（计算机应用技术专业论文）基于sla和qos的计费系统设计和实现.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科、计算机应用技术 研究方向：计算机通信与网间互连技术 作者：2 0 0 7 _ _ 级硕士研究生奎正 指导教师：亟登堡班窥员 删删删肼删删删 17 5 4 8 9 2 题目：基于s l a 和q o s 的计费系统设计和实现 英文题目：d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no ns l a a n dq o s - b a s e db i l l i n gs y s t e m 主题词：服务等级协议，服务质量，计费，时间片，拥塞控制 k e y w o r d s ：s l a ，q o s ，b i l l i n g ，t i m es l i c e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l 课题来源：华为公司高校科技基金 y j c b 2 0 0 7 0 4 0 1 n ：基于q o s 和趾a 计费的 关键技术研究 南京邮电大学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 计费系统对于运营商来说是令极其重要的支撑系统，不仅可以用于统计用户的费用，而且还 可以用来监控网络数据流量，优化网络资源分配。随着多媒体业务的层出不穷，对网络服务质量提 出了不同的要求。而现有的计费系统存在计费方法简单、计费规则不合理、不能有效控制拥塞等问 题，已经严重制约网络用户的发展和新业务的推广。 本文在研究现有计费技术的基础匕，针对下代网络的特点，将s l a ( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ， 服务等级协议) 引入计费系统，对基于s l a 和q b s 计费系统的关键技术进行了深入研究。 本文的研究点主要包括三个方面： 首先是对计费策略的研究，这部分提出了区分业务和等级，进行差别定价，制定多种费用的价 格体系，利用价格杠杆，促使用户选择合适的业务类型，对用户实行差别服务，对用户在不同情况 下的资源使用服务进行计费，提高了计费的合理性。 其次是对队列调度算法的研究，这部分提出种基于s l a 的时间片散列调度方法。通过对时间 片的预排和动态调整，精确保证( b s 的多种参数。 最后是对拥塞控制系统的研究，这部分提出一种基于计费策略、用户主动参与，源端、网关、 网络节点相互协调的综合拥塞控制方案。 系统测试表明，本计费系统能够为用户提供差异化的服务，保证q 1 0 s ，控制网络拥塞，合理分 配网络资源。 关键词：服务等级协议，服务质量，计费，时间片，拥塞控制 南京邮电大学硕上研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t f o ro p e r a t o r st h eb i l l i n gs y s t e mi sav e r yi m p o r t a n ts u p p o r ts y s t e m ，n o to n l yc a n b eu s e df o rc o u n t i n gu s e r s f e e s ，b u ta l s oc a l lb eu s e dt om o n i t o rn e t w o r kt r a f f i ca n d o p t i m i z en e t w o r k r e s o u r c ea l l o c a t i o n w i t ht h em u l t i m e d i as e r v i c e s e m e r g i n g e n d l e s s l y , t h e r ea r ed i f f e r e n td e m a n d si nt h eq u a l i t yo fs e r v i c e h o w e v e r , t h e r ea r e s o m ep r o b l e m si nt h e e x i s t i n gb i l l i n gs y s t e m st h a ts i m p l eb i l l i n gm e t h o d ， u n r e a s o n a b l eb i l l i n gr u l e s ，c o n t r o l l i n gi n e f f e c t i v e l yt h ec o n g e s t i o n ，a n ds oo n t h e y h a m p e rs e r i o u s l yt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ku s e r sa n dn e wb u s i n e s sp