Calidad de servicio

Calidad de servicio (QoS) es la descripción o medida del rendimiento general de un servicio, como una red telefónica o informática, o un servicio de computación en la nube, particularmente el desempeño visto por los usuarios de la red. Para medir cuantitativamente la calidad del servicio, a menudo se consideran varios aspectos relacionados con el servicio de la red, como la pérdida de paquetes, la tasa de bits, el rendimiento, el retraso de transmisión, la disponibilidad, la inestabilidad, etc.

En el campo de las redes informáticas y otras redes de telecomunicaciones de conmutación de paquetes, la calidad de servicio se refiere a la priorización del tráfico y los mecanismos de control de reserva de recursos en lugar de la calidad de servicio lograda. La calidad de servicio es la capacidad de proporcionar diferentes prioridades a diferentes aplicaciones, usuarios o flujos de datos, o de garantizar un determinado nivel de rendimiento a un flujo de datos.

La calidad del servicio es particularmente importante para el transporte de tráfico con requisitos especiales. En particular, los desarrolladores han introducido la tecnología de Voz sobre IP para permitir que las redes informáticas se vuelvan tan útiles como las redes telefónicas para conversaciones de audio, además de admitir nuevas aplicaciones con requisitos de rendimiento de red aún más estrictos.

Definiciones

En el campo de la telefonía, la calidad de servicio fue definida por la UIT en 1994. La calidad de servicio comprende los requisitos de todos los aspectos de una conexión, como el tiempo de respuesta del servicio, la pérdida, la relación señal/ruido, la diafonía, eco, interrupciones, respuesta de frecuencia, niveles de sonoridad, etc. Un subconjunto de QoS de telefonía son los requisitos de grado de servicio (GoS), que comprenden aspectos de una conexión relacionados con la capacidad y la cobertura de una red, por ejemplo, probabilidad de bloqueo máxima garantizada y probabilidad de interrupción.

En el campo de las redes informáticas y otras redes de telecomunicaciones de conmutación de paquetes, la ingeniería de teletráfico se refiere a la priorización del tráfico y los mecanismos de control de reserva de recursos en lugar de la calidad del servicio logrado. La calidad de servicio es la capacidad de proporcionar diferentes prioridades a diferentes aplicaciones, usuarios o flujos de datos, o de garantizar un determinado nivel de rendimiento a un flujo de datos. Por ejemplo, se pueden garantizar una tasa de bits requerida, un retardo, una variación de retardo, una pérdida de paquetes o tasas de errores de bits. La calidad del servicio es importante para las aplicaciones multimedia de transmisión en tiempo real, como voz sobre IP, juegos en línea para varios jugadores e IPTV, ya que a menudo requieren una tasa de bits fija y son sensibles a los retrasos. La calidad del servicio es especialmente importante en las redes donde la capacidad es un recurso limitado, por ejemplo, en la comunicación de datos celulares.

Una red o protocolo que admita QoS puede acordar un contrato de tráfico con el software de la aplicación y reservar capacidad en los nodos de la red, por ejemplo, durante una fase de establecimiento de sesión. Durante la sesión, puede monitorear el nivel de rendimiento alcanzado, por ejemplo, la tasa de datos y el retraso, y controlar dinámicamente las prioridades de programación en los nodos de la red. Puede liberar la capacidad reservada durante una fase de desmontaje.

Una red o servicio de mejor esfuerzo no es compatible con la calidad del servicio. Una alternativa a los complejos mecanismos de control de QoS es proporcionar una comunicación de alta calidad a través de una red de mejor esfuerzo sobreaprovisionando la capacidad para que sea suficiente para la carga máxima de tráfico esperada. La ausencia resultante de congestión en la red reduce o elimina la necesidad de mecanismos de QoS.

QoS a veces se usa como una medida de calidad, con muchas definiciones alternativas, en lugar de referirse a la capacidad de reservar recursos. La calidad de servicio a veces se refiere al nivel de calidad de servicio, es decir, la calidad de servicio garantizada. La alta QoS a menudo se confunde con un alto nivel de rendimiento, por ejemplo, alta tasa de bits, baja latencia y baja tasa de errores de bits.

