階梯面積算法在IDC流量計費中的應用研究

李世宗，陳智海，顏永明

（中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200085）

0 引言

互聯網數據中心（Internet 2ata center，IDC）是互聯網服務提供商利用已有的互聯網通信線路和帶寬資源，建立標準化的電信專業級機房環境和7×24 h高質量運維服務體系，為企業、政府提供服務器托管、租用以及與增值相關等方面的全方位服務。隨著云技術的發展、5G的到來，互聯網企業對IDC帶寬需求越來越高。

IDC業務基礎費用主要包括空間租用費和帶寬租用費。空間租用費包括機架、電力、IP地址等靜態資源，相應的費用相對固定。帶寬租用費則相對復雜，涉及端口類型、大小等，在具體計費上包含多種計費方式。目前，IDC主流的計費方式為95峰值計費（計費標準詳見第1節），計費模式實施已有幾個年頭，客戶為了降低成本可能會采取一些措施，例如將流量調度到周邊資費相較便宜的地區，這不僅會降低終端用戶網絡體驗，還浪費了對應的帶寬資源，同時提升了運營商的運維成本。為了避免IDC客戶浪費研究資源，提升終端用戶的網絡體驗，本文開展了對計費模式的研究。

1 IDC流量計費策略

帶寬租用費主要有3種計費模式：限速計費、流速計費以及流量計費。限速計費即對租用端口的最高速率進行限定，支付費用一般是固定的；流速計費則是對用戶租用的端口進行定時流量速率數據采集，根據用戶實際使用情況選擇其中某一個點進行計算費用；流量計費同樣也是對租用端口進行流量數據采集，統計具體流量數據，根據用戶實際使用的流量來進行計費。3種計費策略計費標準示意圖如圖1所示，3種IDC流量計費策略對比見表1。

圖1 3種計費策略計費標準示意圖

2 面積計費能改善流量調度產生的問題

流量調度行為流量模型示意圖如圖2所示。其中，數據中心A、數據中心B分別是某個區域內比鄰的兩個數據中心，從毛刺流量（一天中某個時段的高峰流量）中不難看出，客戶分別于月初、月中及月末在兩個數據中心不同時間內穿插出現毛刺流量，極有可能是流量調度導致，從而使得數據中心的毛刺流量總時長控制在1.5天（一個月的5%）以內，如此，當月95峰值計費則計算不到這部分毛刺流量，但客戶實際上已經使用了95峰值計費點2～3倍的帶寬資源。

圖2 流量調度行為流量模型示意圖

而未經調度的流量模型一般應同數據中心C一樣，幾乎每天都會有毛刺流量，每天的流量情況差異較小。

而對于有無調度流量的流量數據，對其進行排序則發現，有流量調度的流量有明顯的轉折點，95峰值最終落在這個點附近，而未調度的流量則會相對平滑，流量調度對95峰值計費和面積計費的影響如圖3所示。對于面積計費而言，缺少的流量僅是圖3中方框圈起的左下角三角區域，占比不大，而對于95峰值計費而言，缺少將近1/3，所以使用面積計費能較好地避免用戶通過流量調度來降低成本，從而避免該行為導致的終端用戶網絡體驗不佳，提升運營商運維成本。

圖3 流量調度對95峰值計費和面積計費的影響

為了探究面積計費實施的可能性，需要與現有的95峰值計費方式進行對比，對其利弊進行初步探索，以及對定價方式提出一些建議。

3 95峰值計費與面積計費對比

3.1 對比方法

比較計費方式離不開計費標準，95峰值計費與面積計費是兩種截然不同的計費標準模式，不能進行直接比較，需要有一個對應的面積計費規則才能進行比較。

面積計費有兩種方式進行計算得到，理論上應對每個月采樣點繪制的曲線進行積分，從而得到面積，即具體使用流量，另一種方式則通過采樣點的均值乘以時間計算得出。積分法和均值計算法的差異示意圖如圖4所示。兩種方式都隨著采樣點增多，結果更加精確，但無法完全相等。均值計算方式則會在每兩個采樣點直接缺少或多出一個小三角形的面積（如圖4所示），但總值在采樣點數量越多的情況下則越接近。本次實驗由于有全量采樣點的數據不夠多，且面積和95峰值非同類型數值，無法直接放到二維圖中進行對比，故采用均值計算法來進行比較。