r o m o t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gb i l l i n gt e c h n o l o g i e s ，a n dd i r e c t e dt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，s l ai si n t r o d u c e dt ot h eb i l l i n gs y s t e m t h i sp a p e rc o n d u c t si n d e p t hs t u d yo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fs l aa n dq o s b a s e d b i l l i n gs y s t e m t h es t u d yp o i n t sm a i n l yi n c l u d et h r e ea s p e c t s ： f i r s t l y , s t u d y i n gt h eb i l l i n gp o l i c i e s ，t h i sp a r tb r i n g sf o r w a r dap r i c es y s t e m w h i c hd i s t i n g u i s h e sb e t w e e nb u s i n e s sa n dg r a d i n gf o rd i f f e r e n t i a lp r i c i n g ，a n dh a sa v a r i e t yo fc h a r g e s i tu s i n go fp r i c el e v e r a g ep r o m p t st h eu s e rt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t e t y p e so fb u s i n e s sa n di m p l e m e n td i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s i tc h a r g e st h eu s e rs e r v i c e r e s o u r c ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dm a k e st h eb i l l i n gm e t h o dr e a s o n a b l e a n dt h e n ，s t u d y i n gt h eq u e u es c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t h i sp a r tp r o p o s e sat i m e s l i c eb a s e ds l a q u e u es c h e d u l i n ga l g o r i t h m i ti sa c c u r a t et oe n s u r eav a r i e t yo fq o s p a r a m e t e r sb yp r e a r r a n g i n ga n dd y n a m i ca d j u s t i n gt i m es l i c e f i n a l l y , s t u d y i n g t h e c o n g e s t i o n c o n t r o l s y s t e m ，t h i sp a r tp r o p o s e s a c o m p r e h e n s i v ec o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m ec o o r d i n a t i n gt h es o u r c e ，g a t e w a y , n e t w o r k n o d e sb a s e dc h a r g i n gp o l i c ya n du s e r sa c t i v ep a r t i c i p a t i o n s y s t e mt e s t ss h o wt h a tt h eb i l l i n gs y s t e mc a np r o v i d eu s e r sw i t hd i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ，e n s u r eq o s ，c o n t r o ln e t w o r kc o n g e s t i o n ，a n dd i s t r i b u t er e a s o n a b l yt h e n e t w o r kr