Int ern at i onal  Journ al of Inf orm at ic s  and  Co m munic at i on  Tec hn olog y (IJ - I CT)   Vo l. 6 ,  No. 3 ,  D ece m ber   201 7 , pp.  166~ 178   IS S N: 22 52 - 8776,  DOI: 10 .11 591/ijict . v6 i 3.p p166 - 178          166       Journ al h om e page :  http: // ia esj ou r nal.co m/ on li ne/in dex .php / IJ ICT   The Co mp etition Betw een ISPs i n Presen ce of the  Net   Neutrali ty       Mo hame d El  Amr an i* , Ha mi d G armani ,  M ohamed  Ba slam ,  R achid  El  A yachi   Sulta n  Moul a y   S li m ane   Univ ersity ,   TIAD  La bor ator y   ,   Beni ´   Mel l al ,   Morocc o       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   A ug   10 th ,  20 17   Re vised  Oct   20 th , 201 7   Accepte d  N ov   7 th , 201 7       In  thi s  work,  w e  pre sent  an  e c onom ic   m odel   of  computer   ne t works   tha t  desc ribe s  the   i n - te ra ct ion   betw ee n  Int ern et  Servic e   Provid ers  (ISP   ),   customers  and  cont en t  provid er .   Th e  compet it i on  bet we en  ISP   s  m a y   b e   tra nsla te d  b y   th e   pric es  th e y   re q uire   and  the   qu a li ties  of  service  (QoS )  they   offe r.   The   custo m er  demand  for  servic e   from   an   ISP   does  not  onl y   de - pend   on  the  pri ce   and   qualit y   of   servi ce   (QoS )  of   the  ISP   ,   but   it  is  in flue nc ed   b y   al l  those  offe r e d  b y   it s  compe ti tors.   Thi s  beh avi or  has  b ee n  ext ensiv e l y   ana l y z ed  using  game  the - or y   as   a  dec ision  supp ort  tool .   W e  in terpret   a  non - neut ra l  net work  when  a  con te nt  provide r  priv il e ges  ISP   s  by   o ff eri ng  th em   m ore   bandwidt h  to  ensure   prope r  QoS  to  suppor t  ap - pli c ations  tha t  re quir e   m ore   dat a  tra ns port  ca pa ci t y   (v oic e  over   in te rn et   protoc o l  (V  OIP   )  the   li ve   vide o  strea m ing,  onli ne  gaming).   In  addi ti on,   our   wo rk  foc uses  o n  the   pric e   game  ana l y sis a nd  QoS   bet wee n  ISP   s in  two  ca s es:  neut ra l  net w ork  and  non - neut ra l  net work.   Afte r  show ing  the   exi sten ce   and   unique ness  of  equi li brium   in  te rm s  of  qualit y   of  servi ce,  we  ana l y z ed  the  impact   of  n et   n eut ra li t y   o n   competi ti on  b etw ee n  ISP   s.  We   al so  va li da te d   our  the ore ti c al  stud y   wit h   num eri ca l   re sult s,  which  show   t hat   th e  g ame  ha s  an  equ il ibr ium  point   whi c h   depe nds on al l  th e  par amete rs   of  t he  s y s te m .   Ke yw or d:   Eco no m ic  Mod el  of  Netw ork s   Gam e Th eor y   Nash E qu il ib rium   Net  Ne utrali ty   Qu al it y o f  Se r vice( QoS)   So ci al   W el far e   Copyright   ©   201 7   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Moh am ed  El  Am ran i   TIAD  Lab or at or y,  Su lt a n  Mo ulay  Sli m ane  Un i ver sit y   Be ni´  Mellal , Mo r occo   Em a il :  m ed. el .a m ran @ gm ai l. com       1.   INTROD U CTION   Currentl y  Net  neu t rali ty   is  a   m ajo r  iss ue.   This  pri nci ple  is  on e  of   t he  f ounders  of  the   In te r net ,   enab li ng   excl udes  a ny  discri m inati on   of  da ta   transm it te d   over   the   net work.  This   co ncep t   is  no t  cl early   def i ned,  has  a r ou s ed  great   de bate  in  m any  diff e re nt  place s  su c h  as   the  econom y,  acade m ia ,  la w,   I nt ern e t   and   c ongress  i ndus try .  C onse qu e ntly ,  net  ne utrali ty   has  be com e  an  at tract ive  cro s s - c utti ng   iss ue  r eq uir ing  the  ag gregati on  of  the  e ffor t   of  a  huge  sci e nt ific   com m un ity  from   diff ere nt  disci plines.   The  la c k  of  rig oro us  bu t  sim ple  m od el s,  a nd  as  c om ple te   as  poss ible  in  the   relat ed  do c um entation   wer e   the  m ai n  m otivati on s  f or   this  w ork.   The   ne utrali ty   of   ne twork  i n  the   long  te rm   was  i ntr oduce d  as  a   res ult  of  the  c on ce p t  of   c omm on  su pp or t.  T he  two  m os t  com m on ly   po te ntial   beh avi or s  ci te d  are  the  abil it y  of   network  pr ovi der s  to  c on t ro l   acce ss  and   pr ic ing   of  broa dba nd   fa ci li ti es  an d  incenti ve s  to   pr om ote  the  network   of  ow ne d  co ntent,  pla ci ng  un a ff il ia te d  c onte nt  pro vid e rs  a t a com petit i ve disad va ntag e [ 1].   In   t his  pa pe r,   we  f oc us   on  the  im pact  of   t he  sec ond  c on du ct   on  c om petit ion   betwee n  inter net   serv ic e  pr ov i de rs.   Se ver al   w orks  ad dresse d  the  issue  of   ne twork  neu tr al it y  fr om   diff eren t  aspects  [ 2]  [3 ] ,   [4 ] ,  [5 ] ,   [ 6].  [ 1]   prov i des  a  ne w  a nd  com pr e hensi ve  i ns ig ht  into  t he  c on te xt  of  th e  de bat e  on  net  ne utra li ty .  The  c on t rib ution s   that  ar e  m os t  relat ed   to  ours  a re  [ 2],  [ 5],  [ 7],  [ 8]  an d  [ 9].  In   t his  pap e r,   we  c on sider   sever al   pro vide rs  s har e   a  m a rk et   a nd  com petit ion   am on g  pro vid e r s  oc cu rs  in  pri ces  an d  in   te rm s  of   th e   qu al it y  of   ser vi ce  they   of fer.   W e  ass um e  t hat  the  dem and   f or   the  ser vi ce  of   a  pa rtic ul ar  internet  ser vice  pro vid er  is  a  f un ct io n  of  the  vecto r  of   pr ic e   and   qual it y  of  serv ic e  of  al l  IS P  s.  We  est ablish  the  existe nce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - ICT     IS S N:  22 52 - 8776       Th e C ompeti ti on Betw een  I SP s in Pre se nce  o f t he  Net  Neu trali ty   ( Mohamed El A mr ani )   167   and  u ni qu e nes s  of   Nas h  eq uili br ium   fo r  both   plans  of  n eutr al it y  or   non - ne utrali ty .  W e  an al yz e  the  eff ect s  of   net n e utrali ty  on th e  in vo ic e  price  and  Q oS   offe red as the  b e hav i or of inte r net ser vice  pro vid e rs.   The  rest  of   th e  pap e r  is  org anized  as  f ollo ws.   I n  Sect io n  2. ,  we  desc ri be  the  m od el   of   disco r d  betwee n  inter ne t  serv ic e  pr oviders  a nd   t heir  su bsc ri ber s ,  al so ,  we  prese nt  de finiti on   of   Na sh   eq uili br i um .   I n  Sect ion s   3.  a nd  4.  we   pr ov i de   the or em s  for   existe nce   a nd  uniq ue ness  of   eq uili br ia   res pecti vely   in   c a se  of  net  neu tral it y  and  non - ne utr al it y.  Sect ion   5.   prese nts  num erical   stud y  to  validat e  our   cl aim s,  Sect ion  6.   pr ese nts a  stu dy  o f  the im pact of c om petition an d  Sect io n 7. co nclu des  t he pape r.       2.   PROPLE M MO DELIN G   Our  ec onom ic  m od el   is  com po s ed  of   a  c onte n t  pr ov i der  ( CP )   and   N   I nter net  Ser vic e  Pr ovi der s   ( IS Ps)   in   com petit ion   on  a  s et   of   cust om ers.   The  fi gure  1  il lustrate s  a  ty pical   exa m ple  of   syst em s  with  a   sing le   co ntent  pro vid er n ( CP)   and   seve ral  I nter net  Serv ic e   pr ovide rs  w hi ch  each  ser ves   a  set   of   end   use rs   ( EU) .   Her e,  t he   CP   pro vid e   m ul tim edia  con te nts  (eg,   m us ic   stream ing ,  V   OIP,  ...).  T his  m ul tim edia   con te nt  is  transpor te d  a nd   placed  at   th e  disposal   of   th e  EUs   on  the  physi cal   infr a str uctu re  of   IS Pi.   Unde r  the  ne utral   netw ork  c onfi gurati on,  EUs   and   the   co nten t  pro vid e r  pay  only   f or  their   direct  a ccess.   O n  one  hand,  a nd   accor ding  t o  the  rate  of  the   own  dem and   f or   I SPi ,  CP   de ci ded   t o  in vest   an d   al locat e  ba ndwidt h  _ic  to  it .   This can   be   co ns ide red   as a prefe rr e d  co ntra ct  is b et ween   I SPi   an d  CP .   Y et , as  the d em a nd   of   I SPi   inc r eases   as  it   beco m es   m or e  ben e fici al   to  CP   to  i nv e st  m or e  an d  m or e.   On   th e  oth er,  eac h  IS Pi   cha r ges  to  it s  custom ers   an  a m ou nt  pi  per   unit   of   tra ff ic .  More ov e r,   eac h   I SPi   al locat es  a  band width   _i  to  it s  custo m ers  t o   gu a ra ntee  th ei r  prom ise d  Q oS  ~qi.   In  the  re st,  we  c ons ider  t he  f ol lowing  nota ti on s:     f or  t he  c harge d pr ic e   vecto r a nd the  prom is ed  QoS   res pecti vely .         Figure  1. Sin gl e co ntent  pro vid er  and se ve ral  inter net ser vic e pro vid e rs       2.1.   En d - to - en d Quali t y of   S ervice  (Qo S)   The  qu al it y  of   serv ic e  (QoS )  i s  the  abili ty   to  transm it   in  go od  co ndit ion s  a  giv e n  ty pe  of   t raffic ,  i n  te rm s  of   avail a bili ty ,  throu ghpu t,   tra ns m issio n  delay ,  j it te r,  pac ket  loss   rat e  ...   The   gua ra ntees  of  t he  qual ity   of   se rv ic e  are   i m po rtant  if  the  netw ork  c apacit y  is  ver y  lim it ed,   especial ly   fo r  rea l - tim e  strea m i ng   of   m ul tim edia  app li cat ion s  su c h  as  Vo ic e  ove r  I P  (V  O IP  ),  onli ne  gam ing   a nd  I P  - T  V   .  T his  la st  re aso n  encou rag es   use rs  to   s ubscrib e  to  a n  ISP  prom isi ng   a  good  qu al it y  of  s e rv ic e.   O bvio usl y,  the  e nd - to - end  (e2 e )  Q oS   de pe nds  on   in vest m ents  of   IS P  s  and   CP  .  We  cl aim  that  e 2e  Q oS   im plicitl y  dep en ds   on  the  dem and   Di(:)  for  ISPi   ser vic es,  the  am ou nt   of   ba ndwidt h  reserve d  i  by  I SPi   for  E U  s  a nd   t he  am ou nt   of  band width   res erv e d  ic   by  th e  con te nt  pro vi der   to  this  I S P  .  