QoS a veces se usa en servicios de capa de aplicación como telefonía y transmisión de video para describir una métrica que refleja o predice la calidad experimentada subjetivamente. En este contexto, QoS es el efecto acumulativo aceptable sobre la satisfacción del suscriptor de todas las imperfecciones que afectan el servicio. Otros términos con un significado similar son la calidad de la experiencia (QoE), la puntuación de opinión media (MOS), la medida de la calidad del habla perceptual (PSQM) y la evaluación perceptual de la calidad del video (PEVQ).

Historia

Varios intentos de tecnologías de capa 2 que agregan etiquetas QoS a los datos han ganado popularidad en el pasado. Los ejemplos son Frame Relay, modo de transferencia asíncrono (ATM) y conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) (una técnica entre la capa 2 y 3). A pesar de que estas tecnologías de red siguen en uso hoy en día, este tipo de red perdió atención después de la llegada de las redes Ethernet. En la actualidad, Ethernet es, con mucho, la tecnología de capa 2 más popular. Los enrutadores de Internet y los conmutadores de red convencionales funcionan sobre la base del mejor esfuerzo. Este equipo es menos costoso, menos complejo y más rápido y, por lo tanto, más popular que las tecnologías anteriores más complejas que brindan mecanismos de QoS.

Ethernet usa opcionalmente 802.1p para señalar la prioridad de un marco.

Había cuatro bits de tipo de servicio y tres bits de precedencia proporcionados originalmente en cada encabezado de paquete IP, pero generalmente no se respetaban. Estos bits se redefinieron más tarde como puntos de código de servicios diferenciados (DSCP).

Con la llegada de la IPTV y la telefonía IP, los mecanismos QoS están cada vez más disponibles para el usuario final.

Calidades del tráfico

En las redes de conmutación de paquetes, la calidad del servicio se ve afectada por varios factores, que se pueden dividir en factores humanos y técnicos. Los factores humanos incluyen: estabilidad de la calidad del servicio, disponibilidad del servicio, tiempos de espera e información del usuario. Los factores técnicos incluyen: confiabilidad, escalabilidad, efectividad, mantenibilidad y congestión de la red.

Muchas cosas pueden sucederles a los paquetes mientras viajan desde el origen hasta el destino, lo que resulta en los siguientes problemas vistos desde el punto de vista del remitente y el receptor:

Goodput

Debido a la carga variable de usuarios dispares que comparten los mismos recursos de red, el rendimiento máximo que se puede proporcionar a una determinada secuencia de datos puede ser demasiado bajo para servicios multimedia en tiempo real.

Pérdida de paquete

La red puede no entregar (gota) algunos paquetes debido a la congestión de la red. La solicitud de recepción puede pedir que esta información sea retransmitida, lo que podría provocar un colapso congestivo o retrasos inaceptables en la transmisión general.

Errores

A veces los paquetes se corrompen debido a errores de bits causados por el ruido y la interferencia, especialmente en comunicaciones inalámbricas y alambres de cobre largos. El receptor tiene que detectar esto, y, al igual que si el paquete fue retirado, puede pedir que esta información sea retransmitida.

Latency

Puede tardar mucho tiempo en que cada paquete llegue a su destino porque se mantiene en largas colas, o se necesita una ruta menos directa para evitar la congestión. En algunos casos, la latencia excesiva puede hacer una aplicación como VoIP o juegos en línea inutilizable.

Variación de retraso del paquete

Los paquetes de la fuente llegarán al destino con diferentes retrasos. El retraso de un paquete varía con su posición en las colas de los routers a lo largo del camino entre fuente y destino, y esta posición puede variar impredeciblemente. La variación de la demora se puede absorber en el receptor, pero al hacerlo aumenta la latencia general para el flujo.

Entrega fuera de orden

Cuando una colección de paquetes relacionados se encamina a través de una red, diferentes paquetes pueden tomar diferentes rutas, cada uno resulta en un retraso diferente. El resultado es que los paquetes llegan en un orden diferente al que fueron enviados. Este problema requiere protocolos adicionales especiales para reorganizar paquetes fuera de orden. El proceso de reordenamiento requiere amortiguación adicional en el receptor, y, al igual que con la variación de retraso del paquete, aumenta la latencia general para el flujo.