圖4 積分法和均值計算法的差異示意圖

假設面積單價固定為Ys，95峰值計費單價為Y95，對每個月數據分別計算面積計費價格與95峰值計費價格對比，計算其間的價格差Δ得到以下計算式：

其中，G95為 當月9 5峰值，Gavr為當月平均流速。以Δ和G95-Gavr作為橫縱坐標，模擬數據編程進行運算，比較95均值差和價格差之間的關系。

3.1.1 單一價格面積計費

為了尋求相對合理的比較方式，本文首先獲取了某幾家IDC大客戶過去一年的流量數據，以一年的95流速峰值G95、95峰值計費價格Y95以及一年的流量面積S進行計算，得到面積計費的單價Ys，即計算過去一年幾家IDC大客戶95峰值計費的費用總和，除以過去一年流量的總面積（即總流量），得到面積計費的單價。

其中，Gi95為第i個月的95峰值，Giavr為第i個月的平均流速，Ti為第i個月的時間，單位為s，每個月的流量面積S=Giavr×Ti。

3.1.2 階梯面積計費

單一的定價標準并不一定能夠滿足運營商及客戶的需求，對于客戶來說，隨著流量的提升，其費用成本一樣有了提升。為了滿足客戶的降本需求，同時保住運營商的基本收益，本文參考類似于階梯電價的形式，設計了一套階梯面積計費標準，即分幾個流量階梯分別計費，同時流量越大資費越低，當客戶流量增長時，就能達到平均價格降低的效果，同時流量低時，運營商的收益不至于損失。

與單一價格面積計費類似，本文基于拿到的這部分數據，計算每個數據對應的流量面積，進行排序，以40%、40%、20%劃分，確認階梯位置。流量面積排序結果如圖5所示。再以流量調度與否進行了分組，以同樣的方式計算得到兩組數據的價格，以此為參考基準進行階梯計費的定價。

圖5 流量面積排序結果

此外，針對有明顯流量調度的數據及沒有流量調度的數據進行分組實驗，觀察實驗結果。

3.2 數據準備及實驗方法

3.2.1 數據準備

收集某幾個IDC大客戶過去一年的流量數據，其中一個IDC大客戶的數據見表2，如假定用戶對應的95峰值單價為10000元/（Gbit·s-1），那么根據計算式計算得到對應的單一價格的面積計費單價約為7.2元/Tbit。

表2 IDC大客戶A某一年的流量數據（單位Gbit/s）

階梯面積計費以同樣方式計算：

得到無流量調度的價格為：7.5元/Tbit，有流量調度的價格為：6.8元/Tbit，那么則以第一階梯價格為7.5元/Tbit，第二階梯價格為7.2元/Tbit，第三階梯價格為6.8元/Tbit進行實驗計算。

3.2.2 實驗方法

本文將模擬數據分別進行計算95峰值計費與兩種面積計費的價格差Δ，以帶寬1000 Gbit/s 精度取小數點后一位，即取值范圍為[0.0,1000.0]，通過編程輔助計算，窮舉計算在區間值內每組95峰值與平均值對應的Δ值。

步驟1根據得到的數據繪制Δ與G95-Gavr的散點圖，觀察它們之間是否有關系。

步驟2用已有的用戶歷史數據計算結果，觀察目前用戶的流量模型基本聚集在窮舉情況中哪一塊區域，不同用戶數據分布是否存在較大的差異。同時對比結果數量占比情況和計費方式之間總價的差距以判斷是否能達到本文預期的需求。結果數量占比越多，說明該計費方式在目前IDC流量模式下對運營商更有利，提升帶寬價值；而總價越接近甚至略低者，對客戶來說更容易接受。

