多服务网络资源分配模型和定价机制研究

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计算机网络的研究经历了开放系统互联、高速网络及协议实现、高性能网络等发展阶段,目前正在进入高可用网络研究阶段。随着网络应用的日益普及和新型应用的不断涌现,网络的社会性也在不断增强,并推动互联网从单纯的信息基础设施,逐渐发展成为社会的重要组成部分。在此过程中,网络资源的控制和分配显得尤为重要,如何将有限的资源,以合适的方式,分配给适当的用户,发挥其应有的价值,成为网络研究工作者必须考虑的问题。采用经济学的理论和方法,对多服务网络的资源分配问题进行建模分析和研究,近年来受到研究人员的普遍关注。 论文从拥塞控制、QoS提供等网络资源分配常用的技术手段和面临的困境入手,分析了经济学方法应用于多服务网络资源分配问题中的必要性和可行性,并分别针对网络资源分配的优化目标、实现手段,以及定价机制在多QoS服务提供中的具体应用等方面存在的问题,进行了比较系统的探讨和研究。 论文包括三个部分的内容:第一部分(第二、三章),在现状分析的基础上,研究并提出具有一定经济学意义的网络资源分配优化模型;第二部分(第四、五章),针对有连接接纳控制和无连接速率控制两种情形,研究面向弹性非实时应用的网络定价和资源分配机制;第三部分(第六、七、八章),针对硬实时接纳控制、软实时速率控制,以及多服务网络优先级分配等情形,研究面向实时应用和特定QoS要求的网络定价和资源分配机制。具体来说: 第二章介绍了一些基本的经济学概念和思想,如效用、效用最大化和用户需求、总效用和社会福利最大化的资源分配目标等,分析了社会福利最大化目标与一些常用的公平性原则,如最大-最小公平、加权比例公平等的关系。概括了定价机制在网络资源分配问题中的应用和研究现状,介绍了拥塞定价和QoS定价的基本思想,对定价方法、定价实现机制等进行了比较全面的归纳分析,并结合价格作用的时间尺度、网络应用的连接特性和QoS要求等,给出了定价机制应用于网络资源分配问题的基本思路。 第三章分析了网络服务的生产和消费特性,给出网络资源分配的生产.消费概念模型,并采用福利经济学的分析方法,得到资源分配问题的优化目标,指出当社会福利函数取得最大值时,网络资源分配达到效率和公平意义上的最优。通过对资源约束、QoS约束等进行数学抽象,将资源分配的概念模型转化为一个多约束优化模型NRAP,并区分单节点和多节点情形,对模型做了进一步的分析,给出了求解示例。 第四章面向有连接的弹性应用,探讨了基于可变连接价格的TCP接纳控制问题。将该问题描述为追求连接阻塞率最小化和活动连接时长最大化的多目标优化问题,分别考察了在连接请求确定和随机到达时的连接价格确定问题,提出了在阻塞率不高于某一设定值的情况下,使得单位时间内期望活动连接时长最大化的连接价格调整算法,并给出了基于Socks代理协议的实现方案。 第五章面向无连接的弹性应用,探讨了基于拥塞价格的速率控制问题。针对已有的梯度投影算法收敛速度慢、效率不高的问题,提出了基于近似共轭梯度法的链路价格调整算法,分析了基于概率标记的端到端价格传递机制,并重点探讨了价格估计中的样本量选择问题,以使价格估计具有较高的精度和一定的可信度。在此基础上,把连接一级的接纳控制和分组一级的速率控制相结合,提出了基于多尺度拥塞定价的资源分配思想,以适应网络协议和算法部署的实际需要。 第六章面向有明确QoS要求的硬实时应用,探讨了基于有效带宽的接纳控制和网络定价问题。从有效带宽的“生产函数”特性出发,分析了以价格为导向、以费用最小化为目标的有效带宽资源组合方式,从相对价格和绝对价格调整两个层面,提出了追求分配步调一致和资源有效利用率的带宽/缓冲区价格调整算法。 第七章面向速率自适应和时延自适应的软实时应用,探讨了带拥塞补偿的网络定价和速率控制问题。对其网络费用构成进行了分析,提出了带拥塞补偿的网络定价机制和算法,对造成网络拥塞的数据流收取额外的拥塞费用,对受到拥塞影响的数据流给予一定的价格补偿。给出了拥塞/补偿价格的设置原则,并分析说明了算法的激励相容性。 第八章面向支持多种服务的区分服务/多优先级服务网络,探讨了基于区别定价的多QoS服务选择问题。将应用层面的QoS选择和设定,转化为技术层面的服务令牌分配问题进行研究,提出了基于预算约束和效用最大化的服务令牌分配机制以及基于服务令牌的端用户DSCP设定算法,并区分服务容量固定不变和动态调整两种情形,给出了网络端自适应的多QOS服务价格调整与资源分配算法。 实验结果表明,本文提出的网络资源分配模型、算法思想和网络定价实现机制,具有相当的可行性和一定的优越性。我们认为,将经济学理论和方法应用于网络资源分配问题中,将对网络体系结构的研究及其协议和算法机制的设计产生深刻的影响,它有助于从理论上明确网络资源分配的目标和要求,进而探讨有效的资源分配实现机制,为网络系统的设计和运行提供支持,并为最终解决网络中的服务定制、资源控制和用户管理等三大问题提供有益、可行的思路。
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