专利名称：带宽分配的制作方法
技术领域：
本发明涉及向电信网络的用户分配带宽，具体用于提供对诸如“因特网”的分布式网络的访问。
背景技术：
随着对日益增多的终端用户的宽带连接的引入，带宽最初被视为一种不可耗尽的物品。用户通常为连接支付固定的价钱，而不受限制地使用。“渴求带宽”的应用(具体地，对等文件共享)的快速发展随后导致了资源管理问题和业务质量受损，业务质量受损体现为速度减慢或者某些连接彻底失败。在面对太多的订户消耗太多带宽的需要时，对于目前经济上可行的竞争率(contention ratio)，事实证明保持业务质量越来越困难。竞争率是所有Ntot个用户使用其连接的最大容量bmax所需的总带宽与系统可以承受的总带宽B的比值bmaxNtot/B。注意，大多数用户大部分时间使用的容量远小于最大容量。通常竞争率处在值20和50之间，这与在线时平均用户仅使用全部容量bmax的2％至5％是一致的。
在本说明书中，Ntot项用于表示潜在地可以获得服务的用户的数量，无论目前是否在线，而“N”将用于表示目前在线的用户的数量。常规上在前一个数的基础上计算竞争率。
因特网业务提供商(ISP)面临的主要问题是已经研究了数十年的有很多记载的名为“公共灾难”的问题的一个实例(例如参见G.Hardin 1968年的原稿，“Science”，162(1968)1243-1248)。简言之，它考虑了一种使用模型(exploitation model)，根据该模型，增加对共享资源的消耗的好处只对使用者增加，而作为这种消耗的结果在损耗上升方面的负面作用在资源的所有共享者之中平均分配。已显示这种模型本质上不稳定，并且最终不利于自身，除非是共享资源不可耗尽的特殊情况，在该情况下资源没有损耗。不幸的是，曾有许多假设这种特殊情况适用的情况，基于使用的影响似乎如此之小以至于可以忽略不计，结果允许对资源不受限制地访问。如果后来使用规模增加到该影响不能忽略的点，则遇到问题。这正是宽带所发生的。由于使用不受限制，所以开发了需要下载大量数据的因特网的新应用。这种每用户的通信量增加将导致业务质量下降，除非可以降低竞争率。然而，相反地，任一时刻在线用户的数量已增加了，从而增大了有效竞争率bmaxN/B(其中N是当前在线用户的数量)。在家庭用户开始“一同地”签约之前(这当然是现实的)，与单个用户对带宽消耗的影响相比，网络的容量似乎是无限的。结果，因特网业务提供商(ISP)们将他们的促销战建立在以下的想法上，即，他们能够对所有将成为客户的人完全免责地承诺不受限制的访问。宽带狂热者们天真地开始享受每天24小时、每周7天“在线”的快乐。随着开始接近底层通信网络的有限容量，这种需求增加正在接近网络资源的使用现在已变得不能忽略、并导致业务质量显著下降的点。
简言之，单个用户的过度使用仅对该用户产生好处，而这种过度使用的不利后果(诸如低连接速度)由全体使用者来承担。过分的使用被奖励而适度使用却没有，留给所有用户这样的选择，停止使用没有兑现其承诺的业务，或者通过使自己变成强迫带宽消费者来增加他们在迅速收缩的宽带资源中的份额。
各个ISP已针对此问题提出几种不同的方法。一些ISP已经通过在给定时段对使用进行限制，结合针对希望超越该限制的用户的各种每使用付费方案，引入了对所提供业务的限制。这些实际上违反了他们当初的不受限访问的承诺(最初他们利用来吸引订户首要的主要宣传)，从而存在流失其客户基础的风险。另一些ISP允许业务质量下降，导致慢速的或者失败的连接，也流失了其客户。另一些选择了捍卫他们的“不受限访问”誓言的ISP被迫安装更多的网络容量以保持总体可接受的业务质量。这种方法可能在商业上行不通，而且可能不会在任何情况下实现明显的好处，因为额外的带宽将首先被导致了该问题的相同的大用量用户迅速地耗尽。此外，由于这些业务通常由订费支付，因此增加任何网络容量的成本只能通过吸引更多的用户而不是通过鼓励现有客户的额外使用来提供资金。当然，这是简化的看法，大多数ISP实际上在艰苦的斗争中对这些策略进行组合，以逃脱他们为自己布下的陷阱。
任何实用的解决方案都不得不通过在业务中引入不会被大多数终端用户觉察到的、作为他们目前以固定的包月费享受的不受限访问和优良的业务质量的损失的变化对单个订户的资源消耗进行控制。因此，寻求一种对于容量过载的解决方案，其对大用量用户的冲击多过对小用量用户的冲击。这需要一种可靠的方法来降低导致问题的高带宽用户的连接速度，同时不处罚适度用量用户。
