数据流传输并要求保证端到端的网络可靠性即使网络传送数据的能 力通过升级传输能力和转换技术从而得到持续不断的提高但通信软件的发展 尤其是多媒体通信的发展每天都在创造新的数据服务 这些新的多媒体数据服务 消耗带宽的数度超出了网络服务商提供带宽的能力 多媒体应用因特网传真广播以及电话都是网络资源的大量消耗者 r u s s e l l在 1 9 9 3 年指出传送压缩声音只需要 2 . 4 k b s 的带宽 而传输光盘质量的 音响则需要 3 . 8 4 兆的带宽实时压缩视频所要求的带宽从 2 8 8 k b s 到 2 兆不等 而一些电影质量的视频则需要消耗每秒高达 4 兆的带宽 可视会议所需的带宽从 1 2 5 k b s到 1兆不等虽然压缩技术发展得很快这些服务对带宽得需求还是很 大 毫无疑问 数据服务发展的趋势是朝着消耗大量带宽的实时数据应用方向发 展这些需求与现有因特网的架构及其协议本质上无法兼容 三因特网的私有化以及商业化 因特网设施正在经历一场大规模的私有化和持续不断的商业化进程 而同时 很多国家又在大力倡导国家信息基础设施建设 所有这些都导致了因特网的飞速 增长快速增长的背后也意味着超过现有供给水平的带宽需求 在 1 9 9 1 年之前美国因特网的主干网主要由政府提供1 9 9 2 年 1 2 月 2 3 日 美国国家自然基金会宣布停止资助美国因特网主干网络 克林顿政府致力于推进 私人资本投资于国家信息基础设施这导致了因特网设施的私有化1 9 9 4年 美国国家自然基金会新的因特网架构将利用四家新的因特网接口它们是 a m e r i t e c h , p a c b e l l , m f s 以及 s p r i n t , 并由 m c i 来经营因特网高速主干网络服 务 一些传统的电讯公司由于国内市场日益饱和并且竞争日趋激烈不得不将 目光转向高级数据服务市场这个市场正以四倍于语音服务市场的速度增长受 到克林顿政府的国家信息基础设施计划的刺激很多通信公司也卷入这个市场 如此以来电话公司电视网络电影公司以及主要的软件开发商都全力以赴以 便能从国家信息基础设施特别是因特网的建设热潮中获取利润 在所有这些参与者中电话公司软件和有线公司都致力于影响市场的最致 命的一方面用户用户界面更友好的软件以及不断改善的服务质量再加上积 极的市场营销对市场产生了双重影响一方面他们使得那些原来游离于因特网 之外的电脑盲也能够以成本更低更有效的方式连入因特网另一方面他们又 推动了用户界面更友好的浏览软件的开发 第二个因素对网络使用的广度以及有 效的网络浏览器的数量产生了多重影响 b e r n i e r早在 1 9 9 4年就指出电话和有线电视台早就开始酝量他么雄心勃勃 的因特网计划a t & t 小贝尔电话公司以及美国许多大的电信运营商和有线电视 网络拥挤与反应性定价模型 11 台都开始向客户提供因特网介入服务 显而易见由于电话公司软件开发公司和有线电视台的加入用户界面变 得越来越友好接入因特网的机会越来越普遍以及费用越来越低因特网用户数 目由此将会不断翻倍 随着很多不兼容的 对带宽消耗极大的因特网应用服务的不断开发以及因特 网用户的大量增加对因特网资源的需求也可能以指数的速度递增这样再因特 网基础设施上就会产生越来越严重的拥挤由此随着网络资源的日益匮乏以及 整个系统趋于免费有必要对带宽资源通过价格机制进行配置然而关键的问 题是价格机制的设计应该能够反映因特网于生俱来的分散性特征向市场发出 正确的信号并能够适应由技术政治以及软件发展所导致的变革 许多因素交织在一起导致了因特网上的拥挤变得越来越严重这些因素中 最主要有三个因素扮演了极其重要的角色这就是现有的网络服务定价模式存 在缺陷 消费者日益增长的需求以及对新的因特网服务的需求与现有因特网架构 不相兼容因特网的私有化以及商业化这些因素所导致的结构性影响是如此之 大以至于我们必须重新思考因特网中所包括的经济系统 2 0 