e s o u r c e s k e yw o r d s ：s l a ，q o s ，b i l l i n g ，t i m es l i c e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言1 1 1 计费系统现状1 1 1 - l 平滑的计费机制1 1 1 2 基于q o s 的计费机制2 1 1 3 基于s l a 的计费机制4 1 2 研究目的和实际意义一7 1 3 本文工作与组织结构8 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构1 0 2 1 系统拓扑结构1 0 2 2 系统的处理流程1 0 2 3 算法设计一1 2 2 3 1 模块分布l2 2 3 2 接口描述1 2 2 3 3 计费流程1 4 第三章基于s l a 的下一代网络计费方法一1 6 3 1 基于s l a 的下一代网络计费策略1 6 3 1 1 使用费用l7 3 1 2 浮动费用。l7 3 1 3 拥塞费用一18 3 1 4 补偿费用1 9 3 2 实验仿真分析1 9 3 3 小结2 2 第四章基于服务等级协议的时间片散列调度2 4 4 1 技术背景2 4 4 2 技术方案2 5 4 3 技术实现2 8 4 3 1 体系结构。2 8 4 3 2 方法流程2 9 4 4 小结3 7 第五章端到端的综合拥塞控制系统3 9 5 1 引言3 9 5 2 系统实施方案4 0 5 2 1 系统拓扑结构4 0 5 2 2 系统处理流程4 1 5 3 算法设计4 3 5 3 1 模块分布4 3 5 3 2 接口描述4 3 5 3 3 主要模块设计4 4 5 4 小结6 2 第六章系统测试与分析6 4 6 1 实验室环境和服务器配置。6 4 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 6 2 接入网关各功能模块的实现。6 5 6 3 实验室环境下的计费策略6 5 6 4 模块测试6 8 6 4 1 实时计费和扣费模块6 8 6 4 2 流量警管模块7 0 6 4 3 队列调度和流量整形模块7 l 总结与展望7 5 参考文献7 8 本人已发表的论文8 4 致 射8 5 l v 南京邮电人学硕十研究生学位论文第一章引言 1 1 计费系统现状 第一章引言 网络计费系统对于运营商( i s p ) 来说是一个极其重要的支撑系统，不仅可 以用于统计用户的费用，而且还可以用来监控网络数据流量，优化网络资源分配 【l 】。先进的计费系统是提供优质网络服务的重要保证。随着宽带网络的迅速普及， 使用网络资源的用户越来越多。他们对网络服务的质量和应用需求提出了不同的 要求，而现有的网络计费处理存在计费方法简单、计费规则不合理、不能有效控 制拥塞等问题，已经严重制约网络用户的发展和新业务的推广1 2 1 。 随着i n t e m e t 上业务类型的不断丰富，实时多媒体业务越来越多地被应用。 网络在传输数据时，仅仅采用尽力而为服务是不能满足实时多媒体业务的传输要 求的，于是i n t e m e t 上会出现多种服务类型，根据提供的q o s ( 服务质量) 来进 行计费便也随之被人们所重视。 不同类型的多媒体信息在i n t e m e t 上传输时，对网络系统有不同的性能要 求。如电子邮件以及f t p 等数据传输应用，要求所传输的数据具有1 0 0 的正确 性和具有较大的吞吐量，但对时延和抖动不敏感；而t e l n e t 则是一种交互性的网 上操作，它需要较高的实时性和可靠性，同时也需要数据传输具有1 0 0 的正确 性；音频信息允许一定的数据丢失，也允许一定的时延，但是它要求连续性和同 步性；对于实时视频点播，因为它同时包含了视频信息和音频信息，所以它允许 一定的数据丢失，但不允许间隔和抖动，要求网络保证稳定和足够的传输带宽。 1 1 1 平滑的计费机制 目前，大多数网络服务提供商使用平滑的计费机制【3 1 ，它是基于使用的持 续时间，接入的速度，端口使用的数目，或者有时是分配的容量。平滑机制导致 这样一种情况，网络资源的较少使用者支付了较多使用者的使用量产生的费用。 网络服务提供商已经意识到他们的计费机制规定了他们所提供的服务等级，而平 滑机制不鼓励改革。平滑机制在遇到价值增加的服务时并不有效，它也不能优化 网络资源的利用。 如果采用基于时间的计费1 4 1 ，那么对于那些允许时延和等待的业务，许多 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 费用花费在网络时延上，而要求实时性的业务则可以在短时间内得到较大的数据 量，虽然它对网络资源的利用远远超过了数据传输业务，而费用却不高，因为它 占用的网络时间短；如果采用基于流量的计费1 4 , 5 i ，业务的费用就不能正确反映 各种业务对网络传输信道的要求，在相同数据量时，延迟大、带宽窄的业务，虽 然对网络要求很低，但可能比那些要求带宽大、实时性高的业务的费用还要高。 