已经提出通过处罚某些渴求带宽的应用类型，对通信量区分优先次序。然而，这需要网络能够识别这些应用，并且当聪明的大用量用户发明新的应用以绕过任意这些限制时必须作出反应。另一个提议是基于当前的网络状态(正常/拥堵)来抑制有效连接速度，由此在需求高的时候限量使用带宽，并鼓励用户选择非高峰时间访问因特网。
还有一种方案是给予个人“特权”，诸如成员资格的标准级和优先级。然而，即使它是理想的，也不可能在订户签定业务的时候区分“好的”和“坏的”订户。事实上，当“适度用量”客户发现业务的潜力时他可能变成一个“大用量用户”，或者可能当兴趣改变时随着时间改变使用模式，或者当已访问业务的人来来去去的时候。例如，在家用情况下，只有当喜欢下载流行音乐视频的特定家庭成员访问时，才会发现使用很多订费。类似地，用于体育事件的流覆盖的订购可能经历使用的季节波动，其在非赛季将较少使用。
美国专利6473793(Dillon)提出了通过限制或者“抑制”对具有大用量使用历史的用户可用的带宽来使用带宽的动态分配。虽然这对于限制大用量用户有效，但是它并没有对可用资源进行最优使用。
发明内容
针对于此，本发明提供了一种对通信资源的访问进行控制的方法，其中相对于其他用户在前一时间段内的资源使用，对多个用户中的每个用户可用的最大容量与该用户在前一时间段内的资源使用具有反比关系。
优选地，该方法包括以下步骤测量预定时段内各个用户对资源的使用；根据测得的使用对用户排名；通过按照用户的排名给各个用户分配限制因子来限制各个用户资源可用性。
将用户的最大连接速度降低到由所述限制因子确定的值。在优选的实施例中，分配给排名相邻的用户的限制因子之间的比值对所有用户是恒定的。假设任何给定用户可用的最大值小于总带宽，分配给前一时间段内使用最少的用户的限制因子优选地为1，从而用户体验不到损害。
本发明扩展到一种对访问通信资源进行控制的设备，其具有用来进行上述操作的装置。这可以在可控制访问的网络中的任何合适部件中实现，诸如在与因特网业务提供商的服务器相连的调制解调器中，或者在网络中某中间点处。
因此本发明计算当前用户之间的优先级，而不是将个人的使用与预定的容许值或者传输速率的协定极限值进行比较。它考虑用户的长期历史，并且自发地适应通信量需求的不可预测的波动以及网络特性的改变，诸如随容量的变化而修改竞争率。本解决方案本质上比现有技术的方案更有适应性。
因此本发明允许作为订户各自的带宽消耗历史以及当前全部需求的函数，实时地给他们分配优先级。结果，通过调节个人连接速度以鼓励希望的行为，同时考虑改变的网络负荷，可使ISP和宽带用户的利益一致。换言之，业务质量被用作可作为奖励来分配的商品。用户会接受业务质量的降低可归咎于总的过载本发明的关键不同点在于这种降低不会被平均分配，而是用量最大的用户将对大量使用的后果承担更多。
现在将结合附图以示例的方式说明本发明的实施例，在图中
图1是示出访问网络将用户与因特网相连的示意图；图2是示出本发明中协同工作的功能元件的示意图；图3是示出实施例的操作的主要步骤的流程图；图4至9示出使用本发明的模拟结果，以及与现有技术系统的比较结果。更具体地图4示出模拟中使用的宽带使用分配；图5示出“高峰”与“非高峰”时间的使用差异。
图6示出在现有技术系统中，作为用户需要并获取多少容量的函数的用户频率分布；图7示出在现有技术系统中所要求的容量与整体满意指数之间的关系；图8示出在根据本发明的系统中所要求的容量与整体满意指数之间的关系；图9示出对于现有技术系统和根据本发明的系统，作为订户的满意指数的函数的订户频率分布。
具体实施例方式
图1以示意形式示出将用户14、15、16、17、18、19与因特网10连接的访问网络。通常通过某种交换系统12、13将用户与服务器11相连，服务器11处理用户发送的数据和数据请求，并且接收用户想要传递给它们的数据。用户14、15、16、17、18、19与交换系统12、13之间的连接可以是任何合适的方式，诸如专用数据链接、电话线路、分组交换系统等，其性质会限制数据传递的速度。交换系统12、13自身、服务器11以及它们之间的任何通信链路的容量将在一组用户之间被共享，并且通常大于任何一个用户可能需要的，但是小于在所有用户都试图以最大带宽同时访问服务器11的情况下所需要的总和。