Aplicaciones

Se puede desear o requerir una calidad de servicio definida para ciertos tipos de tráfico de red, por ejemplo:

• Streaming media specifically
  • Internet Protocol television (IPTV)
  • Audio sobre Ethernet
  • Audio sobre IP
• Voz sobre IP (VoIP)
• Videotelephony
• Telepresencia
• Aplicaciones de almacenamiento como iSCSI y Fibre Channel sobre Ethernet
• Servicio de emulación de circuitos
• Aplicaciones críticas de seguridad como la cirugía remota donde los problemas de disponibilidad pueden ser peligrosos
• Sistemas de soporte de operaciones de red ya sea para la propia red, o para las necesidades críticas de los clientes
• Juegos en línea donde lag en tiempo real puede ser un factor
• Protocolos de sistemas de control industrial como EtherNet/IP que se utilizan para el control en tiempo real de la maquinaria

Estos tipos de servicio se denominan inelásticos, lo que significa que requieren una determinada tasa de bits mínima y una determinada latencia máxima para funcionar. Por el contrario, las aplicaciones elásticas pueden aprovechar cualquier ancho de banda disponible. Las aplicaciones de transferencia masiva de archivos que dependen de TCP son generalmente elásticas.

Mecanismos

Las redes de conmutación de circuitos, especialmente las destinadas a la transmisión de voz, como ATM o GSM, tienen QoS en el protocolo central, los recursos se reservan en cada paso de la red para la llamada a medida que se configura, no hay necesidad de procedimientos adicionales para lograr el desempeño requerido. Unidades de datos más cortas y QoS integrada fueron algunos de los puntos de venta únicos de ATM para aplicaciones como video on demand.

Cuando se justifica el costo de los mecanismos para proporcionar QoS, los clientes y proveedores de la red pueden celebrar un acuerdo contractual denominado acuerdo de nivel de servicio (SLA) que especifica garantías para la capacidad de una conexión para brindar un rendimiento garantizado en términos de rendimiento. o latencia basada en medidas mutuamente acordadas.

Sobreaprovisionamiento

Una alternativa a los complejos mecanismos de control de QoS es proporcionar una comunicación de alta calidad mediante el sobreaprovisionamiento generoso de una red, de modo que la capacidad se base en las estimaciones de carga máxima de tráfico. Este enfoque es simple para redes con picos de carga predecibles. Es posible que este cálculo deba apreciar las aplicaciones exigentes que pueden compensar las variaciones en el ancho de banda y la demora con grandes búferes de recepción, lo que a menudo es posible, por ejemplo, en la transmisión de video.

El sobreaprovisionamiento puede tener un uso limitado frente a los protocolos de transporte (como TCP) que, con el tiempo, aumentan la cantidad de datos colocados en la red hasta que se consume todo el ancho de banda disponible y se descartan los paquetes. Estos protocolos codiciosos tienden a aumentar la latencia y la pérdida de paquetes para todos los usuarios.

La cantidad de sobreaprovisionamiento en los enlaces interiores necesarios para reemplazar QoS depende de la cantidad de usuarios y sus demandas de tráfico. Esto limita la usabilidad del aprovisionamiento excesivo. Las aplicaciones más nuevas que hacen un uso intensivo del ancho de banda y la adición de más usuarios dan como resultado la pérdida de redes sobreaprovisionadas. Entonces, esto requiere una actualización física de los enlaces de red relevantes, lo cual es un proceso costoso. Por lo tanto, el sobreaprovisionamiento no puede asumirse ciegamente en Internet.

Los servicios comerciales de VoIP a menudo son competitivos con el servicio telefónico tradicional en términos de calidad de llamada, incluso sin mecanismos QoS en uso en la conexión del usuario a su ISP y la conexión del proveedor de VoIP a un ISP diferente. Sin embargo, en condiciones de alta carga, VoIP puede degradarse a la calidad de un teléfono celular o peor. Las matemáticas del tráfico de paquetes indican que la red requiere solo un 60% más de capacidad bruta bajo suposiciones conservadoras.

Esfuerzos de IP y Ethernet

A diferencia de las redes de un solo propietario, Internet es una serie de puntos de intercambio que interconectan redes privadas. Por lo tanto, el núcleo de Internet es propiedad y está administrado por varios proveedores de servicios de red diferentes, no por una sola entidad. Su comportamiento es mucho más impredecible.