In   oth e r  w ords,   th e  e2e  QoS  de pe nd s  on   t he  per cei ved  qual it y  on   bo t h  li nk s   E U - IS P  a nd  ISP  - C P  .  Ce rtai nly,  the  end - to - en d  qu al it y  of   ser vice  ca n  express t he  tra ns m issi o n  en d - to - e nd d el ay , t he  e nd - to - en d  t hro ughput,  t he e nd - to - en d  l os s  p r obabili ty  o r   any   com bin at ion   of m any q ualit y of ser vice in di cat or s.   Lat er,  we  will   be  lim it ed  to  c ertai n  sp eci al   cases  wh e re  the   end - to - en d  qu al it y  of   serv ic e   is  si m ple  enou gh ( e g, th e en d - to - e nd del ay  is the su m  of  delay s expe rience d on bot h  li nks E U - ISP  and  IS P  - CP  ).     2.2.   Dem an d   Model   We  c on si der   t ha t  the  dem and   functi on  Di (:)  for  the  ISP  ser vices  is  li near  with  re sp ect   to   pr ic e  (p i )   fixe d  by  the  ISPi   and   prom ise d  e2e  Q oS ,  see   [10].  T h is  de m and   al so   de pe nds  on  pr ic e  p  i  an d  e 2e  Q oS  of  com petit or s,  nam el y,  the  de m and   functi on   de pe nd s   on  p  an d  q~.   Nat ural ly ,  the  dem and  f unct ion  Di  is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2252 - 8776   IJECE   Vol.  6 ,   No.  3 ,   Decem ber   201 7   :   166  –   178   168   decr easi ng   w.r. t  pi  and   increas ed  w.r.t  p  i,  w hi le   i t  is  increasing   w. r .t  q~i  an d  it   is  decr easi ng,  w.r.t  q~  i.  We   consi der that  t he dem and  fu nc ti on s  w.r.t the  I SPi  ser vice c an be  wr it te n  a s foll ow s:         wh e re  α ⅈ   is a  posit ive c on sta nt  u se d  to  en s ur e the  non - ne ga ti vity  o f  the  d e m and s  on the  fe asi ble r e gion.           The  as su m ption   1  is  reali sti c  and  ha s  no  im pact   on   the  fie ld  of  a ppli cabil it y  of   this  w ork.   I nd ee d,   consi der i ng   t ha t  the   influ e nc e  of   e 2e  Q oS   prom ise d  by  the   IS Pi   on  it s  gai ns   m or e  weig ht   relat ive  to  the  su m   of   th e  infl uen c es  of   prom ise d   e2e  Q oS  by  I SPs  com petit or s  on  I SPi  gains.   T his  co ndit ion   c ou l d  t he n  ta ke   into  acco unt  the  prese nce  of   loya lt ie s  of   custom ers  and / or   par ti al   knowle dge  of  e2e   QoS  of  com petit or s.   More ov e r,   this   assum ption   is  a  reasonable  c onditi on   wh ic h  gu a ran te es  s uperm odularit y  of   the  gam e  an d  So   the uniq ue ness  of Nash  equil ibri um .       Con si der i ng   th e  desire  of  pay ing   c us tom ers,   it   beco m es  pla us ible  to  c on si der   that  the  t otal  dem an d  is  in - creasi ng   de pendin g  on   in div id ual  e2e  Q oS   fixe d  by  I SP i.   W he n  the  I SPi   decide s  to  decr ease  it s  qu al ity   of   se r vice,  at ta ched   c us t ome rs  w ould  be   m igrated  an d  s ub sc ribe  with  it s  com petit or s  or  dec ide  t o  un s ubscri be.  I n  oth e r  wor ds ,   this  ass um pti on  say s  t hat  th e  effe ct   of  t he   e2e   Q oS   in di vidual  is  sti ll   highe r   than  the  overal l  per cei ve d  in f luence  from   c om petit or s.  A n  i m po rtant  c ha racteri sti c  is  that  the  var ia ti on  of   the  total   dem and,  com par e d  to  in div i dual   e2e  Q oS   i s  ver y  lo w,   because   fe w  custom ers  dec ide  to   un s ubscri be  c om ple te ly .           The  num ber   of   com petit or s  c an  in flue nce  t he   dem and   for  a   par ti c ular  ISP i   in  a  rem ark abl e  m ann er  wh e n  t he  nu m ber   beco m es  bigger   an d  vi ce  ver sa ,  i.e.   of  the  s um   of   t he  m utu al   sensiti viti es  to  it s   com petit or s  qu al it y  of   serv ic e   beco m e  ver y  cl os e  to  that  of  the   I SP i ,  so   t hat  de fer e nce  sensiti viti es  can  be   bounde d by th e inv e rse o f   the  total  num ber  of these  co m petit or s.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - ICT     IS S N:  22 52 - 8776       Th e C ompeti ti on Betw een  I SP s in Pre se nce  o f t he  Net  Neu trali ty   ( Mohamed El A mr ani )   169   2.3.   Ut il it y M od el   We  tur n  now  to  ta ke  the  util it y  fu nctio n  of  each  I SP  s   and   the  sin gle  CP   .  Let   qi  (en d - to - e nd   qu al it y  of   s er vi ce)  the  real  qual it y  per cei ve d  by  the  EUs  of  ISPi ,  ( In   t his  case  q~i  is  the  QoS   pr om i sed  /   adv e rtise d  by  t he  I SPi   for  e nd  us ers ).   The  net  re venue  of   ISPi   is  exactl y  the  dif fer e nc e  betwee n  it s  t otal  rev e nue  a nd   it s  ex penses.  