图2是示出组合以执行本发明的功能元件的示意图。这些元件通常以所示服务器11中、或者交换系统12、13中、或者限制容量的某其他点的计算机上运行的软件来实现。如果在网络中多于一个点处显示出容量限制，则可以在网络中多于一个点11、12处先后运行根据本发明的处理。例如，交换机12、13可用的最大带宽的合计值可能大于服务器11可用的带宽。在这种情况下，两个交换机可能一直向服务器11提供多于其可以处理的通信量，尽管根据它们自己的限制限量分配了带宽。
经由一系列调制解调器21、22、23访问服务器11的主要功能20，每个调制解调器都与诸如14、16、18的单个用户终端(图1)连接。这些调制解调器并不需要一直为个人终端专用，而是当使用这些终端时才分配。由带宽控制单元24控制各个调制解调器21、22、23的运行速度。
设置存储器25，用于记录各个用户在预定测量时段内消耗的带宽的量。在寄存器26中存储有当前连接的那些用户的标识符，按照从存储器25检索的使用数据对它们进行存储。设置处理单元27，其具有访问存储数据的路径并提供数据以操作带宽控制单元24。
现在将参照图3说明本实施例的操作。将业务的订户分成组，对所述组共同地分配给定量的带宽。所述组可被定义为包括给定业务的所有订户，更普遍地是由他们全体共享的资源(通常是网络的元件，如缆线或者服务器)所限定的子集。图2和3示出针对这样一个组的成员的实施例的操作。
服务器20识别所定义的组中在任意给定时刻在线的所有用户，并将它们的标识符存储在寄存器26中(步骤30)。寄存器从存储器25中检索针对这些用户的使用数据(步骤31)并根据所述数据给每个用户赋予优先级(步骤32)。在本发明中该优先级基于他们在给定时间段内已消耗带宽量的简单的倒数函数，足够短地选取所述给定时间段以对行为的改变迅速地进行响应，而不是对每一个个别的下载进行反应。在下面讨论的模拟中使用的时间段为24个小时。
按照优先级的顺序对用户排序(步骤32)，并且给每个用户分配优先级指数i，分配给具有最低使用记录的用户的最高优先级为零。
然后由处理器27确定值α(步骤33)。这是在0＜α≤1范围中的值，是使用中的用户的数量N、最高优先级的用户可用的带宽bmax以及该组可用的总带宽B的函数，并被选为使得B=Σi=0N-1bi,]]>其中bi＝αibmax。可以使用二进制搜索(binary search)来进行该处理，以找出α的值(一直包含在0和1之间)，使得对于bi＝αbi-1的所有值之和不超过可用容量B。在正常的情况下bmax的值是固定的。B值取决于网络的当前容量，可能随着网络基础设施的临时或永久改变而变化，但是对于本发明可取为固定的。
给每个使用中的连接分配该组可用的总带宽B的一给定份额bi＝αibmax(步骤34)，并且对用户连接所通过的各相应调制解调器21、22、23进行控制，以将其运行速度限制为所分配的带宽bi(步骤35)。
由此可见，对于在任意给定时刻的全体用户，具有相邻排名i，i+1的任一用户对可用的带宽bi、bi+1之比因此为bi+1/bi＝αi+1bmax/αibmax＝α，其仅取决于在线的组成员的数量N。
还应注意，由于对于任何α值α0＝1，因此被奖励了最高优先级(指数i＝0)的用户总是体验最快的可能连接速度即b0＝bmax，如果在非常安静的时候，竞争率降到小于1(即Nbmax＜B)，则α取其最大值1，从而所有的值bi＝1ibmax＝bmax，可以给所有当前在线的用户分配最大带宽bmax。
这种规则组合调整了个人的连接速度，以寻求奖励适度用量用户的愿望和考虑整体需要(正比于N)的改变之间的合适的平衡。实际上，在本模型中，简单地通过降低他们的优先级使过度使用的影响被对其负责的那些组成员所吸收。实际上，每个人仍然可以支付固定的包月费，但是过载的影响将非均匀地分配，当“适度用量”用户选择上线时迫使主要的带宽消费者让路给“适度用量”用户。
本方案完全绕过了“每使用付费”的定价方案，同时通过消除购买越来越多的带宽以跟上需求的需要提供了一种保护ISP利益的方法。它使得可以进行精细得多的网络容量管理，而不需要对宽带供应的大量的、可能损坏PR的改变。