世纪 7 0 年代美国政府在石油禁运后颁布石油限价法令结果接下来出现 的情况是加油站前排起等待加油的长龙 现行因特网的状况就和美国当年的石油 限价一样 对带宽无限制的需求和缺乏有效的定价机制使得因特网的拥挤问题越 来说严重定价的限制一方面无法利用价格机制分配带宽资源另一方面又使得 资源的供给缺乏动力因此市场无法出清这样不可避免地会出现网络拥挤通 过拥挤来配置资源 网络拥挤与反应性定价模型 12 第二章 网络拥挤的后果及其解决方案 第一节 网络拥挤的后果 一网络拥挤的成本 嵌在因特网中的 t c p / i p 协议 很容易使得因特网发生拥挤 某个数据流量极 大的分区用户接入区域间网络可能网络的很多节点以及主干网的负荷过重从而 使许多其他用户的数据包传输发生延迟或者甚至发生数据包的丢失 网络是延迟 数据包的传输还是丢失数据包主要依赖于传输协议然而由于 t c p / i p协议所 遵循的是先来先服务的原则来分配带宽资源 因此用户付出的拥挤成本主要表现 为数据包传输延迟和数据包丢失由于现有软件的技术的不断发展一个普通的 用户完全有可能发送一系列实时视频数据包给其好友 从而可能占有数 g 的主干 网带宽这样所有其他用户将不得不付出极大的等待成本甚至会使数据包丢失 这样因特网的拥挤成本并非臆想确确实实是一个严重的问题虽然说用 户怎样网络发送数据并不重要 但是因特网的设计却并不能保证所有用户能够同 时向网络发送数据包 随着新的因特网服务例如网上会议以及诸如虚拟线路资源 预定的传输服务的开发应用网络必须能够保证这些服务的质量 实际上不断变化的网络数据流量特性导致了一个经济问题的产生那些毫 无限制用因特网传输带宽消耗极大 与因特网架构不相兼容数据的网络用户给导 致了社会成本的产生 这种社会成本反映在那些用因特网传输传统的异步数据服 务例如 e - m a i l , f t p 以及 g o p h e r 的用户数据包的延迟和丢失上这样一来固 定收费并不能向市场发出一个明确的价格信号以便能够最小化社会成本并且以 更有效率的方式分配网络资源 这里存在一个潜在的问题假如现有的固定收费机制持续进行下去其结果只能 是新的因特网服务将传统的服务挤出市场 传统的固定定价机制天生就存在一个 问题那就是使用传统服务的用户补贴使用新的消耗带宽极大的因特网服务 的用户这个问题的存在对因特网的发展是一个极大的威胁因此有必要实施 一种新的定价机制 这种定价机制能够确保带宽资源的有效分配并且能够确保因 特网能够回归其自由的分布式结构 尤其是当因特网越来越演变成为一个强大的 最有发展前途的通信媒介时这种定价机制尤其重要 网络拥挤与反应性定价模型 13 二网络拥挤的外部性 拥挤是一种缺乏效率的资源分配方式因为资源的分配是通过等待完成的 通常这种分配方式会把资源分配给那些时间机会成本较低的用户 而非那些价值 较高的用户拥挤问题越来越严重其根源就在于网络资源的定价机制除非建 立一种有效的定价机制否则因特网的拥挤问题不会缓解 有效的市场价格能够促使用户做出有效率的消费决策 能够提供足够的激励 机制使得网络资源供给商持续不断地增加投资 使得资源的需求和供给能够保持 均衡并且让市场选择最好的网络服务提供商有很多技术性的方法可以解决现 行和潜在的网络拥挤问题 然而最为有效的解决网络拥挤的方法不是用最好的技 术而应该是让竞争性的市场选择接入价格让市场决定最好的技术现行的定价 方法只会增加网络的拥挤并且阻碍了市场选择最好的网络服务商 网络拥挤导致了很多方面的无效率 首先统一定价意味着对增量数据服务的零定价也即边际价格为零这就 使得高价值用户无法占有对低价值用户的优先权因此稀却资源没有分配给高 价值用户 由于利用等待来分配资源取决于用户的时间机会成本而非传输数据的 价值由于高价值用户的时间成本较高因此高价值用户不得不放弃等待而寻求 其他的资源利用机会这就导致了资源的无效使用 美国信息学家 b r u c e r . k i