Th ese  la tt er  co rr e sp on d  to   the  s um   of   the  c os t s  to  c ov e r  th e  costs  of   ba ndw idth  i   and a ce rtai n p enalt y i f  it  d oe s  not m eet  p rom ise d  qual it y  q i . T hus, net   re venue is  g i ven  by as  fo ll owin g:         2.4.   Gam e  Analysis   In   the  re st  of   this  wor k,   we  w il l  analy ze  the  gam e  that  arises  in  bo th  th e  est ablishm ent  of   neu t rali ty  and  no n - ne utra li ty .  The  play e rs  a re  the   I SP  s  that  m us t  to  def i ne  thei r  str at egies  f or  the   pri ce  ( pi)   and  the   prom ise d  qu al it y  of   serv ic e  (q i ) .  The  con ce pt  of   ne utrali ty   is   con side re d  ass um ing   that  the  CP   distribu te s it s  band width  as  t he  pro - c esso r  sh ari ng  pri nci ple.  In  an ot her  ha nd,  t he  non - ne utrali ty   scen ari o  is  ta ken  int o  account  by  ass um ing   that  there  is  one  (m or e )  sp eci fic  IS P  ( s)   (n a m el y  IS P 1 )  who  sig ne d  a  con t ract  with   the  CP   ,  in   ord er  t o  r eser ve  him   a  am ou nt  of  ba ndwidt h  to   en s ur e   the  prom is ed  qu al it y  of  s erv ic e  ( q~ 1) .  I n  this   con te xt,  the   co m pet it o rs  of  I SP 1   e qu al ly   s har e   the  rem ain in g  band widt h  as  i f  we  have  ne utrali ty   case  by   ta kin g i nto acc ount the  to po l ogy w he n we  do not h a ve  t he  I SP 1.         w he n  t he vect or  of   pri ce pa ra m et ers,  p ,  of al l pro vid er s is  fixed to a  certai n p red et erm ined  point.       Be low,   we  a na ly ze  the  co m petit ive  qu al it ie s  of   ser vice  f or   N  IS Ps  that  m a xim iz e  their  util ities.  To   do   s o,   we  de m on strat e  the  existe nce  a nd   un i qu e ness  of   the  gam e  equ il ibriu m   between   N  ISPs,   aft er  w e   cal culat e  the  equ il ib rium   po int.  To  a naly ze   equ il ib rium   of   the  gam e,  w e  need   t o  fin d  prop e rtie s  on   the  util it y fu nctio n w hich re qu ire   that we  desc rib e the e xpressi on in  both  cases .     2.5.   Le arnin g Na s h eq uil ibri um   In   [ 8,   3,   7,   10 ] ,  the  m ai n  con cer n  was  the   searc h  f or  the   eq uili br ium   sit uations   ( nam e ly   Nash).   Lat el y  research ers  a re  quest ion i ng   the  nee d  fo r  c onve rg e nc e  of   a  le arn i ng  al gorithm   to  a  Nash   e qu il ib rium ,  there  a re  se veral   reasons  for  this.  First,  t here  m a y  the  m ulti ple  equ il ib ria  in  a  gam e,  an d  it   can  no t  a ny   m et ho d f or  c oo rd i nating ch oic e of a gen t.   Lear ni ng   al go r it h m s  rese m ble  the  beh a vior   of   com petit or s  in  m any  nat ur al ly   arisi ng   gam es,  and   thu s   res ults,  on  the   co nver gen ce   or  no n - co nver gen ce   pro per ti es  of  su c h  dynam ics  m ay   info rm   our   unde rstan ding  of   the  a ppli cab il ity  of   Nas h  e qu il ib ria  as  a  pl ausible  so l utio n  co nce pt  in  som e  set t ing s.  In  the   reali ty ,  wh en  e ver y  I SP   trie s  to  m axi m iz e  its  rev e nu e ,  it   is   the  m os t  natur al   to  acce pt  N ash  eq uili br i um   as  the  opti m al   so luti on  c on ce pt.  In  Nas h  eq uili br i um ,  each  ISP   ’s   strat egy   is  the  best  res pons e  t o  the   oth e r  IS P   s’s  strat e gies.  Th us   no  I SP   ca n gain  from  u ni la te ral d eviat ion.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2252 - 8776   IJECE   Vol.  6 ,   No.  3 ,   Decem ber   201 7   :   166  –   178   170   3.   NEUT RA L  N ET WORKS   Rem e m ber   that  for  the  s ha rin g  ca pab il it y  of  ISP s  under  th e  Process  Sh a r ing   ( P  S )   pri nc iples,  ɸⅈ   is   giv e n by com bin ing b oth t he   expressi on of  Delay  in  the  li nk s  bet wee n  I S Pi an d  E Us (L.  K le in ro c k [11 ] )       Th us :         wh e re  ci   is t he e xp ect e d delay  in  the  li nk  between   I SPi   a nd  CP   .   The  e nd - to - e nd  delay   ( deno te d   )  ex pe rien ced  by  e nd  use rs  of  the   I SP i ,  nam el y,  the  cum ulati ve  delay   on  both   li nks  EU - I SPi   a nd  I SPi - CP   ,   de pends  on:  the   total   dem and   f or   ser vices  of ,   the  dem and   f or   se rv ic es  tra nspor te d  by  ,  the  ba ndwidt h  al loca te d  by  the    the  band width al lo cat ed  by  I SPi  t o  it s c us tom ers:         The  quest io n  is,  unde r  gener al   assum ption s,  wh e n  can  we   gu ara ntee  the  existe nce  an d  un i qu e ne s s   of   t he  eq uili br i um   du e  thr ough  the  ISP  s ?   We  co ns i der   t hat  the  qu al it y  of   se r vice  is  the  only   pa ram et er  of   the  gam e  (7 )  wh ic h  ar os e  w hen   the  pr ic e  of  al l  ISP   s  i s  fixed.  