基于服務模型的定價機制研究綜述

劉燕 鄭明春

山東師范大學管理科學與工程學院 山東 250014

0 引言

近幾年，隨著高帶寬需求、低時延、低抖動等高QoS要求應用的不斷涌現(xiàn)，人們開始越來越多的關注QoS及網(wǎng)絡效率問題。根據(jù)業(yè)務有無質(zhì)量要求，網(wǎng)絡業(yè)務可分為保證業(yè)務和盡力而為業(yè)務。保證業(yè)務具有業(yè)務質(zhì)量保證，具體表現(xiàn)在服務性能的某些參數(shù)上，要滿足這些保證通常需要預留資源。盡力而為業(yè)務則沒有質(zhì)量承諾，網(wǎng)絡總是盡力的為每位客戶提供最好的質(zhì)量。

傳統(tǒng)的盡力而為服務模型只是盡力為客戶提供最好的服務，并不能保證服務質(zhì)量，為了向用戶提供具有QoS保證的服務，人們提出了集成服務模型，集成服務模型雖然能夠通過RSVP協(xié)議為每個應用流提供服務質(zhì)量保證，但是逐個流的資源預約代價太大，可擴展性差。區(qū)分服務模型隨之出現(xiàn)，從盡力型服務到集成服務，再到區(qū)分服務模型的出現(xiàn)，Internet網(wǎng)絡服務模型經(jīng)歷了服務粒度由粗到細，再到適中的過程。

隨著網(wǎng)絡服務模型的不斷發(fā)展，與之相適應的定價機制也在不斷改進，如何設置與網(wǎng)絡服務模型相一致的定價機制成為研究的重點，考慮現(xiàn)有基于服務模型的定價研究，進行分析與評價，針對網(wǎng)絡服務模型，考慮現(xiàn)有基于服務模型的定價研究，并進行分析與評價。

1 盡力而為服務定價

在提供盡力而為服務的網(wǎng)絡中，ISP通常不會采用QoS控制機制，所提供的服務基本上沒有QoS差異，因而ISP只需采用基本的網(wǎng)絡定價模型來保證利潤最優(yōu)即可。此時的定價往往是在網(wǎng)絡邊緣進行的，用戶的使用費用由接入網(wǎng)直接決定而與傳輸過程中經(jīng)過的中間網(wǎng)絡無關，此種定價方式稱為邊緣定價。適合邊緣定價的定價模型包括定額收費、按使用量進行收費。而對于擁塞定價，由于擁塞可能發(fā)生在傳輸路徑上的任意一鏈路上，價格應該按照鏈路的使用狀態(tài)來進行設置，因而不適合使用邊緣定價方式。

在盡力而為服務網(wǎng)絡中實行邊緣定價主要基于以下兩方面的考慮。一方面，因為不同自治域的網(wǎng)絡用戶通常由當?shù)胤仗峁┥踢M行管理與收費，因而在接入端進行收費會比較現(xiàn)實。另一方面，因為網(wǎng)絡提供的是盡力而為的服務，ISP對通過其網(wǎng)絡的流量不提供任何QoS保證，因而邊緣定價更加合理。在盡力而為服務網(wǎng)絡中，接入網(wǎng)的ISP可以通過預測網(wǎng)絡狀態(tài)來預測網(wǎng)絡擁塞狀況，并以此與用戶進行協(xié)商并達成相應協(xié)議。這種收費方式執(zhí)行起來相對簡單同時也有利于ISP與用戶之間的交流，一方面ISP可以根據(jù)網(wǎng)絡狀況動態(tài)的調(diào)整價格，另一方面用戶也可根據(jù)對效用水平的預期調(diào)整其需求。但是由于網(wǎng)絡的分布式特性，邊緣定價無法實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的擁塞控制，因而也就無法向用戶提供QoS保證或為業(yè)務提供差異化服務。

為在盡力而為網(wǎng)絡中提供差異化服務，ISP可以采用優(yōu)先級定價策略。其中最為著名的是PMP(ParisMertoPircing)，PMP來源于巴黎地鐵交通管理規(guī)則，在地鐵管理條例中列車分為兩類，它們都提供相同服務質(zhì)量的座位，但是兩個類別的車票價格卻不同，較為昂貴的列車不太擁擠，因此乘客可以獲得好的服務質(zhì)量。在PMP模型中，網(wǎng)絡被分成若干個邏輯上完全獨立的子網(wǎng)(或業(yè)務類別)，每個子網(wǎng)都分配給一定數(shù)額的容量。PMP并沒有嚴格的QoS保證，但是通過制定不同的價格，理論上選擇更高價格的業(yè)務的用戶可以獲得更好的服務質(zhì)量。PMP實施起來很簡單，可以在數(shù)據(jù)包中添加優(yōu)先級標識，路由器負責對其進行檢測并執(zhí)行基于優(yōu)先級的調(diào)度或分組處理，用戶則可以根據(jù)提供的業(yè)務質(zhì)量的不同選擇相應的邊緣網(wǎng)絡運營商。