从而造成打i p 电话和视频点播费用很低，而电子邮件、文件下载的费用却很高， 这种计费方式导致的不公平性是显而易见的。 1 1 2 基于o o s 的计费机制 q o s 是指计算机网络中的服务质量，是研究网络如何在现有资源的情况下， 尽最大努力保证网络应用的服务要求。它提供可以满足一定用户要求的分组端到 端时间延迟、延迟抖动、分组丢失率、带宽保证等。 在i n t e m e t 网络中，价格是控制拥塞的一种立竿见影的有效工具，因而网络 拥塞因素是q o s 计费技术考虑的一个重要参数。为了快速准确计算网络拥塞引 起的数据传输成本，基于q o s 网络计费分为动态计费和静态计费模式两类：动 态计费根据网络的拥塞情况实时计算数据在网络中传输的成本，但计算复杂，占 用资源较多；静态计费对网络拥塞因子制订固定的价格，计算时直接根据网络拥 塞的状况查表计算，但并不能反应网络的真实负载情况。 在网络对不同业务提供不同的服务时，计费策略也应该相应地改为基于q o s 的计费【6 1 。基于q o s 的计费就是度量用户对网络资源的利用程度【7 1 ，也就是说， 计费单位要考虑网络对用户申请的业务所提供的q o s 服务，根据q o s 参数制定。 我们不再单以用户上网时间来计费，也不能仅仅根据用户得到的总数据量来计 费，要把用户上网时间、总数据流量和业务的q o s 参数综合考虑。 目前国内外学者对多业务网络的基于q o s 计费机制的研究，已经取得了一些 成果【8 。2 1 。其中，文献【1 0 】基于有服务质量保证的承载网络，将用户主要关心的 q o s 因素，包括端到端的传输时延、抖动、丢包率映射为业务实际的端到端时延， 并将其作为计算费率的主要依据。文献 1 l ，1 2 】提出在i p 网络中根据业务对实时 性的要求进行划分，根据业务类型和业务q o s 要求的不同，按照实际对资源的 使用情况收取资源使用费，对于实时业务还要收取资源预留费用。这种思想被基 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章引言 于q o s 计费策略的研究者广泛采用。文献i 11 】表明，这种基于服务质量的计费策 略能更好地满足运营商和用户的要求。文献【1 2 】通过实验进一步验证了基于业务 q o s 等级的不同，计费方式确实比传统的不区分业务类型的计费方式更能满足用 户需求提高网络资源利用率，但上述计费方法都只是根据对q o s 要求的不同对 业务进行细粒度分类，并没有真正按照用户最终实际享受到的q o s 计费，而是 以用户事先与运营商协定的q o s 作为计费的依据。这实质上是一种基于服务类 型( t o s ) 的计费方式。 在基于q o s 的网络计费系统中，研究热点分别集中在以下几个方面：计 费策略采用动态计费和静态计费相结合，面向服务并基于资源使用原则；数 据采集技术倾向于在网络边界上使用n e t f l o w 技术，在接入网络内使用n e t r a m e t 技术；0 计费方案则是在采用基于策略计费的同时注重基于内容计费。这些研 究热点，将是在下一代网络计费系统中最有希望采用的技术。 基于q o s 的网络计费技术，无论是计费的质量还是安全方面，都将比现在 使用的计费技术有很大的提高。但是由于配套的软硬件技术还不成熟，目前大多 还处于标准制定和探讨阶段。在计费协议、安全认证技术、计费平台、计费方案 以及业务区分、q o s 保证、拥塞控制等方面，还有待进一步的深入研究。 在对q o s 计费方案关键技术进行设计的过程中，本文将重点参考文献 1 3 1 5 】 的研究成果。其中j o a n n i sc hp a s c h a l i d i s 等【1 3 】提出了采用多级服务、渐进优化 和需求代理的静态计费系统，但他们只是给出了计费方式的理论描述，没有涉及 具体的实现方案；n a m d yai b r a h i m 等【1 4 】提出了基于流量控制的i s p 计费系统， 但没有考虑服务质量( q o s ) ，不能提供多级服务；ye l o v i c i 等【1 5 】提出在i p 网 络上针对数据包累积计费和制定价格上限的计费设想，该方案只是一个构思，还 没有相应模型系统和验证。 在i n t e m e t 网络中，价格是拥塞控制的一种立竿见影的有效工具，因而网络 拥塞因素是q o s 计费技术考虑的一个重要参数。为了快速准确计算网络拥塞引 起的数据传输成本，人们提出了众多的解决方案，归纳起来可以分为两类：一类 是根据网络的拥塞情况实时计算数据在网络中传输的成本，这种计算方式就是动 态计费模式；一类是对网络拥塞因子制订固定的价格，计算时直接根据网络拥塞 南京邮电大学硕一卜研究生学位论文 第一章引言 的状况查表计算，即所谓的静态计费模式。 动态计费主要考虑了网络拥塞情况，由于带宽是网络使用的稀有资源，所以 基于带宽的价格因子必须准确反映出当前网络资源的可用性。同时动态计费引入 了网络使用的最优化问题。其缺点是计算复杂，占用资源较多。 静态计费模式的价格因子一般由运营商基于历史数据的统计和分析计算得 出，它与真实网络的负载情况是不相关的。