Th us ,  unde r  the  assum ption   1  a nd   acc ordi ng  to  the  rem ark   1,   we  ha ve  the   fo ll owin g  ge ne ral  resu lt   on  un i qu e ness  of   qu al it y  of   se rvi ce  based   on   Nas h  equ il ib rium  f or all  N   ISP   s.     Le mma  1  (Exi stence)   Co ns i derin g  t he  game  of  le vel s  of   qualit y  of   se rvi ce  which   ar os e  w hen  the   pr ic e  vect or   is  fi xed   for  all  I SP  s ,  t here  exi sts  i n  l ess  one  qualit y   of  servi ce   bas ed  N as h  eq uili br iu m  q~ *   ,   of   I SP  s’s game.   Le mma  2  (Un iqueness)   O n  the  ass um ption   1  an d  acco r ding  to  the  rem ark   1,  the  eq uili bri um   po int  q~ *   ,  of   th e g am e o f  I S P s,   w hich  aris es whe n  the  price  v ect or is  fix ed  to  all   I SP  s , i s uniq ue.   unde r  le m m as ( 1,  2) ,  w e  d e du ce the  fo ll owin g  the orem :   Theorem  1  (e xistence  and  uniquenes s)   C on si der   t he  ga m e  of   le vels  of  qual it y  of   ser vice( 7)   wh ic h  aro s e   wh e n  t he  pr ic e   vect or   is   fi xed  to  al l  ISP   s,   unde r  t he  ass umpti ons  1,   3  an d  acco rd i ng  to   the  rem ark   2,  t he r e   is  on ly   on e  le ve l  of   qual it y  of   serv ic e  base d  Nash   e qu il ib rium   q~  of   the  IS P  s’s  gam e.  (the  pro of   is  gi ve n  by   app e ndic es  A  a nd B)       4.   NON - NEUT R AL N ET W O RKS     As  we   m entione d  in  sect io n  2 ,  in  no n - neu t ra l  networks  we  assum e  that  there  is  a  sp eci fi c  IS P  (i.e.   IS P 1 )  w ho   si gned  a  s pecial   con t ract  with  CP  ,  to  reserve  f or   him   a  qu ant it y  of   bandw i dt h  to  guara ntee   the  prom ise d  qu al i ty   of   se r vice  q~1 .  U nd e r  a  non - neu tral   sys tem ,  the  I SP 1  will   gu a ra ntee  the  pr om ise d  QoS ,  and   the re fore,  the  expressi on   of   the  value  of   IS P 1  bec om es   si m pler  since  q~i  =  qi  i.e .  no  pe nalty   do es   no t   app ea r  i n  the  fun ct io n uti li ty  o f  the  ISP1 :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - ICT     IS S N:  22 52 - 8776       Th e C ompeti ti on Betw een  I SP s in Pre se nce  o f t he  Net  Neu trali ty   ( Mohamed El A mr ani )   171         In   t his  co ntext,   the  com petit or s  of   t he  ISP1 ,  e qu al ly   sh a re  th e  rem ai nin g  ba ndwidt h.   In   t he   abse nce   of  the  ISP1 ,  th e  net work  behaves  a s  a  ne utr al   netw ork   w he re  oth e r  IS P   s   are  com peting  over   the   com m on   band width.  T he   util it y  fu nction  of  ot her   i ntern et   se rv ic e  pro vid e rs  ( ISP1   com petit or s)  is  giv e n  by  eq ua ti on  (11).   The or em   2  (e xi ste nce  an d  un iqu e ness )  Co nsi der   t he  gam e   of  qual it y  le ve ls  for  se rv ic e s  ( 7)   t hat  arises  with ou t  net  neu t rali ty .  Unde r  the  assu m pt ion   1  an d  accor ding  to  the  rem ark   1,   there  is  one  le ve l  of  Nash   e quil ibri um   qu al it y  of   serv ic e  there fore  th e  util it y  fu nctio n  of   IS P  s  sat isfie s  the  prop e rt ie s  of   con ca vity  and  un i qu e ness . (t he  proof i s  giv e n by ap pe nd i x C )       5.   NUMER IC A L RES ULTS     We  tu rn   now  to  disc us s  ho w  to  ta ke  a dv antage  of   our  analy ti cal   resul ts.  W e  pro pos e  to  stu dy  nu m erical ly   the  m ark et   sh a re   gam e  ta kin g  a ccount  of  previ ou s   ex pressi on s  of  dem and   f unct ions  a nd  uti li ty  of   the  I SP  s.  To  il lustrate ,  we  co ns ide r  two  ho m og e ne ou s  IS P  s  lo okin g  to  m axi m iz e  their  res pecti ve  payo ff s .  I n  pa r ti cular,  we  dis cuss  t he  i nf lue nce  of  the   pe na lt y  factor   i  a nd  the   band widt h  of  the  C P  in   cases  of   neu t rali ty   and   no n - neu t rali ty .  The  fi gures  2  an d  3  re pr ese nt  res pecti vely   the  curves  of   t he  co nver ge nc e  to  Nash  e qu il ib rium   e2e  Q oS  in  bo t h  ne utral  an d  non - ne ut ral  net wor k,   it   is  cl ear  t hat  the  be st  res po ns e   dynam ic   al go rithm   1  converg ence  to  t he  uni qu e  Nas h  e qu i li br ium   e2e  Q oS ,  i n  bo t h  ca ses,  we   al so   noti ce  the  co nv e rgenc e  sp eed  is  r el at ively   fast  (6   it erati on s  for  the  neu t ral  case  an d  5  it erati ons  f or   the  non - ne ut ral   case).  S o  this  si m ulati on   of   th e  al go rithm   1  i s  able  to  eff ic ie ntly   con ve r ge   the  Nash   e qu il ibriu m   e2e  QoS  in   neu t ral an d n on - ne utral n et w ork.             5.1.   