已经进行了一系列模拟实验以测试该模型并获取关于应用该模型将如何影响网络运行的定量数据。特别将重点放在测量终端用户所体验的QoS，并求出它将如何变换成对总的“满意指数”的正/负改变。将结果与如果不使用动态优先级相同负载将出现的情况(即拥堵效果的均匀分配)进行比较。
虽然模拟是根据远远没有考虑活动模式的复杂性的简化的情形，但是也已包括了数个细节以增加整体的真实性。在此，将每24个小时的周期分成“高峰”和“非高峰”时间。由于目标是建立家庭使用的模型，因此从00:00至16:00的时间段视为“非高峰”，预计在16:00和午夜之间具有最大负荷。对每个用户在“高峰”和“非高峰”时间段期间使用共享带宽(即试图下载)赋予固定的几率。伪随机地生成每个几率，从而产生与实际相似的连续的形态分布，从偶尔的用户到连接永远处在“下载状态”的强迫带宽消费者。图4示出分别在“高峰”和“非高峰时间”作为他们从事产生大量通信量的活动的几率的函数的模拟订户的频率分布。该模型现在假定一个低竞争率10∶1，表示在拥堵问题产生之前所有用户中的高达10％可以同时以最大速度使用其连接。这种放宽的假设(实际的竞争率通常在20∶1至50∶1之间)被平均网络使用也非常高的事实所平衡。实际上，参数值导致了在“高峰”时间平均所有订户的～46％同时试图下载，而“非高峰”时间为～22％(见图5)。这种“两方面夸大”是故意的，意在预计将来高速连接已变得如此普及以至于在日常家庭活动中普遍使用如视频流的应用的情况。然而，这并不会降低该模型对其他较为同时代的情形的适用性，只要竞争率的增加伴随着平均使用的降低。
将每天分成288个时间段，每段5分钟，这意味着为了与模拟结果一致，任何实际的实施都将需要以相同的速率更新优先级(以及导致的连接速度)。用户的“满意指数”定义为相对于一天的周期求平均的实际QoS与期望QoS之比。基本上，如果每次用户i试图下载时，连接速度都为最大(bi/bmax＝1)，则他/她的整体满意指数为1。重要的是要理解这种度量考虑了这样的事实在计算中不包括在订户没有主动使用它期间的连接速度。例如，只有“非高峰”期也实际进行下载的那些用户才感受到高的“非高峰”QoS，所以只会增加相应的人群子集的满意指数。
图5中所示的很低的可变性(其中误差条代表标准偏差)来自于所模拟人群的小规模(1000个用户)以及来自于每日波动的粗糙建模(“高峰”和“非高峰”之间的急剧转换)。
根据图5，显然即使在“非高峰”时间段内，需求约为供应的两倍(～22％的用户试图下载，竞争率10∶1)。因此如果所有用户都期望以最大速度进行他们的连接，则显然不可能满足所有用户，尤其是考虑到在“高峰”时间从事某种带宽消耗活动的人口多于两倍(对于所选的参数值)。结果是总体上在所需要的/所要求的和可用的/可赋予的容量之间有着不可压缩的差距，这进而意味着消费者必须获得比他们所要求的更少的带宽(见图6)。
图6和7示出作为在24小时时间段内用户要求以及实际获得的容量多少的函数的用户的频率分布(图6)，以及所要求的容量和整体满意指数之间的关系(针对24小时体验的平均QoS，图7)。模拟假定饱和效果相对于所有同时在线用户等分布(无优先级)。
然而真实的问题是，如果不应用动态优先级，则过度使用以完全相同的方式影响同时使用资源的所有用户，而与他们的历史或情况无关。不希望的后果是需求更多的用户最终比“适度用量”带宽消费者体验更好的QoS(更高的满意指数)。这仅仅是因为“饥渴的”订户从相对较低的“非高峰”拥堵水平受益最多实际上，他们是每天24小时一直下载数据的人。相反，偶尔的用户手工地浏览网络，并使用视频电话拨打少许电话，他们通常在“高峰”时间使用业务，此时其他“适度用量”消费者以及“一直在线的”大用量用户也使用网络。从ISP的角度看，这产生了使用和满意指数之间完全错误的关系，越希望的用户具有越差的体验，反之亦然(见图7)。简言之每个人都始终受损，但是“好的”带宽订户比其他人受损更多。
如果用户情况的分布是大多数属于“适度用量”类型(情况通常如此，即使“公共灾难”的不可改变的逻辑使得其本质上为不稳定以及由此的临时的情况)，则问题更为严重。于是强迫带宽消费者不仅是最满意的(最不可能离开或者约束自己的)，他们也是少数。显然，在固定的定价模型中，这对供应商来说无疑是致命的，它不知不觉地牺牲了其大多数消费者的利益，而仅有提高了少数滥用的用户的体验的好处。