静态计费的优点是实施简单，能很好 地预测用户的行为。 由于静态计费制定的计价方式与网络的真实负载不相关，因而人们普遍认为 静态计费在网络拥塞控制方面不够灵敏。为了解决这一缺点，人们纷纷展开研究， 研究结果【9 】表明经过精心挑选适当的与真实网络状况无关的服务级别价格( 区别 于动态计费根据网络状况计算出来的价格) ，同样可以达到动态计费控制网络拥 塞的效果，而且可以在不降低网络运营商收益的前提下保证用户q o s 需求的最 佳性价比。 1 1 3 基于s l a 的计费机制 服务等级协议( s l a ，s e r v i c el e v e la 舒e e m e m ) 是用户与运营商签订的关于运营 商如何向用户提供服务的协议。s l a 包括技术部分和商业法律部分，技术部分被 称为服务等级规范( s l s ，s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n ) 。在d i f t s e r v ( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e ，区分服务体系结构) 网络中。s l s 主要包括流信息、流的拓扑范围、流 的一致性处理、调度时间、需要监测的性能参数及这些参数的阈值。这些参数用 于描述n p ( n e t w o r kp r o c e s s o r ，网络处理器) 提供的网络服务，是计费的重要依 据。 采用了d i f f s e r v 技术，i s p 就可以根据不同的数据类型和用户要求来提供不 同级别的服务。将s l a 引入计费系统，i s p 才能够对所提供的服务进行有效的计 费管理，d i f f s e r v 的这个优点才得到充分利用。而且，将s l a 引入到d i t t s e r v 的计费管理对于提高i n t e m e t 的可管理、可运营水平具有重要意义。 现实中，s l s ( s e r v i c el e v e ls p e c i f i c a t i o n ) 作为s l a 的技术部分，是一组 参数及相应的值，定义了业务流所获得的服务。换言之，s l s 指定了与特定服 务相关的网络参数及参数值。一套标准的s l s 参数和语义说明对于提供点对点 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 q o s 和简化s l s 协商都是至关重要的。i e t f 草案提出了关于s l s 的表示方 法，综合以上成果我们制定了简要的s l a 以及s l s 模版，如表2 1 和表2 2 所示。 表1 1s l a 模版 ! ! i s l a 表示 ： 协议双方信息描述 服务基本信息描述 和约有效期 计费信息 故障回复及违例处理 其它一 表1 2s l s 定义 目前定价方法的研究主要包括两大类：( 1 ) 基于拍卖机制。在j u ns h u 提出 的s p a c ( s m a r tp a ya d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 机制中，用户提出定制某服务等级所愿 支付的价格( b i d ) ，网络按照用户出价排序，并划分等级及分配带宽。但该机制中 用户的竞价没有考虑实际带宽需求，单位带宽没有统一价格，增加了用户出价决 i s l s 实例 服务名称视频点播 服务类别音视频交互型 服务等级 中级 降级标志 t r u e 宽带 点对点时延 4 0 0 m s 抖动 5 0 m s 丢包率1 0 一i 可用性 9 9 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 策的难度；并且有多少用户就有多少出价，价格数目与用户流数目相关，扩展性 很差，难于实施。( 2 ) 基于用户效用模型。这种方法引入用户效用等因素，利用 供求关系，价格调节机制等微观经济学理论，寻找用户效用和网络性能的结合点。 该方法可以将用户所获服务质量与网络资源利用率统一考虑，从而有效地避免网 络拥塞、提高资源利用率。 d i f f s e r v 的引入，使得i s p 可以根据不同的数据类型和用户服务要求来提供 不同q o s 水平的服务。但是，如果i s p 不能对所提供的服务进行有效的计费管 理，那么d i f f s e r v 的这个优点仍然不能得到充分利用。因此，有必要研究一种灵 活的适应d i f f s e r v 要求的计费管理方法。如果计费系统通过s l a 监控信息将市 场激励机制引入计费管理，可以很好地指导用户网络行为、改善网络状态，这将 有助于d i f f s e r v 环境下对不同q o s 级别的服务计费管理 采用了d i f f s e r v 技术，i s p 就可以根据不同的数据类型和用户要求来提供不同 服务质量级别的服务，因此实现适用于d i f f s e r v 网络环境的针对不同服务质量级 别的计费管理成为i s p 的迫切需要。 