n g m a 1 1 在 1 9 9 6年提出基于信息拥塞理论的因特 网定价基本模型 图 2 - 1 表示了在某特定 1 小时内用户使用因特网的边际收效和 外在性成本图中的边际收效曲线等于用户个人的收益减去在这 1 小时内 使用因特网花费的时间的机会成本它描述了各个用户的个体收益在点及 小于点, 因特网是一个无竞争的商品, 任何用户使用它的边际成本都为 0 随着 用户量比稍微增大一点时, 在这一点就有经济上的功效问题而当用户数远远 大于时, 用户进入因特网的速度减慢, 从而产生了拥塞的外在性成本 为计算拥 塞的成本, 假定用户数大于因特网上每增加 1 个用户, 则该用户会使因特网每 小时变慢 0 . 0 1秒如果对每个用户而言这一减慢是很微小的, 但因= 6 0 0 0 0 , 那 么, 对整个因特网用户而言, 总共就慢了 1 0 分钟或 6 0 0 秒假设因特网用户的平 均工资是1 2 / , 则每增加 1 个因特网用户就增加了2 的额外成本最初这个 成本很小, 但随着用户量的增加, 拥塞度增加, 额外成本增加 因特网用户不会感觉到他们给别的用户强加了成本, 每个用户都只会感知到 自己使用因特网时的边际收益, 并将不停地进入因特网直到用户个人的边际收益 降为 0 ( 个用户) 在图 1中, 进入因特网的用户数将不停增加, 进到达到 如果= 9 0 0 0 0 , 则每增加 1 个用户, 该用户强加在其他用户身上的额外成本为 3 达到 9 0 0 0 0用户量时, 每个用户获取信息的速度减慢, 使用户每人原来在无拥 塞情况下只要 1 小时就能获得的信息, 现在要多花 5 分钟使用因特网的社会最 经济水平在图 1 中是个用户, 此处, 每增加 1 个用户其边际成本等于用户从因 特网获得的收益例: 如是第 7 5 0 0 0 个用户, 则这个用户给因特网使用增加的 边际外在性成本是2 . 5 0 , 等于每个增加的用户 1小时从进出因特网获得的边际 收益因为这第 7 5 0 0 0个用户给其他用户增加了成本, 但他从中获得的收益大于 这一成本, 所以因特网允许用户进入当用户数大于时, 新增用户带来的拥塞 成本大于他们从进入因特网获得的边际收益 为达到使用因特网的社会最经济水 网络拥挤与反应性定价模型 14 平, 在某给定时间内, 只应有个用户被允许进出因特网保证这一用户数量水 平的最简单办法是让用户每使用因特网 1小时付费2 . 5 0 在这种情况下, 只有 那些从使用因特网中获得的边际收益大于或等于2 . 5 0的用户愿意付费并使用 因特网, 而在与之间的用户得到的收益少于2 . 5 0 , 则他们就不愿付费使 用因特网( 这一费用即他们进入因特网时强加在其他用户身上的外在性成本) 图 2 - 1 因特网上拥挤的外部性成本 其次由于网络随时会出现拥挤因此降低了数据服务得以完成的可能性 也就是说网络服务的质量下降了从而降低了整个网络的价值 网络拥挤是一种典型的外部不经济这种情况类似于空气污染或者是自然资 源状况的恶化如果一种资源属于公共所有 1 2 那它实际上就等于没有所有者 这样如果不实行资源配给对资源的使用就不能排他并且资源的使用者不 会有保护资源的动力同样的情况也适用因特网任何用户的数据服务都给其他 用户带来了成本 当带宽资源是稀却资源时用户们相互竞争想要成为最先利用带 宽资源的幸运者因此所有理性的用户都会尽可能地保持和网络的连接因为他 们知道一旦断开连接那么再次接通的可能性就很低了 解决因特拥挤的最有效途径就如解决其他的外部效应一样利用定价机制来 分配网络资源 有效定价机制能够自动使带宽资源的需求和对带宽资源的供给保 持均衡相反现行的边际价格为零的统一定价法只会使网络拥挤越来越严重 mb 边际拥挤成 本 $2.5 $3.0 边际收益 1 小时用户数 q q q 网络拥挤与反应性定价模型 15 第二节 解决网络拥挤问题的主要方法 一利用非价格机制来解决网络拥挤问题 