如果使用动态相对优先级(根据上述排名和公式计算)，则所有情况完全改变。当然，由于供应和需求保持不变，因此仍然不可能让每个人在所有时间都开心。然而，通过将QoS作为对好行为的奖励进行分配，ISP可以有效地保证“适度用量”用户比他们“饥渴的”相对者具有更好的体验如图8所示，该图示出了当使用动态优先级将个人连接速度与在过去24小时内记录的用户历史(总的有效带宽消耗)相联系时，所要求的容量和整体满意指数之间的关系，该使用和满意指数之间的关系成反比。
更好地，可以通过比较图9所示的频率分布推知，平均满意指数也从～0.31增加到～0.44，图9示出了对于两种情况，订户的频率分布作为他们满意指数的函数。应用动态优先级模型时的“较平坦的”曲线由使用和平均满意度之间的强相反关联而得来。考虑到资源的量与前一种情形中相同，整体需求也相同，这似乎是自相矛盾的。然而如果考虑到大用量的带宽消费者是少数，同时考虑到在关心平均满意度时所有消费者具有相同的权重(每个订户都为1个点)的事实，就容易理解了。所以通过直接惩罚下载迷而支持“适度用量”用户，ISP将实际上使开心的顾客多过不开心的顾客。简言之，模拟结果表明可以增加QoS，“网络友好”用户被鼓励，且强迫带宽消费者被压制，而没有变到每使用定价模型的痛苦。
最后要强调的是，不会以任何方式明确地或者永久地歧视“饥渴的”用户，并且这里描述的动态优先级模型不具有长期记忆。没有什么会阻止希望下载大量数据的用户在“非高峰”期间这么做。实际上，他/她的连接速度并非不可逆地降低，并且优先级仅仅是相对的当“适度用量”用户不使用业务的时候，即使是消耗带宽最多的消费者也可以体验到很好的QoS。仅仅是防止该用户损害其他的订户，并且将通过在记录使用历史所经历的时标内(在上面给出的示例中为24小时)提高排名来奖励习惯的改变。
权利要求
1.一种对通信资源的访问进行控制的方法，其中相对于其他用户在前一时间段内的资源使用，对多个用户中的每个用户可用的最大容量与该用户在前一时间段内的资源使用具有反比关系。
2.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤测量各个用户在预定时间段内对资源的使用；根据测得的使用对用户进行排名；通过按照所述用户排名给各个用户分配限制因子来限制各个用户的资源可用性。
3.根据权利要求2所述的方法，其中分配给排名相邻的用户的限制因子相差一个比值，所述比值对所有用户是恒定的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中分配给前一时间段内进行了最少使用的用户的限制因子为1。
5.一种对访问通信资源进行控制的设备，其具有用于通过以下方式给多个用户中的每个用户分配容量的装置相对于其他用户在前一时间段内的资源使用，给多个用户中的每个用户分配的容量与该用户在前一时间段内的资源使用成反比关系。
6.根据权利要求5所述的设备，具有测量装置，测量各个用户在预定时段内对资源的使用；排名装置，根据测得的使用对用户进行排名；计算装置，针对每个用户按照该用户的排名来计算限制因子；以及访问控制装置，用于使每个用户的可用资源达到由限制因子确定的程度。
7.根据权利要求5或6的设备，其与调制解调器相连，所述调制解调器与控制对因特网的访问的服务器相连。
8.根据权利要求5或6的设备，其与用于控制对因特网业务提供商的访问的交换系统相连。
全文摘要
通过如下方式对通信资源的访问进行控制限制对多个用户中的每个用户可用的最大容量，根据用户在前一时间段内对资源的使用来对用户进行排名，通过按照用户的排名分配给各个用户的限制因子来限制各个用户的资源可用性，使得最大的可用性被分配给历史上使用最少的用户，从而阻止对资源的持续大量使用，同时对适度用量用户影响很小。相对于其他用户在前一时间段内的资源使用，对各个用户可用的最大容量与该用户在前一时间段内的资源使用成反比关系。
文档编号H04L12/54GK1860745SQ200480028324
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月8日 优先权日2003年9月29日
发明者法布里斯·特里斯坦·皮埃尔·萨夫尔 申请人:英国电讯有限公司