I mp act o f the  QoS pe na l ity fa c t or   The  fig ures  4  and   5  represe nt   the  var ia ti on   of   the  e2e  QoS  at   equ il ibrium   and   par ti ti on in g  of   t he   total   dem and   a t  equ il ib rium   po i nts  w .r.t   pe nalty   factor  ,  we  no te   f or   nu ll   values  pe nalty   factor ,   al l  I SP  s ,   ov e r  ne utrali ty   or  non - ne utral it y  cases,  ha ve  the  sam e  resu lt s  of  e 2e  QoS  (resp.   of  the   de m and   par ti ti oning).   And  as w e  see ,   the  cha nges  in   the  e2e   Q oS   is   si m il ar  to  tho s e  of  d em and  parti ti on in g,  w hi ch  is  norm al   since   the  dem and   Di(:)  of   IS Pi  is  propo rtion al   to  it s  e2e  QoS  (q ~i ).   H ow e ve r  the   increased  penal ty   factor   reduces   the  e2e   Q oS  ( Re sp .  dem and   par ti ti on i ng)  w hich  is   norm al ,  by  that  t he  i nc rease  of  this  fa ct or   push e s  I S P  s  i n  a  neu t ral  netw ork  to  m ini m ize  the  dif fer e nc e  betwee n  pr om ise d  QoS  an d  real  Qo S ,  un ti l  that  IS P  s  in  this   reg im e  hav e  fo r  s ub sc ribe rs  that  these  fait hful  EUs  (a= 500)  f or   sm al l   value  of  e2e  QoS.  Th us   f or  non - pr i vileged   ISP 2,   t he  inc reasi ng  of   this  fact or   has  m or e  i m pact  on   this  IS P  c om par ed   to  I SP  s  of  ne utral  netw ork,   t he  i nc rease  of   t his  f act or   m ay   even   pu s h  t he  E U s  of  this  IS P   to   m igrate  to  a no ther  IS P   offe ring  a   sign ific a nt  e2e   Qo S  or   to  unsu bsc ri be  com plete ly .  These  i m pacts  of   the   increas e d  pe na lt y  factor   for   the  non - pri vilege d  ISP2   ha ve  a n  inv e rse  im pact  f or   t he  pr i vileged   I SP 1,   w hich  al lo ws  it   t o  offe r  a  sig nificant   e2e  QoS a nd get  a larg e  m ark et  sh are .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2252 - 8776   IJECE   Vol.  6 ,   No.  3 ,   Decem ber   201 7   :   166  –   178   172         5.2.  I mp act o f the  availa ble  ba n dwi dt h   ɸ c   The  m ai n  te xt  form at   con sist   The  fi gure  6  re pr ese nts  the  e 2e   QoS   va riat io n  w.r.t  the  bandw i dth   ɸc ,  we  no te   t hat  f or   sm all  band width  val ues  betwee n  (16 00  -   3000) ,  I SP  s  in  a  ne utral  netw ork  or  a  non - pr i vileged  ISP 2   can  not  choos e  la rg e  e2e  QoS,   H oweve r,   th e  CP  do es  no t  hav e  a  la r ge  ba ndwidt h  to  en sur e   e2e  Q oS   pr om i sed  by  t he  pri vi le ged   I SP 1 ,   e ve n - if  it   ch ooses   e2e  Q oS   as  m uch   a s  possible   accor ding  to  t he  c   band width  ar ri ving  t o  c hoos e   q ~ m ax ,  and  f or  ba ndwi dth   va lues  (b et ween  3000  a nd  78000),   the   I SP   s  of  a   neu t ral  netw ork  are  incr easi n g  their  e2e  QoS   in  a  rem ark able  m ann er  with  resp ect   to  t he   I SP 2   non - ne utra l   netw ork u ntil  all   ISP   s c hoos e  q ~ m ax , Th is i s the case  where  the  band width r ang e s fr om  ( 78000  -   2000 00).   F igure  7  sho w s  the  dem and   pa rtit ion in g  bet ween  I SP   s  w.r .t  the  ba ndwidt h  c ,   we  no te   th at   for  I SP   s  in  a  neu t ral  ne twork  ha ve  th e  sam e  de m and s  a nd  pro porti on al ly   inc rease   with  c  unti l  7800,  a nd   dem and   is   const ant  f or   al l   ISP   s.  F or   no n - ne utral  net w ork,   a nd  f or   s m al l  ban dw i dt h  val ues  ( betw een  16 00   a nd  3000) ,  ISP   s  in   a  neu t ral  net w ork   or  non - pri vilege d  ISP 2   ca n  no t  c hoos e  great   val ues  of  the  e 2e  QoS ,   ho wev e r,  th e   CP  does  not  ha ve  a   la rg e   ba ndwidt h  to   e nsure   prom ise d  e 2e  QoS  of  the   pr i vileged   I SP 1 ,  eve n - if  t his  l at ter   choose  a   la r ge st  e2e  QoS  po ssible  w .r .t  ba ndwidt h,   getti ng  to  c hoo se   q ~ m ax ,  and   f or  ba ndwidt h  va lues  (b et ween   3000   an d  78 000),  t he  I SP   s  of  a  neu t ral  net wor k  are   incre asi ng  their   e2e   Q oS  in  a   rem ark a ble  m ann er  w.r.t  the  I SP 2   in  no n - ne utral  netw ork  unti l  al l  ISP   s  ch oose  q ~ m ax ,  i t  is  the  case  of   a  band widt h  betwee n 780 00  an d 200 000.           Figure 6 . I m pact  of   t he  a vaila ble  ba ndwi dth  ɸc  on   equ il ib rium  Q oS   Figure  7.   Im pact  of   the   avai la ble  ba ndwidt h  ɸc  of the CP  on p arti ti on in g dem and       F igure  8  re pre sents  the  net  re venue  of  the  I SP   s  w.r.t  the   c  ba ndwidt h,   i n  the  ne utral  ne twork ,  the  IS P   s  e quit abl y  sh ar e  the   ne t  re venue   bet w een  t hem .  Howev e r,  the   pri vileged   I SP 1   (i f  the   no n - ne utrali ty )  at tract s a larg e  m ark et  sh a re  w hich  im po ve ris hed  t he net re ve nu e  of the  ISP 2 . W e  rem ark  that ther e  are  t hree   reg im es  m a inly   du e  to  the  va riat ion   of  the  e 2e  Q oS ,  well ,  us ua ll y  wh en  t he  I SP   s  ch oos e  q ~ m a x ,  we  no t e  that  there  is  a  ce rtai n  dif fer e nce  in  net  re ve nue   du e   to  the  ab sence  of   pe nalty   on   qu al it y  of   se r vice,  but   this   diff e re nce  will   disa pp ea r  wh e n  band width  c  te nd s   to  gr eat   values .  