Hay dos enfoques principales de QoS en las redes IP modernas de conmutación de paquetes, un sistema parametrizado basado en un intercambio de requisitos de aplicación con la red y un sistema priorizado en el que cada paquete identifica un nivel de servicio deseado para la red.

• Servicios integrados ("IntServ") implementa el enfoque parametizado. En este modelo, las aplicaciones utilizan el Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP) para solicitar y reservar recursos a través de una red.
• Servicios diferenciados ("DiffServ") implementa el modelo priorizado. Diff Serv marca paquetes según el tipo de servicio que desean. En respuesta a estas marcas, routers y conmutadores utilizan varias estrategias de programación para adaptar el rendimiento a las expectativas. Las marcas de puntos de código de servicios diferenciados (DSCP) utilizan los primeros 6 bits en el campo ToS (ahora renombrado como el campo DS) del encabezado de paquetes IP(v4).

Los primeros trabajos utilizaron la filosofía de servicios integrados (IntServ) de reservar recursos de red. En este modelo, las aplicaciones usaban RSVP para solicitar y reservar recursos a través de una red. Si bien los mecanismos IntServ funcionan, se dio cuenta de que en una red de banda ancha típica de un proveedor de servicios más grande, los enrutadores Core deberían aceptar, mantener y eliminar miles o posiblemente decenas de miles de reservas. Se creía que este enfoque no escalaría con el crecimiento de Internet y, en cualquier caso, era la antítesis del principio de extremo a extremo, la noción de diseñar redes de modo que los enrutadores centrales hicieran poco más que simplemente cambiar paquetes en el nivel más alto. tarifas posibles.

Bajo DiffServ, los paquetes están marcados por las propias fuentes de tráfico o por los dispositivos de borde donde el tráfico ingresa a la red. En respuesta a estas marcas, los enrutadores y conmutadores utilizan varias estrategias de cola para adaptar el rendimiento a los requisitos. En la capa IP, las marcas DSCP usan el campo DS de 6 bits en el encabezado del paquete IP. En la capa MAC, VLAN IEEE 802.1Q puede usarse para transportar 3 bits de esencialmente la misma información. Los enrutadores y conmutadores que admiten DiffServ configuran su programador de red para usar múltiples colas para paquetes que esperan la transmisión desde interfaces con ancho de banda limitado (por ejemplo, área amplia). Los proveedores de enrutadores brindan diferentes capacidades para configurar este comportamiento, para incluir la cantidad de colas admitidas, las prioridades relativas de las colas y el ancho de banda reservado para cada cola.

En la práctica, cuando se debe reenviar un paquete desde una interfaz con colas, los paquetes que requieren poca fluctuación (por ejemplo, VoIP o videoconferencia) tienen prioridad sobre los paquetes en otras colas. Por lo general, parte del ancho de banda se asigna de manera predeterminada a los paquetes de control de la red (como el Protocolo de mensajes de control de Internet y los protocolos de enrutamiento), mientras que el tráfico de mejor esfuerzo simplemente puede recibir el ancho de banda sobrante.

En la capa de control de acceso a medios (MAC), se pueden usar VLAN IEEE 802.1Q e IEEE 802.1p para distinguir entre tramas de Ethernet y clasificarlas. Se han desarrollado modelos de teoría de colas sobre análisis de rendimiento y QoS para protocolos de capa MAC.

Cisco IOS NetFlow y la base de información de administración (MIB) de Cisco Class Based QoS (CBQoS) son comercializados por Cisco Systems.

Un ejemplo convincente de la necesidad de QoS en Internet se relaciona con el colapso congestivo. Internet se basa en protocolos para evitar la congestión, principalmente integrados en el Protocolo de control de transmisión (TCP), para reducir el tráfico en condiciones que de otro modo conducirían a un colapso congestivo. Las aplicaciones QoS, como VoIP e IPTV, requieren tasas de bits constantes en gran medida y baja latencia, por lo tanto, no pueden usar TCP y no pueden reducir su tasa de tráfico para ayudar a prevenir la congestión. Los acuerdos de nivel de servicio limitan el tráfico que se puede ofrecer a Internet y, por lo tanto, imponen una configuración del tráfico que puede evitar que se sobrecargue y, por lo tanto, son una parte indispensable de la capacidad de Internet para manejar una combinación de tráfico en tiempo real y no. -tráfico en tiempo real sin colapso.