巴黎地鐵定價具有如下優(yōu)點。首先作為一種邊緣定價策略，其實施簡單。其次，因為網(wǎng)絡運營商通過定價對用戶進行劃分，因而能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的網(wǎng)絡資源管理及差異化服務。但是，PMP雖然實現(xiàn)了差異化服務，但是無法提供確切的QoS保證，只是理論上用戶所選擇的業(yè)務價格越高，所獲得的服務質(zhì)量越好。此外，PMP不利于網(wǎng)絡最大化的利用網(wǎng)絡資源。最后，不同子網(wǎng)使用的定價策略可能不同，因而PMP只適用于只有一個ISP的網(wǎng)絡。當模型擴展到具有多個小型網(wǎng)絡的復雜網(wǎng)絡環(huán)境時，就需要各個網(wǎng)絡之間就價格設置及利潤分配進行協(xié)商。

類似于巴黎地鐵定價策略，Dube等人提出了一種基于隊列管理的區(qū)分服務方法。對于用戶來說，每個用戶根據(jù)隊列的長度及價格選擇加入哪個隊列，供應商則執(zhí)行基于優(yōu)先級的隊列調(diào)度來實現(xiàn)差異化資源分配。不同于PMP的是，用戶可以根據(jù)隊列的長度來估計網(wǎng)絡的擁塞狀況，然后根據(jù)給定的價格及估計的擁塞狀況選擇服務隊列。基于此建立的定價模型是以利潤最大化為目標的動態(tài)定價模型，Dube通過馬爾可夫決策理論(MDP)建立了系統(tǒng)模型，并提出了動態(tài)價格調(diào)整算法。

2 QoS保證服務定價

為了解決QoS差異化及網(wǎng)絡資源利用率低等問題，人們將關注點逐漸轉(zhuǎn)移到對差異化服務的研究。Cocchi 等人最早提出基于優(yōu)先級的定價策略來反映QoS差異化與資源利用率之間的關系，他主張在IP數(shù)據(jù)包中添加優(yōu)先級標識并通過優(yōu)先級隊列及調(diào)度來實現(xiàn)QoS。隨著網(wǎng)絡服務類型的日益增多以及網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，基于網(wǎng)絡結構的定價吸引了越來越多人的關注，為實現(xiàn)QoS保證，人們對基于資源預留以及流聚合的網(wǎng)絡結構進行了深入研究，提出了相應的定價模型及支持QoS保證的定價機制。

2.1 基于優(yōu)先級的業(yè)務定價

根據(jù)業(yè)務的流量特征或其QoS需求，可以將業(yè)務分為不同的類型，ISP可以對業(yè)務類型進行劃分，設置不同的服務級別?；趦?yōu)先級定價的主要思想是把所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照服務級別分類，不同的服務級別得到不同的服務，不同的服務收取不同的服務費用，得到的服務越好，收取的費用越高。

Peter Marbach提出了一種按照嚴格優(yōu)先級服務的靜態(tài)定價方法，價格事先確定。用戶根據(jù)不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)傳送概率，來調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送量和所使用的優(yōu)先級，以此來達到效用的最大化。Donnell及Sethu提出由最終用戶系統(tǒng)為數(shù)據(jù)包設置優(yōu)先級或服務級別，路由器根據(jù)優(yōu)先級標識將數(shù)據(jù)包分配到不同的隊列，以確保用戶獲得相應的服務質(zhì)量，至于價格的傳遞，只需在數(shù)據(jù)包中設置相應的價格位，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，價格領域被填寫，這樣當數(shù)據(jù)包到達目的地時，價格信息會被復制到應答數(shù)據(jù)包中并返回給發(fā)送方，發(fā)送方又可以根據(jù)獲得的價格信息來確定下次所要選擇的服務級別。

在很長一段時間內(nèi)，如果價格和流量都比較穩(wěn)定，則優(yōu)先級定價可以實現(xiàn)較好的性能差異。但是在短期內(nèi)，高優(yōu)先級的服務可能會遭受更高的丟失率、時延及擁塞。為解決這個問題，文獻研究了比例區(qū)分服務模型，它提供一種相對動態(tài)的帶寬資源劃分機制，ISP并不為每個業(yè)務級別分配固定的帶寬資源，而是通過一定比例的性能保證來實現(xiàn)可預見和可控的QoS區(qū)分。

2.2 基于集成服務模型的業(yè)務定價

在盡力而為的網(wǎng)絡和簡單的基于優(yōu)先級的服務網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡無法提供嚴格的QoS保證。本節(jié)將討論通過資源預留來實現(xiàn)QoS保證的集成服務(IntServ)機制。集成服務模型的設計目標是為盡力型服務網(wǎng)絡增加端到端的服務保證，以適應新出現(xiàn)的實時媒體流和交互式應用。該模型要求路徑上所有路由器節(jié)點都要對每個流的信令消息進行處理，并維護每個流的路徑狀態(tài)和資源預約狀態(tài)，執(zhí)行流的分類、調(diào)度和緩沖管理。集成服務模型的關鍵技術是RSVP資源預約協(xié)議，RSVP協(xié)議的兩個基本報文類型是Resv(預約)和Path(路徑)。