一t c p / i p 协议的工程解决方案 t c p协议有自适应特性它本身具有避免网络拥塞发生的机制t c p的拥塞 控制是基于滑动窗口协议的 通过限制发送端向网络注入分组的速率而达到避免 拥塞的目的 决定发送窗口大小的因素有两个 第一是接收方所通告的窗口大小 第二是发送端的拥塞窗口的大小发送窗口取二者中较小者的大小在非拥塞状 态下拥塞窗口和收窗口大小相等一旦发现拥塞t c p就把拥塞窗口减半这 样拥塞窗口呈几何级数减小 而发送方发送分组的速度和重传分组的速度也呈几 何级数减小最终呈现简单停等状态从而化解网络拥塞t c p 发现拥塞的途径 有两条一条是来自 i c m p 的 s o u r c e q u e n c h 分组另一条是分组丢失 拥塞结 束后t c p 又采取一种算术级窗口恢复策略以避免迅速增加窗口大小造成的振 荡这种策略叫做 慢启动 慢启动的过程是当在一条新的或经过拥塞后又开 始恢复的连接上传输数据时都要从大小为 1 的拥塞窗口开始之后每收到一个 确认拥塞窗口大小增加 1 另外t c p还附加一条限制当拥塞窗口增加到原 大小的一半时进入 拥塞避免 状态在该状态下t c p 在收到窗口中所有分组 的应答后才将拥塞窗口加 1 当网络发生拥塞的时候人们最容易想到的方法就是设置一个大容量的缓冲 区把所有新到达又来不及处理的分组都保存在缓冲区中当系统空闲时再来处 理这些保存起来的分组然而实际上缓冲区的容量总是有限的当网络持续拥塞 时缓冲区总会填满填满后新的分组到达时就只能丢弃虽然这种拥塞控制 方法简单直观易于实现但它存在许多缺点并不能在实际中采用首先 t c p流具有自适应特性t c p源发现分组丢失就急剧地减小发送窗口分组到达 速率就迅速下降甚至停止于是网络拥塞得以解除但 t c p 源得知网络不再拥塞 后又开始提升发送速度最终又造成网络拥塞而且这种现象常常会周而复始地 进行下去这就是所谓的全局同步g l o b a l s y n c h r o n i z a t i o n 全局同步会造 成物理线路的利用率很低网络吞吐率很小其次当存在占用大量带宽的对 t c p不友好的流时网络可能会持续拥塞t c p流分享不到应有的带宽所以该 方案也不能保证公平性另一方面缓冲区也不能无限制地增大因为在缓冲区的 队列太长就无法保证端到端延时 虽然从技术管理的角度可以考虑将各种不同的信息流赋予不同的优先级别 从而解决拥挤问题 1 3 这看来很是吸引人但作为一个长期解决问题的方法显然 是很不可取的因为我们知道配给制是缺乏效率的并且从技术角度来说 还存在一个严重的问题几乎无法实施从因特网的角度来说比特和比特之间 没法区别出各种信息的种类 传统做法是在各信息包的 t c p 标记中使用特定的标 志1 9 8 7 年 n s f n e t 就是这样来定义不同的优先级别然而将信息包头的标志 偷梁换柱并非难事 例如可以将文件传输信息包头部的标志换作远程登陆信息包 的标志这就是为什么 n s f n e t一直将其确定优先级别的保密的原因然即使这 样这也不是一个解决问题的长期办法 网络拥挤与反应性定价模型 16 二因特网用户的主观约束 很多人提议通过主观约束来控制拥挤的产生 许多人相信来自其他用户的压 力以及道德伦理观能够足以控制拥挤成本的产生例如一用户向全世界的主机 播放一个 3 5 0 - 4 5 0 k b p s 的音像测试版文件 致使网络处理来自一芬兰大学的音频 播放文件的能力受阻 一知名的网络工程师给该用户所在的管理器发了一封措辞 强烈的信件该工作站被迫断开连接然而这个例子也说明了依赖来自其他用 户的压力来控制网络拥挤所存的问题 网络无效使用的问题依然存在直至网络产 生了严重的阻塞问题 并且问题可能是由于网络新手并不明白其操作对于别人产 生的后果而造成的随着网络的普及率日益提高会有越来越多的网络新手使用 网络而由于操作不当所产生的问题也会越来越严重而对于那些故意使网络拥 