Protocolos

Existen varios mecanismos y esquemas de QoS para redes IP.

• El tipo de campo de servicio (ToS) en la cabecera IPv4 (ahora superada por DiffServ)
• Servicios diferenciados (DiffServ)
• Servicios integrados (IntServ)
• Protocolo de Reserva de Recursos (RSVP)
• RSVP-TE

Las capacidades de QoS están disponibles en las siguientes tecnologías de red.

• Multiprotocol Label Switching (MPLS) ofrece ocho clases de QoS
• Frame Relay
• X.25
• Algunos módems DSL
• ATM
• Ethernet compatible con IEEE 802.1Q con video de audio Bridging y Networking Time-Sensitive
• Wi-Fi compatible con IEEE 802.11e
• InicioPNA red casera sobre alambres de coax y teléfono
• El estándar G.hn ofrece QoS por medio de oportunidades de transmisión libres de contención (CFTXOPs) que se asignan a flujos que requieren QoS y que han negociado un contrato con el controlador de red. G.hn también admite la operación no QoS por medio de ranuras temporales basadas en contención.

Calidad de servicio de extremo a extremo

La calidad de servicio de extremo a extremo puede requerir un método para coordinar la asignación de recursos entre un sistema autónomo y otro. El Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) definió el Protocolo de reserva de recursos (RSVP) para la reserva de ancho de banda como un estándar propuesto en 1997. RSVP es un protocolo de control de admisión y reserva de ancho de banda de extremo a extremo. RSVP no fue ampliamente adoptado debido a las limitaciones de escalabilidad. La versión de ingeniería de tráfico más escalable, RSVP-TE, se utiliza en muchas redes para establecer rutas conmutadas por etiquetas de conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) con ingeniería de tráfico. El IETF también definió los próximos pasos en la señalización (NSIS) con la señalización QoS como objetivo. NSIS es un desarrollo y simplificación de RSVP.

Consorcios de investigación como "soporte de calidad de servicio de extremo a extremo en redes heterogéneas" (EuQoS, de 2004 a 2007) y foros como el IPsphere Forum desarrollaron más mecanismos para el intercambio de invocaciones de QoS de un dominio a otro. IPsphere definió el bus de señalización del estrato de estructuración de servicios (SSS) para establecer, invocar e (intentar) asegurar los servicios de red. EuQoS realizó experimentos para integrar el Protocolo de inicio de sesión, los próximos pasos en señalización y SSS de IPsphere con un costo estimado de alrededor de 15,6 millones de euros y publicó un libro.

Un proyecto de investigación Multi Service Access Everywhere (MUSE) definió otro concepto de QoS en una primera fase desde enero de 2004 hasta febrero de 2006, y una segunda fase desde enero de 2006 hasta 2007. Otro proyecto de investigación llamado PlaNetS fue propuesto para financiación europea alrededor de 2005. Un proyecto europeo más amplio denominado "Arquitectura y diseño para la Internet del futuro" conocido como 4WARD tenía un presupuesto estimado en 23,4 millones de euros y fue financiado desde enero de 2008 hasta junio de 2010. Incluía un tema de "Calidad de servicio" y publicó un libro. Otro proyecto europeo, llamado WIDENS (Wireless Deployable Network System), propuso un enfoque de reserva de ancho de banda para redes adhoc de múltiples velocidades inalámbricas móviles.

Limitaciones

Los fuertes protocolos de red de criptografía como Secure Sockets Layer, I2P y las redes privadas virtuales oscurecen los datos transferidos a través de ellos. Dado que todo el comercio electrónico en Internet requiere el uso de protocolos criptográficos tan sólidos, la degradación unilateral del rendimiento del tráfico cifrado crea un peligro inaceptable para los clientes. Sin embargo, el tráfico cifrado no puede someterse a una inspección profunda de paquetes para QoS.