4 實驗結果

4.1 95峰值計費與兩種面積計費比較

4.1.1 單一價格面積計費比較

本文分別進行兩組驗算，均以帶寬1000 Gbit/s、95峰值計費價格為10000元/（Gbit·s-1）為基礎進行換算面積計費價格。第一組以所有數據計算面積計費價格，進行實驗，再對有無流量調度的數據進行比較；第二組則是區分有無明顯流量調度的數據，分別使用每組全量數據進行計算面積計費價格，再每組選取一半數據進行驗證實驗。

（1）第一組

基于所有數據計算的面積計算計費價格為7.2元/Tbit。實驗結果以G95-Gavr作為橫坐標，對應的Δ值為縱坐標進行繪圖，單價7.2元/Tbit價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖如圖6所示。圖6中黑色區域即列舉所有可能的情況分布。代入兩組數據，觀察兩組數據在區域中的分布。

圖6 單價7.2元/Tbit價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖

根據實驗結果，價格差Δ與G95-Gavr之間存在一定的線性趨勢關系，其中G95-Gavr越大，95峰值計費的價格相對面積計費的價格就越高；在G95-Gavr較小時，較多情況下面積計費的價格相對95峰值計費的價格要高。觀察實際數據的分布結果，有無流量調度的數據均聚集在價格差為（-250, 250）、95平均差為（0, 400）的區域中。

單價7.2元/Tbit數據占比及價格差距情況如 圖7所示。從圖7看數量占比，有調度行為的數據結果為面積計費費用大的（后文簡稱“面積大”，95峰值計費費用大的簡稱“95大”）占多數，無調度行為的數據則反之，進一步說明流量調度行為確實對95峰值計費產生較大的影響。從所有數據的總價來看，兩種計費方式總價接近，面積計費略高出一些。對于無調度行為的數據的面積總價要低一些，對于客戶而言更容易接受，但有調度行為的數據總價面積計費高5%，加之面積大的占比遠高于95大的，對這部分客戶來說比較難以接受。因而可能達不到本文預期的目標。

圖7 單價7.2元/Tbit數據占比及價格差距情況

（2）第二組

基于有調度行為數據計算的面積計費價格為：6.8元/Tbit，無明顯調度行為數據計算的面積計費價格為：7.5元/Tbit。實驗結果：統一定價達不到本文預期的目標，所以進行分別計算定價觀察結果是否要理想一些。分組計算單價的價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖如圖8所示。分組計算單價的數據占比及價格差距情況如圖9所示。

圖8 分組計算單價的價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖

圖9 分組計算單價的數據占比及價格差距情況

可以看到，相較于不分組數據統一定價的結果，分組定價總價差距更小，面積總價均較低一些，數據占比也更接近1:1，看起來能讓客戶更容易接受一些，但就要針對不同客戶利用歷史數據進行計算定價，對于新客戶的定價標準也較難定下，是否有利于IDC的良性發展有待商榷。

4.1.2 階梯面積計費比較

階梯面積計費采用與單一價格面積計費相同的實驗方式，3個階梯分別為7.5元/Tbit、7.2元/Tbit、6.8元/Tbit。觀察兩組數據的分布情況。階梯面積計費價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖如圖10所示。

圖10 階梯面積計費價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖

從實驗結果，可以看到，階梯計費的分布結果與單一價格類似，但占比無論是有無調度行為的數據占比結果接近，比較均勻，均為面積計費的大，而總價上相差的不是很多，相較于單一面積計費價差小。階梯計費數據占比及價格差距情況如圖11所示。

圖11 階梯計費數據占比及價格差距情況

此次定價標準的實驗結果對于有調度行為的客戶來說可能依舊不是很好接受，是因為在原始數據中40%的數據處于第一階梯，使得結果要比95峰值計費的大，那么本文對定價進行適當降低，再來觀察結果是否能達到本文需求的結果。