我们将研究在d i 鹏e n r 环境下如何借助服务水平协议来实现有效的计费管 理。s l a 是用户就服务的q o s 水平与s l a 事先达成的协议，包括带宽需求、q o s 参数、因服务传输故障或拒绝服务而支付的索赔金等方面的规定，涉及技术、经 济及法律等领域。将s l a 引入i n t e m e t 是为了实现服务的自管理，以适应i n t e r n e t 复杂性逐步提高的要求。将s l a 引入计费系统的意义在于： ( 1 ) 有助于优化任务调度和资源配置。利用s l a 模型可以预测每项任务所 需时间，这样网络管理员就可以把在网络中传输的信息分类，限制用户使用的资 源，优化任务调度，使网络达到最优状态。 ( 2 ) 有助于引入市场激励机制。通过s l a 反馈信息，i s p 可以实时了解当 前网络状态和用户行为，这样就可以采取动态计价机制，在不同的网络状态下采 用不同的价格，通过价格来引导用户行为，优化网络状态。 ( 3 ) 有助于用户监督计费的真实性。用户可以按需选择服务协议并根据s l a 反馈信息监督i s p 的计费是否真实可靠。 由此可见，将s l a 引入到d i f f s e r v 的计费管理对于提高i n t e m e t 的可管理、 可运营性具有重要意义。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 1 2 研究目的和实际意义 先进的计费系统是提供优质网络服务的重要保证。随着宽带网络的迅速普 及，使用网络资源的用户越来越多，他们对网络服务的质量和应用需求提出了不 同的要求。传统的网络计费系统计费方式单一，既不能体现出多级服务的差异性 【1 6 】，也不能确切的保证服务质量。为了解决该问题，本文提出了一种基于s l a 和q o s 的网络计费系统。引入了接入费用、使用费用、浮动费用、拥塞费用和 补偿费用的多费用体系，在不同情况下对用户使用的服务资源【17 】进行计费。同 时，采用综合拥塞控制协议，有效控制网络拥塞。该计费系统可以提高网络的 q o s 保障能力，并利用价格杠杆和综合拥塞控制方法来有效避免拥塞。 网络计费系统对于各运营商( i s p ) 来说都是一个极其重要的系统，其不仅 可以统计网络用户的费用，而且可以监控网络数据流量，优化网络资源分配。先 进的计费系统是提供优质网络服务的重要保证。随着宽带网络的迅速普及，使用 网络资源的用户越来越多，他们对网络服务的质量和应用需求提出了不同的要 求。如电子邮件以及f t p 等数据传输应用，要求所传输的数据具有1 0 0 的正确 性和具有较大的吞吐量，但对延迟和等待不十分敏感，而t e l n e t 则是一种交互性 的网上操作，它需要较高的实时性和可靠性。同时也需要数据传输具有1 0 0 的 正确性。音频信息允许一定的数据丢失，也允许一定的延迟，但是它要求连续性 和同步性；对于实时视频点播，因为它同时包含了视频信息和音频信息，所以它 允许一定的数据丢失，但不允许间隔和抖动，要求网络保证稳定和足够的传输带 宽。 目前的网络计费系统大多是基于连接使用时间进行计费的。如：包月方式， 网络使用者在支付固定的月租费后可以自由使用网络；非包月用户则是按接入网 络的时间来计费，一般以小时或分钟为单位；也有按总流量计费的，但这种方式 一般针对i n t e m e t 服务提供商之间的结算，并没有面向普通用户。这些方式采用 单一的计费原则，存在计费方法简单、计费规则不合理等问题。如：不能反映网 络的实际使用情况；没有考虑到不同业务的实际网络需求，不能有效利用网络资 源；没有考虑网络拥塞情况，不能避开网络高峰；按连接时间计算费用，使带宽 小的用户为带宽大的用户支付了费用等问题。现有的计费方法已严重制约网络用 户和新业务的发展。 7 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文 第一章引言 面对广大用户提出的众多的应用需求和网络服务质量要求，人们相继提出了 网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e s ，q o s ) 以及服务水平协议( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ，s l a ) 的概念。本项目在研究现有计费技术的基础上，针对下一代 网络的特点，将s l a 引入计费系统，对基于q o s 和s l a 计费的关键技术进行了 深入研究。基于q o s 和s l a 的计费策略能够根据业务类型、使用量和网络状态 对用户业务进行计费，为用户提供差异化的服务，保证用户q o s ，控制网络拥塞， 合理分配网络资源。 1 3 本文工作与组织结构 计费系统对于运营商来说是一个极其重要的支撑系统，不仅可以用于统计 用户的费用，而且还可以用来监控网络数据流量，优化网络资源分配。随着多媒 体业务的层出不穷，对网络服务质量提出了不同的要求。而现有的计费系统存在 计费方法简单、计费规则不合理、不能有效控制拥塞等问题，已经严重制约网络 用户的发展和新业务的推广。 