Karsten等人研究了一種適用于RSVP的定價機制。其主要思想是在RSVP消息中添加與價格有關的信息以實現(xiàn)資源預留和價格協(xié)商。特別的，作者在PATH消息中添加了上游收費策略元素，在RESV消息中添加了下游收費策略元素。Clark提出了一種基于區(qū)域的定價或成本分擔模型，在此模型中，通過在IP數(shù)據(jù)包中插入支付意愿信息來表明發(fā)送者和接收者是否愿意支付高質(zhì)量服務。但是，它并沒有對動態(tài)定價和基于QoS的定價做進一步的研究。Fankhauser等人提出了一種適用于集成服務模型的基于RSVP的定價協(xié)議，作者指出通過兩種定價模型可以很好的實現(xiàn)本地定價，一個是基于拍賣的定價模型，一個是擁塞敏感的基于使用量的定價模型。但是此種定價需要假設網(wǎng)絡路由不受價格的影響，并且所有定價結點改變價格的步調(diào)一致。

基于流的資源預留是很難實現(xiàn)的，它需要實現(xiàn)基于流的擁塞控制，QoS路由以及相應的調(diào)度策略，這會帶來巨大的成本，增加網(wǎng)絡的復雜性，因而帶有QoS保證的集成服務模型并不常見，如何對IntServ進行改進并構建相應的定價模型還在進一步的研究中。

2.3 基于區(qū)分服務模型的業(yè)務定價

由于集成服務模型具有很高的復雜性和較差的擴展性問題，IETF提出了區(qū)分服務(DiffServ)模型，基于此結構的定價也被廣泛的研究。區(qū)分服務模型設計的基本思想是：在網(wǎng)絡邊緣進行不同服務級別業(yè)務流分組，而網(wǎng)絡核心僅需實現(xiàn)簡單的流量調(diào)節(jié)功能，從而達到功能擴展、降低復雜度的目的。具體來說，在用戶數(shù)據(jù)進入網(wǎng)絡邊緣(如端系統(tǒng)或第一跳路由器上)時，用戶與網(wǎng)絡提供者達成一個服務性能合約，此合約明確用戶業(yè)務流應遵守的流量特征和網(wǎng)絡所應提供的相應服務。數(shù)據(jù)流在進入網(wǎng)絡時，首先在分組頭的服務標識(DS)域中置入所需服務的對應標記碼，同時由網(wǎng)絡進行流量測量和分組流量特性標識。加上服務分類標志和流量特性標志的數(shù)據(jù)分組流經(jīng)各區(qū)分服務網(wǎng)絡中繼，由中繼節(jié)點根據(jù)上述標志進行不同的轉(zhuǎn)發(fā)處理，進而實現(xiàn)所需的服務性能。

文獻較早提出區(qū)別定價的思想，研究了支持優(yōu)先級服務的網(wǎng)絡中定價策略與QoS保證的關系，認為服務質(zhì)量敏感的定價機制具有更高的帕累托(Pareto)效率。文獻提出了一種在區(qū)分服務網(wǎng)絡模型中基于拍賣的資源分配和定價方法。模型中，不同的用戶提交自己的預期的帶寬價格和所需的帶寬量，服務提供商決定的進入價格以及為每類用戶提供的差異化服務，模型以最大化服務提供商的利潤為目標，并分析了存在一個單路徑瓶頸和存在多個路徑瓶頸下的最優(yōu)化解決方案。文獻針對區(qū)分服務網(wǎng)絡中的服務選擇和資源配置問題，研究了與之相適應的多QoS服務動態(tài)區(qū)別定價機制。假定各類服務的價格已知，探討用戶如何根據(jù)其預算約束和QoS要求，在各類服務間做出適當?shù)倪x擇，包括對服務類型和服務量的選擇。在資源量一定的情況下，探討網(wǎng)絡如何根據(jù)其資源約束和服務的實際使用狀況，在不同的時間尺度上調(diào)整各類服務的價格以及資源的配置方式，使價格設置與資源配置更加合理。

3 結語

本文考慮盡力而為和提供QoS保證兩種網(wǎng)絡服務模型，提出了與之相適應的定價機制，對于盡力而為服務模型，可以采用邊緣定價機制，對于后者，從集成服務和區(qū)分服務兩種模型入手，討論了現(xiàn)有對其定價機制的研究。對于邊緣定價，通過對擁塞進行預期及區(qū)分接入帶寬，可以達到一定的擁塞控制并實現(xiàn)優(yōu)先級定價，但是邊緣定價無法保證資源利用率及服務質(zhì)量。對于集成服務定價機制，雖然能通過資源預留對QoS進行保證，但是其機制本身的復雜性決定了其定價機制的復雜性，而基于區(qū)分服務的定價機制可以促進資源的有效利用并確保用戶之間的公平性。

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