La calidad de servicio ( QoS ) es la descripción o medición del rendimiento general de un servicio, como una red de telefonía o informática , o un servicio de computación en la nube , en particular el rendimiento que perciben los usuarios de la red. Para medir cuantitativamente la calidad de servicio, a menudo se consideran varios aspectos relacionados con el servicio de red, como la pérdida de paquetes , la tasa de bits , el rendimiento , el retraso de transmisión , la disponibilidad , el jitter , etc.
En el campo de las redes informáticas y otras redes de telecomunicaciones con conmutación de paquetes , la calidad del servicio se refiere a los mecanismos de control de la priorización del tráfico y de la reserva de recursos, más que a la calidad del servicio lograda. La calidad del servicio es la capacidad de proporcionar diferentes prioridades a diferentes aplicaciones, usuarios o flujos de datos , o de garantizar un cierto nivel de rendimiento a un flujo de datos.
La calidad del servicio es especialmente 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 sean tan útiles como las redes telefónicas para las conversaciones de audio, además de dar soporte a nuevas aplicaciones con requisitos de rendimiento de red aún más estrictos.
En el campo de la telefonía , la calidad de servicio fue definida por la UIT en 1994. [1] La calidad de servicio comprende los requisitos sobre todos los aspectos de una conexión, como el tiempo de respuesta del servicio, la pérdida, la relación señal-ruido, la diafonía , el eco, las interrupciones, la respuesta de frecuencia, los niveles de sonoridad, etc. Un subconjunto de la QoS de telefonía son los requisitos de grado de servicio (GoS), que comprende aspectos de una conexión relacionados con la capacidad y la cobertura de una red, por ejemplo, la probabilidad máxima garantizada de bloqueo y la probabilidad de interrupción. [2]
En el campo de las redes informáticas y otras redes de telecomunicaciones con conmutación de paquetes , la ingeniería de teletráfico se refiere a los mecanismos de control de priorización de tráfico y reserva de recursos en lugar de a 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 cierto nivel de rendimiento a un flujo de datos. Por ejemplo, se puede garantizar una tasa de bits requerida, un retraso , una variación del retraso , una pérdida de paquetes o tasas de errores de bits . La calidad de servicio es importante para aplicaciones multimedia de transmisión en tiempo real, como voz sobre IP , juegos en línea multijugador e IPTV , ya que estas a menudo requieren una tasa de bits fija y son sensibles al retraso. La calidad de servicio es especialmente importante en redes donde la capacidad es un recurso limitado, por ejemplo en la comunicación de datos celulares.
Una red o un protocolo que admita QoS puede acordar un contrato de tráfico con el software de aplicación y reservar capacidad en los nodos de la red, por ejemplo, durante una fase de establecimiento de sesión. Durante la sesión, puede supervisar el nivel de rendimiento alcanzado, por ejemplo, la velocidad y el retraso de los datos, y controlar dinámicamente las prioridades de programación en los nodos de la red. Puede liberar la capacidad reservada durante una fase de desmantelamiento .
Una red o servicio de máximo esfuerzo no admite la calidad del servicio. Una alternativa a los mecanismos complejos de control de la calidad de servicio es proporcionar una comunicación de alta calidad a través de una red de máximo esfuerzo mediante el sobreaprovisionamiento de capacidad para que sea suficiente para la carga de tráfico pico prevista. La ausencia resultante de congestión de la red reduce o elimina la necesidad de mecanismos de calidad de servicio.
En ocasiones, la QoS se utiliza como una medida de calidad, con muchas definiciones alternativas, en lugar de referirse a la capacidad de reservar recursos. La calidad del servicio a veces se refiere al nivel de calidad del servicio, es decir, la calidad del servicio garantizada. [3] Una QoS alta suele confundirse con un alto nivel de rendimiento, por ejemplo, una alta tasa de bits, una baja latencia y una baja tasa de errores de bits.
En ocasiones, la calidad de servicio (QoS) se utiliza en servicios de la capa de aplicación, como la telefonía y la transmisión de vídeo, para describir una métrica que refleja o predice la calidad subjetivamente experimentada. En este contexto, la QoS es el efecto acumulativo aceptable sobre la satisfacción del suscriptor de todas las imperfecciones que afectan al servicio. Otros términos con un significado similar son la calidad de la experiencia (QoE), la puntuación media de opinión (MOS), la medida de la calidad perceptual del habla (PSQM) y la evaluación perceptual de la calidad del vídeo (PEVQ).
En el pasado, se han hecho populares varios intentos de aplicar tecnologías de capa 2 que añaden etiquetas QoS a los datos. Algunos ejemplos son Frame Relay , Asynchronous Transfer Mode (ATM) y Multiprotocol Label Switching (MPLS) (una técnica entre la capa 2 y la 3). A pesar de que estas tecnologías de red siguen utilizándose en la actualidad, este tipo de red perdió atención tras la llegada de las redes Ethernet . Hoy en día, Ethernet es, con diferencia, la tecnología de capa 2 más popular. Los enrutadores y conmutadores de red convencionales de Internet funcionan con el principio del mejor esfuerzo. Este equipo es menos costoso, menos complejo y más rápido, y por tanto más popular que las tecnologías anteriores más complejas que proporcionaban mecanismos de QoS.