挤的用户来说来自其他用户的压力根本就不管用 1 9 8 7 年 n s f n e t 曾倡导用户使用另一种主动约束的方法该方法要求用户标 明其将要发送的信息包的优先级别 由路由器将相同优先级别的信息包排在同一 列很显然这种机制能否成功依赖于用户愿意将各自的信息包赋予较低的优先 级别然而很难相信每个用户都具备这种利他精神任何情况下只要有某一 个或某几个破坏性的用户能有机会让网络发生近乎瘫痪性的拥挤 那么这种依赖 用户自行约束的机制就必定是没有效率的 因为它无法控制某些网络新手因为操 作不当以及那些恶意破坏者所造成的严重的网络拥挤问题 事实上现行网络上确实存在一些主动约束的机制这种机制之所以有用部 分是因为多数用户并不知道这种机制的存在 或者是因为要破坏这种机制需要某 些编程的专业知识例如多数 t c p 协议通过一个函数来控制数据的传输是基于 目前网络的延误状态之上的而一些有经验的恶意用户完全可以通过更改 t c p 的设置来提高其数据的传输从而造成网络拥挤 三冗余宽带供给 从技术角度考虑还有另一种完全不同的方法可以用来解决拥挤问题冗余 带宽供给冗余带宽供给意味着供给足够的带宽能够满足高峰期的带宽需要使 网络不会产生显著的传输质量下降 这已经成为目前因特网上应用的最重要的控 制拥挤问题的机制了然而冗余带宽供给是要花费巨大的成本的并且随着 一些要求更高带宽的应用被开发出来以及全球范围内的宽带接入要求这种冗 余供给带宽的代价会越来越昂贵更简单来说带宽需求增加的速度会不会比带 宽供给成本下降的速度更快呢 考虑到对带宽需求的爆炸性增长 而开发一个新的网络协议所要的时间将会 极其漫长如果带宽生产的生产力不能显著增加那么因特网的拥挤问题将会越 来越来越严重因此有必要认真考虑各种激励机制来分配带宽例如各种形式 的拥挤定价机制 四承诺信息流定价法 按照该法用户交纳的费用包括两部分其中一部分是基于所连接的带宽 该带宽是最大的可行的信息流速 而另一部分是基于最大可以向客户保证的信息 网络拥挤与反应性定价模型 17 流流速 网络服务提供商配备足够的带宽以满足所有客户能够同时享有所承诺的 信息流速并对各用户的连接进行监控当一些用户实际使用的带宽比所承诺的 带宽要低时多余的带宽则按照先进先出的原则分配给其他用户然而此种 定价方法只能在一些私人网络而不能在诸如因特网这样的公共网络上实施 因为 要保证 tcp/ip 信息流速需要众多的网络相互协调 使用这种承诺信息流定价法的网络服务提供商通常配备足够的带宽可以 满足承诺的带宽需要这有点象一家银行持有 100的储备以避免所有储蓄者在 同一天挤兑然而在现行的 tcp/ip 下因为没有一种通用的方法可以对信息 包的优先级别进行标记而信息流的随机波动又很大因此提供足够的带宽是极 其必要的 二利用定价机制来控制网络拥挤 那么还有没有其他有效的解决拥挤问题的办法呢经济学家愿意通过收取 某种拥挤价格来解决拥挤问题 然而迄今为止对主干网几乎还未曾认真考虑过拥 挤定价的问题 即使是基于使用情况的浮动定价法的一些尝试也遭到了猛烈的反 对我们接下来回讨论定价问题 正统的地经济理论认为定价应受制于成本14对于因特网主要存在三方面 的成本连接网络的成本增加网络带宽的成本以及拥挤的社会成本对于已经 建立起来的给定带宽的成本直接的使用所带来的成本可以忽略不计甚至还覆 盖不了为了收费而耗费的簿记和收费的成本对网络连接进行收费的道理很明 显连接网络需要线缆路由器以及人工线缆和由器的投资必须得收回因此 用户需要付给网络服务商年租金虽然很多用户自己购买路由器但他们仍然得 为线缆付费这实际上就是现行定价法中的因特网连接费对于增量带宽需要 进行收费必须了解用户对信息的需求 最理想的情况是 在预期的网络高峰期时 我们需要衡量用户的需求并确定每个用户在增量带宽需求中所占的比重实际 做法中象输送电力那样对事先确定的高峰期中的带宽使用进行合理估计并根 