Com par ed   with   the  re su lt s  of  net  re ve nue   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - ICT     IS S N:  22 52 - 8776       Th e C ompeti ti on Betw een  I SP s in Pre se nce  o f t he  Net  Neu trali ty   ( Mohamed El A mr ani )   173   wh e n  pri ce  ch ang e s  with  fi xe d  e2e  QoS ,  th e  resu lt s  of  our   stud y  will   al low   I SP   s  to  ach ie ve  sign i fican t  net  rev e nue.           Figure  8. Im pact o f  the a vaila ble b a ndwi dth   ɸc  of the C P   on the  n et   re venue       5.2.1.   Neu tr al  setup V S. no n - neu tra l  setu p   To  giv e  pr i or it y  to  it s  con te nt s  ov e r  that  of  the  I SP 2 ,  T he  I SP 1   sig ne d  a  s pecial   co ntract   with  the  con te nt  pro vide r.   T his  co ntra ct   can  be  c onsi der e d  as  ro a db locks  or  sho rtcuts  de fine d  by  the   CP   to  disc er n  the  con te nt  of   the  ISP 1 .  Fig ures  6  an d  7  il lustrate   resp ect iv el y,  the  change   in  e2e  QoS ,  a nd   the  dem ands  at   the  Nas h  e quil ibriu m ,  by  va r yi ng   the   qual it y  of   c   ba ndwi dth   offere d  by  CP   .  We  no te   that  the  e qu il ib rium   e2e  Q oS   for  al l  ISP   s  in  a  n e utral  netw ork  and   a  no n - ne utral  netw ork  in crease  with  c.  A  sp eci al   featu re  is  that  the  e2e  Q oS  at   equ il ibri um   of   non - ne utr al it y  are  m or e  im po rtant  than  the  e2e  Q oS   i n  a  neu tral   netw ork.   This  enc oura ge s  custom ers  t o  purc hase  ser vices,  w hich  e xp la in s  the  in c rease  in  total   de m and   in  non - neu t ral  netw orks.  Ot he rw ise ,  the  ISP 1   has  m or e  pow er and bec om e s the m ast er o f t he  m ark et , g iv ing  it  the a bili ty  to   offer   ser vices  with  bette r  qu al it y.  This  causes  at tract   new  su bs c ribe rs,   r edu ci ng   dem a nd   f or  the  ISP 2   and   even   it s  tur nover.  Wh en  c  is  relat ively   lo w  an d  not  su f fici ent  to  ans wer   to  the  tot al   de m and ,  th e  ISP 2   without  pri vileged  c ontract   m akes  le ss  than  it s  com petito r,   this  c om e s  from   a  la ck  of   ba ndwi dth  wa s   consum ed  by  t he  I SP 1 .  We  note   that  w he n  t he  c on te nt  pro vid e r  m anag es  an  e norm ou s  ba ndwidt h  to  a nswer   the  total   de m a nd,  the  m easur es  of   ne utrali ty   m ee t  the  m e asur e s  of   non - neu t rali ty .  Thus,  the  ISP 1  ha d  no   reason  to  in ves t  in  the  sign in g  of   a  pri vilege d  co ntract  sinc e  the  two  re gi m es  (n eutral  a nd   non - ne utral )  give   the sam e resu lt .     5.2.2.   N on - ne ut r ality   sus ta i ns m onop olist ic  a nd  unfair   compe titio n   The  fig ur e  8  r epr ese nts  t he  ne t  rev e nue  of  t he  bo t h  inter ne t  serv ic e  pro vi der s  for  t he  ne utral  case   and   t he  no n - ne utral  case.  Du e   to   the  abse nce   of   pen al ty   on  the  qual it y  of   serv ic e  ( Q oS  s ince  an nounce d  is  encou ntere d  in   non - ne utral  co nd it io ns ) ,  the  I SP 1   at tract s  a  hi gh e r  m ark et   sh are .  Cl early   t his  sit uation - w here   the  ISP 1   has  a dvanta ges  ove r  the  I SP 2   is com plete ly  u nf ai r . In fact , th i s in duces a k i nd   of   m on opoly po si ti on  a m on g  I SP  s .  Howe ver,  this   m on opoly  sit uation  im plicit ly   pr ohi bits  th e  com petit or s  from   entering  the  m ark et  b y  us in g unfair c om petit ive p racti ces  arisi ng fro m  it s inf l uen ce  on t he  m ark et  as a   pr i vileged   I SP   .       6.   IMP AC T  OF  COMPE TIT I ON     6.1.   Pri ce  of   anarch y   The  c on ce pt  of  the  so ci al   s urplus  [12]  or  tot al   cost  [ 13 ] ,  is  def i ned   a s  the  m axi m u m   of   the  s um   of   util it ie s  of   al l  agen ts  in  th e  syst e m s  (i.e.  Pr ov i der s ).   It  is  well   known  in  gam e  theor y  that  sel fishn ess  of   th e   agen t ,  as  i n  a  Nash   e quil ibri um ,  ty pically   do e s  not  le ad  to  a  so ci al ly   eff ect ive  sit uatio n.   A s  a  m easu re  of   eff ic ie ncy  l os s  du e   to  div e r ge nce  of   i nterests   of  use rs ,  we  use   the  pr ic e  of  anar c hy  P  oA  [ 14 ] ,  t his  la tt er  is  a   m easur e  of  the   loss  of  eff ic ie ncy  due  to   the   sel fishn e ss  of   the  act or s .  