以3個階梯分別為7.3元/Tbit、7.0元/Tbit、6.7元/Tbit進行實驗，降價后階梯面積計費價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖如圖12所示，降價后階梯計費數據占比及價格差距情況如圖13所示。

圖12 降價后階梯面積計費價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖

圖13 降價后階梯計費數據占比及價格差距情況

從分布結果來看，與降價前無明顯差別，但在數據占比上，兩組數據都要更接近1:1，能弱化流量調度效應，同時總價都有所降低，客戶更能接受，隨著客戶流量的增長，一般情況下面積總價相較于95流量計費的總價會更低，從理論上達到了本文預期的目的，本文認為目前而言階梯面積計費是能改善流量調度的問題，同時對客戶來說更加優惠。

4.2 流量變化導致結果變化情況簡單預測

客戶流量隨著互聯網科技的發展會發生變化，利用歷史數據只能看到目前的情況，為了能驗證面積計費對未來的情況是否也符合本文的預期，本文簡單模擬了客戶流量變化的情況，為下一步的實驗研究做鋪墊。

由于客戶流量增加或減少涉及的因素比較多，但基于本文實驗的情況，影響結果的就是95流量峰值和平均值的變化情況。考慮到若采用面積計費，對于客戶而言沒有必要再進行流量毛刺的調度，固變化基數本文選取了沒有明顯調度行為的數據，設計了4種變化情況進行實驗觀察結果：等比放大95峰值和平均值1.5倍，等比縮小95峰值和平均值至其60%，對95峰值放大1.2倍、平均值放大1.5倍，對95峰值縮小至其80%、平均值縮小至其60%。

階梯面積計費4種變化情況價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖如圖14所示，階梯計費4種變化情況數據占比及價格差距情況如圖15所示。

圖14 階梯面積計費4種變化情況價格差Δ與G95-Gavr的關系散點圖

圖15 階梯計費4種變化情況數據占比及價格差距情況

可以看到，不同的流量變化對結果分布的聚散情況以及最終價格比較的結果都會有影響。其中，流量增長會使得結果分布更分散，減少使得結果分布更聚集；等比放大的情況下95峰值得到的價格更高，大于面積計費的情況也更多，等比縮小則反之；對于差額變化情況相對復雜，但與單一價格面積計費情況類似，會一定程度向變化大的那一邊傾斜，列舉中的情況是相對極端的情況，對占比結果和總價差距的影響都很大。對未來的預測只是本文簡單地列舉幾個情況觀察，具體分析還需要后續進行進一步研究。

本文想要的結果并不是面積計費能方方面面較于95峰值計費對運營商更有利，本文的需求是讓客戶盡量少地調度流量，同時不用過于擔心流量增長而產生高額費用。通過實驗結果，可以推測，階梯面積計費在流量增長的時候相對于95峰值計費是更優惠的，只有在平均值增長速率遠高于95峰值的情況下，計費結果才有所改變，但在實際情況中這種變化情況是很少的。對于客戶而言，流量增長平均下來的費用更劃算，運營商也因為用戶流量增長獲得相應的利潤，能夠一定程度上滿足本文實現雙贏的需求。對于流量減少的情況，與增長類似，等比變化會使得面積計費更接近于95峰值計費，甚至略高于95峰值計費。

5 結束語

本文旨在研究95峰值計費及兩種面積計費之間的區別及關系，驗證面積計費是否能夠改善95峰值計費產生的對運營商不利的一些弊端，從而形成一定的方法論，此外盡量尋求能夠實現雙贏的方法，為經營決策提供參考。通過實驗結果，可以看到面積計費是能夠一定程度地改善95峰值計費產生的弊端的，但對于客戶來說，他們對成本的顧慮沒有得到改善，階梯面積計費能夠較大程度上滿足運營商與客戶的需求，從而實現雙贏的局面。但實際的流量計費規則涉及方方面面，錯綜復雜，本文研究只是在一個相對局限的條件下進行的設定實驗，僅作為經營決策的參考，對一個計費方式的改變不能一蹴而就，需要繼續深入研究。