Protocolos como ICA y RDP pueden encapsular otro tráfico (por ejemplo, impresión, transmisión de video) con diferentes requisitos que pueden dificultar la optimización.

El proyecto Internet2 descubrió, en 2001, que los protocolos QoS probablemente no se podían implementar dentro de su Abilene Network con el equipo disponible en ese momento. El grupo predijo que "las barreras logísticas, financieras y organizativas bloquearán el camino hacia cualquier garantía de ancho de banda" mediante modificaciones de protocolo destinadas a QoS. Creían que la economía alentaría a los proveedores de red a erosionar deliberadamente la calidad del tráfico de mejor esfuerzo como una forma de empujar a los clientes a servicios QoS de mayor precio. En cambio, propusieron el aprovisionamiento excesivo de capacidad como más rentable en ese momento.

El estudio de la red de Abilene fue la base del testimonio de Gary Bachula en la audiencia del Comité de Comercio del Senado de los EE. UU. sobre la neutralidad de la red a principios de 2006. Expresó la opinión de que agregar más ancho de banda era más efectivo que cualquiera de los varios esquemas para lograr QoS que examinaron. El testimonio de Bachula ha sido citado por los defensores de una ley que prohíbe la calidad del servicio como prueba de que dicha oferta no cumple ningún propósito legítimo. Este argumento depende de la suposición de que el aprovisionamiento excesivo no es una forma de QoS y que siempre es posible. El costo y otros factores afectan la capacidad de los operadores para construir y mantener redes permanentemente abastecidas.

QoS móvil (celular)

Los proveedores de servicios celulares móviles pueden ofrecer QoS móvil a los clientes del mismo modo que los proveedores de servicios de red telefónica pública conmutada por cable y los proveedores de servicios de Internet pueden ofrecer QoS. Los mecanismos de QoS siempre se proporcionan para los servicios de conmutación de circuitos y son esenciales para los servicios inelásticos, por ejemplo, la transmisión multimedia.

La movilidad añade complicaciones a los mecanismos de QoS. Una llamada telefónica u otra sesión puede interrumpirse después de un traspaso si la nueva estación base está sobrecargada. Los traspasos impredecibles hacen que sea imposible dar una garantía absoluta de QoS durante la fase de inicio de la sesión.

Estándares

La calidad del servicio en el campo de la telefonía se definió por primera vez en 1994 en la Recomendación ITU-T E.800. Esta definición es muy amplia y enumera 6 componentes principales: Soporte, Operabilidad, Accesibilidad, Conservabilidad, Integridad y Seguridad. En 1998, la UIT publicó un documento sobre QoS en el campo de las redes de datos. X.641 ofrece un medio para desarrollar o mejorar estándares relacionados con QoS y proporciona conceptos y terminología que deberían ayudar a mantener la coherencia de los estándares relacionados.

Algunas solicitudes de comentarios (RFC) del IETF relacionadas con QoS son Baker, Fred; Negro, David L.; Nichols, Kathleen; Blake, Steven L. (diciembre de 1998), Definición del campo de servicios diferenciados (DS Field) en los encabezados de IPv4 e IPv6, RFC 2474, y Braden, Robert T.; Zhang, Lixia; Berson, Steven; Herzog, Shai; Jamin, Sugih (septiembre de 1997), Resource ReServation Protocol (RSVP), RFC 2205 ; ambos se discuten arriba. El IETF también ha publicado dos RFC que brindan antecedentes sobre QoS: Huston, Geoff (noviembre de 2000), Next Steps for the IP QoS Architecture, RFC 2990 y Inquietudes de IAB sobre el control de congestión para el tráfico de voz en Internet, RFC 3714.

El IETF también ha publicado Baker, Fred; Babiarz, Jozef; Chan, Kwok Ho (agosto de 2006), Directrices de configuración para clases de servicio DiffServ, RFC 4594 como información o mejores prácticas documento sobre los aspectos prácticos del diseño de una solución QoS para una red DiffServ. El documento trata de identificar las aplicaciones que comúnmente se ejecutan en una red IP, las agrupa en clases de tráfico, estudia el tratamiento requerido por estas clases de la red y sugiere cuáles de los mecanismos de QoS comúnmente disponibles en los enrutadores pueden usarse para implementar esos tratamientos.