本文的主要工作是： 在研究现有计费技术的基础上，针对下一代网络的特点，将s l a ( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，服务等级协议) 引入计费系统，对基于s l a 和q o s 计费系统 的关键技术进行了深入研究。 本论文的章节安排如下： 第一章是引言，论述了本文课题的研究背景和意义，简要介绍了q o s 和s l a 的概念、计费系统的作用和现状，并分析了当前网络环境对计费策略的需求，指 出了计费系统对于运营商和用户的重要意义，并给出了计费系统的计费策略、拥 塞控制策略等概念及其相关理论。 第二章是基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构，本章描述了系统的拓扑结 构，系统处理流程，算法的设计。 第三章是基于s l a 的下一代网络计费方法，本章对计费策略进行研究，提 出了区分业务和等级，进行差别定价，制定多种费用的价格体系，利用价格杠杆， 促使用户选择合适的业务类型，对用户实行差别服务，对用户在不同情况下的资 源使用服务进行计费，提高了计费的合理性。 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章引言 第四章是基于服务等级协议的时间片散列调度方法，对队列调度算法进行研 究，本章提出一种基于s l a 的时间片散列调度方法。通过对时间片的预排和动 态调整，精确保证q o s 的多种参数。 第五章是端到端的综合拥塞控制系统，对计费系统中的拥塞控制作用进行研 究，本章提出一种基于计费策略、用户主动参与，源端、网关、网络节点相互协 调的综合拥塞控制方案。 第六章是系统测试与分析，说明实验室的环境、服务器的配置、接入网关各 功能模块的实现和各模块的测试情况。 最后是本文的总结与展望。 9 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第一二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 第二章基于s l a 和0 0 s 的计费系统总体结构 2 1 系统拓扑结构 本系统是针对下一代网络的特点，综合采用服务等级协议( s l a ) 模式、基于 s l a 和q o s 的接纳控制、基于动静结合的计费策略等内容建立的计费系统。本 系统的网络拓扑模型，如图2 1 所示。 图2 1 整体拓扑图 在本文设计的计费系统中，各个用户的业务流到达网络接入设备时，接入设 备都会根据用户与i s p 签订的s l a 为其调度资源，开展网络服务。在接入网络 设备处，需要统计业务流量，并将该统计数据写入计费中心数据库，进行实时计 费；进入网络d i f f s e r v 域以后，每经过一个路由器都会按照用户请求的q o s 参 数分配网络带宽，并进行路由调度，同时路由器会将这次路由分发的网络资源的 指标参数反馈给计费中心数据库；在业务流到达目的网关之后，目的网关会统计 收到的流量，将统计信息写入计费中心数据库，根据合同调整用户使用费用。计 费中心数据库不断地把新产生的计费信息发送给各对应的i s p ，作为i s p 对用户 收费和i s p 相互之间结算的依据。 2 2 系统的处理流程 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 整个系统的业务处理可以划分为：s l a 签订、用户认证和配置、接纳控制、 数据采集和计费等部分，流程如图2 2 所示。 图2 - 2 系统处理流程 在使用网络之前，i s p 按照已经制定好的s l a 模板与用户签订s l a 协议， 并将每个用户的用户信息和s l a 协议信息录入s l a 数据库；用户登录时，接入 网关上的用户认证和配置模块对用户进行身份认证，若为合法用户，对其授权， 非法用户则拒绝其请求。当授权用户请求服务时，通过接纳控制中的业务识别子 模块确定用户使用的业务类型，对其进行标记，送入接入判别子模块。接入判别 子模块查询s l a 数据库，得到用户该业务的服务等级和其q o s 参数要求，并判 断当前的网络资源是否能满足该业务的q o s 需求，若不满足，调整网络资源或 降级服务或拒绝本次业务请求；若满足，则接入并标记该业务流，统计业务流量， 将统计值写入计费数据库，并将其送入对应的服务队列，根据q o s 原则对业务 1 1 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 进行合理的资源分配和业务调度，开展业务。业务流离开接入网关，进入到 d i f f s e r v 网络，采集网络参数，写入计费数据库。直到经目的网关，到达目的主 机。目的网关将本次服务的s l a 监控信息写入计费数据库。将从网络和目的网 关采集到网络参数进行处理，按照s l a 协议的内容，生成s l a 监控报告，及时 记录进计费数据库。