Th is  loss  was  defi ned   in  [14]  as   the  rati o  of   the  w or st  com par in g  the  m easur e  of   the  overall   eff ic ie ncy  (to   be  sel ect ed)   at   the  end   of  non - coope rati ve  ga m e  play ed  bet ween  the  act or s,  to  t he  opti m um   value  of  thi s  m easur e  eff i c ie ncy.  A  P o A  cl os e  to  1  in dicat es  that  the  e qu il ib rium   is  abo ut  s ocial ly   op ti m a l ,  an d  the n  the  conseq ue nces  of   sel fish  beh a vi or   are  relat ively   ben i gn.  The  te rm   pr ic e  of   an arch y  was  us e d  by  K outso upia s  and   Pa pad i m it riou   [14].  As  in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2252 - 8776   IJECE   Vol.  6 ,   No.  3 ,   Decem ber   201 7   :   166  –   178   174   [15],  m easur in g  t he  lo s s  of  eff ic ie ncy  due   to  t he  sel fishness  of  the   ac tors  as  th e  quotient  of  the  s ocial   welfare  obtai ne d  at  the  N a sh  equ il ib rium  an d  the  m axi m um  v al ue  of so ci al  w el far e:         We  represe nt  the  var ia ti on  in  the  pr ic e  of  an arch y  if  the  pr i ce  payable  by  ISP   s  is  fixed   ( Figure  9).   The  first  rem ark   is  t hat  the   pri ce  of  a nar c hy  e xceeds  0.5,  it   m eans  that  t he  equ il ib rium   is  so ci al ly   acce pt able  for  any  val ue  of  ba ndwidt h,   but  the  pri ce  of   anar c hy  va ries  accor ding  to  th ree  sit uations.  The  fir st  when   w e   hav e   no  e no ug h  band width,  t he  I SP   s  do  no t  express  t heir  sel fish  beh a vi or.  T he  sec ond  sit uation  wher e  the   CP   has  a  band width   m edium ,   the  ISP   s  are  beco m ing   m or e  and   m or e  sel fish,   a nd   the  t hir d  one  wh e r e  we  hav e   a  gr eat   va lue  of  t he  ba ndwidt h  c,   the   sel fish  be ha vio r  w ea ke ns .  B ut  ge ne rall y,  ne utrali ty   is  so c ia ll y  good  for  ISP   s   w hen  the  ba ndwi dth   c   is  lo w,   by  c ons,  w hen  c  is  im po r ta nt,  the   pri ce  of  ana rch y  of  a  non - neu t ral  net wor k  is  higher   co m par ed  to  t hat  of  the  ne utral  netw ork.  Th us  wh e n  c   te nds  t o  gr eat   values ,   each   case o f neut rali ty  b ecom e so ci al ly  r esponsi ble.           Figure  9 .  I m pact o f  the a vaila ble b a ndwi dth   ɸc of t he  C P  on the   pri ce  of   a nar c hy       7.   CONCL US I O N   We  pr ese nte d  i n  this   w ork   a  non - c ooper at iv e   gam e  m ark et   sh are .  Eac h  ISP   re ports  s om e   e2e   Q oS   ref e ren ce   it   cl aim s  to  guara ntee  to  it s  s ubscri ber s .  T he n,   eac h  I SP   ,   ta king  int o  a ccount  the   de m an d  gen e rated ,  determ ines  the  be st  e2e  Q oS   m axi m iz es  it s   net  rev e nue.   I n  a dd it io n,  both   ne utral   ( no   discrim inati on   on   t he  data  flo wing  th rou gh   t he  net wor k)   a nd   non - ne utral  wh e n  s om e  sp eci fic  ISP   si gn ed  a   sp eci al   con t rac t  with  the  co nt ent  prov i der   t o  f ocus  it s  con - te nt.  Ba sed  on   t he  Rose n’s  Superm odularit y  conditi on,  we  pro ved   t he  e xistence  a nd   uniqu e ness   of  a  Nash  eq uili br i um   fo r  both  ca ses.  We  hav e   s ho w n  nu m eri cal ly   that  the  non - ne utral  re gim e   i s  ben e fici al   for  EU   s  beca use   it   inv olv es   at   gr eat   rates  an d  i m pr oved  qu al it y  of   serv ic e.   Howev e r,   it   can  sup port  th e  m on op olist ic  and   unfair  co m pet it ion   betwe e n  internet se r vice pro vid e rs.                     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ - ICT     IS S N:  22 52 - 8776       Th e C ompeti ti on Betw een  I SP s in Pre se nce  o f t he  Net  Neu trali ty   ( Mohamed El A mr ani )   175   APPE ND I CE S   a .   Existence   o f  T he Nash  Equil ibri um  e 2e  Q o S   i n  Neutral  N etwork     Pr oo f  1  E qu at i on   (14)   represe nt  the  seco nd   de rivati ve  of  the   util ity  fu nctio n  11  w.r.t  the  qu al it y  of   serv ic e:         The  sec ond  de rivati ve  of   t he  util it y  fu nction  is  neg at ive ,  th en  the  util it y  fu nctio n  is  c on c ave,  hence   the ex ist e nce  of the  N as h  e quil ibriu m  e2 e Qo S foll ows,  [ 16 ]     B .   Un ique ness  o f  t he  Nash  Equ il ibri um  e 2e Qo S   i n  Neu tr al N e twor k     Pr oo f  2  T he  uniq uen e ss  of  the  e qu il ib rium  point  is  guara nteed  i f  the   uti li ty   fu nctio n  s at isfie s  th e   co ndit ions  of  Rosen [ 16 ] ,  M ou li n  [ 17 ] ,  de rive d  f ro m   the  superm odularit y  conditi on ,   wh ic h  is  a nothe r   al te rn at ive to  s at isfy t he  co nd it ion s  of  R os e n:  Th e  Nas h  e quil ibriu m  p oin t i s uniq ue  if:                             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.