据该估计收取一个不为零的价格然而实证发现对因特网高峰期进行估计比对 其他公用事业例如电力高峰期估计更难做到 其中原因之一便是电脑可以很容易 对很多活动进行重新规划这便导致了高峰期的转移例如目前网络使用的一 个主要方面是文件传输由于许多文件传输需要大额带宽因此用户往往想在非 高峰期传输文件如果大量用户进行此类规划自然便产生了高峰期的转移此 外很多流量基本上是环游全世界而各地的时差影响极其巨大因此网络统计 发现因特网的高峰期极其不规则 目前的因特网保证的是尽最大努力传输信息包的服务质量信息包的传 输遵循先来者优先的原则但并不保证信息包传输的成功有些信息包传输时可 能遭受严重的耽搁甚至会被丢失 然而不同的数据需求对因特网的要求并不一样e - m a i l和文件传输要求 1 0 0 的精确度但却可以忍受一定程度的耽搁实时音频广播要求比文件传输 更高的带宽可以忍受的延误程度较小但却可以忍受相当程度的失真而实时 视频点播几乎无法忍受传输延误和文件失真 声音电话网络可以为每一次呼叫提供一条给定带宽的物理电路 从而可以保 网络拥挤与反应性定价模型 18 证最低程度的服务质量其局限性在于建造网络时必须为每个呼叫搭建一条线 路我们在上面讨论过因特网的资源是共享的在不同的数据应用对带宽的不同 需求之间进行协调这样就能达到节约资源的目的而要对不同用户的不同带宽 需求进行保证只可能是动态的也就是说让用户申明其每次数据需求的带宽以 及什么样的延误级别然后根据其需要分配带宽 由于不同的数据需求对带宽资源的要求不一样 如果对不同的数据需求进行 区别对待例如视频文件的延误与 e - m a i l 以及文件传输的延误级别区别开来 那么因特网的使用效率无疑会大幅度提高要达到这个目的用户必须能真是地 表明其传输的是何种类别的数据然而问题是如果大家知道视频信息包可以 获得最高级别的服务质量那么大家对可能宣称其数据包是视频信息包从而获 得最高级别的服务质量 这样就有必要应用价格机制来解决这个问题 用户可以标明其传送数据的服 务级别用户工作站将该服务级别报告给网络为确保用户偏好的真实性服务 级别的报告机制必须与收费机制协调起来这样用户支付的价格就反映了其服 务级别的偏好 就因特网的收费问题到目前为止仍然有各种抱怨的声音事实上迄今为 止仍然有相当多的网民在享受着免费的因特网服务 大多数大学的工作人员和学 生经常用 e - m a i l代替电话联系其可以上网的家人和朋友还有一些用户通过因 特网传真文件 但却仅仅支付本地的电话费而并不支付其使用因特网所应该支付 的费用早在 1 9 9 5年一些因特网声讯电话软件版本就已经开发出来了通过 该软件人们可以在因特网上进行双向通话因此占用了相当大的带宽由此使其 他用户的因特网服务遭受了显著的质量下降 然而这些进行双向通话的用户却并 不需要支付代价以弥补别的用户因为服务质量下降所导致的成本然而人们忽 视了这样一个问题 为什么数据网络甚至对大学这样的机构用户免费而电话和 邮递服务却并不免费问题的实质也就是 到底对因特网收费使社会获得更大的 福利还是不收费使社会的福利增加 我们已经讨论过其他控制网络拥挤的方法或者具有很多缺陷或者会带来一 些大家不愿看到的负面效应 通过价格机制控制网络拥挤具有所有其他方法没有 的优点 价格机制会使用户 个人或者组织 知道他们所使用的网络的真正价值 因此在网络拥挤的时候定价机制会提供准确的信息将稀缺资源分配那些出价 最高的用户 这就没有必要制定人为的优先级别或者迫使那些出价最高的用户的 信息包因为遵循先来先传输的原则而被延误 网络拥挤与反应性定价模型 19 第三章 反应性定价模型 第一节 网络服务质量和效率 一 基于用户偏好的网络服务质量( q o s ) 因特网的发展使得越来越多的用户都能够使用因特网来满足他们的数据服 务要求w w w 服务的迅速发展各种文献检索和浏览器的蓬勃发展大大激发了公 众对因特网的热情 各种各样因特网服务的开发 尤其是多媒体数据服务的开发 使得因特