最后根据计费策略，周期性的调整用户的最终使用费用，生 成用户帐单。 2 3 算法设计 2 3 1 模块分布 整个计费系统分为三个大的单元，即接入网关、d i f f s e r v 域和目的网关。与 系统功能实现密切联系的模块有s l a 签订模块、用户认证和配置模块、接纳控 制模块、数据采集模块、数据处理模块和计费模块。其中，s l a 签订模块、用 户认证和配置模块、接纳控制模块分布在接入网关单元。s l a 是用户事先与i s p 签订好的，在系统中体现为s l a 数据库；数据采集模块分布比较分散，接入网 关、d i f f s e r v 域和目的网关上都有数据采集模块，不同单元上的数据采集模块完 成不同信息的采集，经数据处理模块处理后，最后都以计费所需参数的形式存储 在计费数据库中；数据处理模块可以分布在接入网关单元上，也可以分布在 d i f f s e r v 域中，对从网关、d i f f s e r v 域和目的网关采集到的数据进行分析、处理， 并转换为系统处理所需要的数据。计费模块可以分布在接入网关单元上，也可以 分布在d i f f s e r v 域中。数据库的创建、管理和维护也是该系统的重要组成部分。 2 3 2 接口描述 接口主要为了完成各功能模块的匹配和模块所需信息的传递，模块与模块的 联系通过接口来实现。用户与i s p 经s l a 签订模块签定使用业务的协议，在本 系统体现为s l a 数据库。 ( 1 ) 用户认证和配置模块的输入为用户登录的用户名、密码，输出为用户是 否合法的信息。 ( 2 ) 接纳控制模块接收用户的业务流，对其进行一系列处理，若接纳该业务， 则业务流通过接纳控制模块的输出接口进入d i f f s e r v 域，并为计费模块提供用户 1 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 使用业务的时长、流量等参数。若不接纳该业务，输出拒绝服务信息。 ( 3 ) d i f f s e r v 域为其中的数据采集模块提供网络信息。 ( 4 ) 目的网关接收业务流，为其中的数据采集模块提供网络信息，为计费模 块提供用户使用业务的q o s 信息。 ( 5 ) 数据采集模块接受接入网关、d i f f s e r v 域和目的网关送来的信息，将其 输出到数据处理模块。 ( 6 ) 数据处理模块接收数据采集模块送来的数据信息，经处理后，写入计费 数据库。 ( 7 ) 计费模块从s l a 数据库中读取用户s l a 数据、从计费数据库读取费率 等静态参数、接收从接纳控制模块输出的用户使用业务的时长、流量信息以及数 据采集模块输出的q o s 数据进行计费。 计费模块从s l a 数据库中读取用户s l a 参数包括：x 瓢，w 盐，n 菇，妒， k d ，k l ，d j j ，l ；i j ，k c 。k j 表示i s p 单位流量要收的费用；w 驻表示每个服务等 级所分配的最大带宽；n 表示服务等级接受的最大业务应用数； 叠j 表示该等级 应用的平均带宽；k d 是丢包率价格因子；k l 是时延价格因子；d , j 表示用户签订的 s l a 里，保证的最大丢包率；l i i 表示用户签订的s l a 里，保证的最大时延；k 。表 示拥塞价格因子； 计费模块接收从接纳控制模块输出的参数包括：口，硭，t ，兄。口表示 接入费用的调整参数；础表示使用费的折扣率；t 表示用户登录的时间；r 是 一个实时扣费周期内统计；用户等级为i ，业务类型为j 的数据包流量； 计费模块接收来自于d i f f s e r v 域数据采集模块采集到的拥塞信息：，巩。 a h 表示当某个路由器发生拥塞的时间段内，某用户进入该路由器的数据包总量； 以表示当某个路由器发生拥塞的时间段内，某用户从该路由器发出的数据包总 量。 接收目的网关上的数据采集模块采集的q o s 信息： 孑，? ，。孑表示实际 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 丢包率的统计平均；，表示实际时延的统计平均。 计费模块经计费策略处理后生成计费信息，写入计费数据库，并输出用户的 帐单信息。 2 3 3 计费流程 本系统采用了基于s l a 和q o s 的计费策略。首先根据s l a 对不同业务不同 服务等级制定不同的单价。当用户使用业务时，在接入网关上按s l a 进行合理 的资源分配，避免拥塞；然后在d i f f s e r v 域保证服务，一旦发生拥塞，实行动态 拥塞定价；最后在目的网关采集实际使用业务的q o s 信息，按用户实际享受的 服务进行计费。总的费用包括了接入费用、使用费用、拥塞费用和违约赔偿。具 体计费流程如图2 3 所示。 图2 - 3 计费流程 1 4 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章基于s l a 和q o s 的计费系统总体结构 在用户提出业务请求之后，依据用户选择确定服务等级，得到用户该业务的 使用单价，与流量结合，生成使用费用，体现在图2