Ethernet utiliza opcionalmente 802.1p para señalar la prioridad de una trama.
Originalmente, en cada encabezado de paquete IP se proporcionaban cuatro bits de tipo de servicio y tres bits de precedencia , pero no se respetaban en general. Estos bits se redefinieron más tarde como puntos de código de servicios diferenciados (DSCP).
Con la llegada de IPTV y la telefonía IP , los mecanismos de QoS están cada vez más disponibles para el usuario final.
En las redes de conmutación de paquetes , la calidad del servicio se ve afectada por diversos factores, que pueden dividirse 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. [4]
A los paquetes les pueden pasar muchas cosas mientras viajan desde el origen al destino, lo que da lugar a los siguientes problemas vistos desde el punto de vista del remitente y del receptor:
Es posible que se desee o requiera una calidad de servicio definida para ciertos tipos de tráfico de red, por ejemplo:
Estos tipos de servicios 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 todo el ancho de banda disponible. Las aplicaciones de transferencia masiva de archivos que dependen de TCP son generalmente elásticas.
Las redes conmutadas por circuitos, especialmente las destinadas a la transmisión de voz, como ATM o GSM , tienen QoS en el protocolo central, es decir, se reservan recursos en cada paso de la red para la llamada a medida que se establece, por lo que no es necesario realizar procedimientos adicionales para lograr el rendimiento requerido. Las unidades de datos más cortas y la QoS integrada fueron algunos de los puntos de venta exclusivos de ATM para aplicaciones como el vídeo a pedido .
Cuando el gasto de los mecanismos para proporcionar QoS está justificado, los clientes y proveedores de red pueden firmar un acuerdo contractual denominado acuerdo de nivel de servicio (SLA), que especifica garantías sobre la capacidad de una conexión para brindar un rendimiento garantizado en términos de rendimiento o latencia en función de medidas acordadas mutuamente.
Una alternativa a los mecanismos complejos de control de la calidad de servicio es proporcionar comunicaciones de alta calidad mediante un exceso de aprovisionamiento generoso de la red, de modo que la capacidad se base en estimaciones de carga de tráfico máxima. Este enfoque es sencillo para redes con cargas máximas predecibles. Este cálculo puede requerir que se tengan en cuenta aplicaciones exigentes que puedan compensar las variaciones en el ancho de banda y el retraso con grandes búferes de recepción, lo que suele ser posible, por ejemplo, en la transmisión de vídeo.
El exceso de aprovisionamiento puede resultar de utilidad limitada en el caso de los protocolos de transporte (como TCP ) que, con el tiempo, aumentan la cantidad de datos que se colocan en la red hasta que se consume todo el ancho de banda disponible y se descartan los paquetes. Estos protocolos voraces tienden a aumentar la latencia y la pérdida de paquetes para todos los usuarios.
La cantidad de sobreaprovisionamiento en los enlaces internos necesaria para reemplazar la calidad de servicio depende de la cantidad de usuarios y sus demandas de tráfico. Esto limita la utilidad del sobreaprovisionamiento. Las aplicaciones más nuevas que requieren un mayor ancho de banda y la incorporación de más usuarios dan como resultado la pérdida de redes sobreaprovisionadas. Esto requiere una actualización física de los enlaces de red relevantes, lo que es un proceso costoso. Por lo tanto, no se puede asumir ciegamente que existe sobreaprovisionamiento en Internet.
Los servicios comerciales de VoIP suelen ser competitivos con el servicio telefónico tradicional en términos de calidad de las llamadas, incluso sin mecanismos de calidad de servicio en uso en la conexión del usuario a su ISP y en la conexión del proveedor de VoIP a un ISP diferente. Sin embargo, en condiciones de alta carga, la calidad de VoIP puede degradarse hasta alcanzar la de un teléfono celular o incluso peor. Las matemáticas del tráfico de paquetes indican que la red requiere solo un 60% más de capacidad bruta bajo supuestos conservadores. [5]
A diferencia de las redes de un solo propietario, Internet es una serie de puntos de intercambio que interconectan redes privadas. [6] Por lo tanto, el núcleo de Internet es propiedad de varios proveedores de servicios de red diferentes y está gestionado por ellos, no por una sola entidad. Su comportamiento es mucho más impredecible .
Hay dos enfoques principales para la calidad de servicio en las redes IP de conmutación de paquetes modernas: un sistema parametrizado basado en un intercambio de requisitos de aplicación con la red y un sistema priorizado donde cada paquete identifica un nivel de servicio deseado para la red.
Los primeros trabajos utilizaban la filosofía de servicios integrados (IntServ) de reservar recursos de red. En este modelo, las aplicaciones utilizaban RSVP para solicitar y reservar recursos a través de una red. Si bien los mecanismos IntServ funcionan, se advirtió que en una red de banda ancha típica de un proveedor de servicios más grande, se requeriría que los enrutadores centrales aceptaran, mantuvieran y eliminaran miles o posiblemente decenas de miles de reservas. Se creía que este enfoque no escalaría con el crecimiento de Internet [7] y, en cualquier caso, era antitético al principio de extremo a extremo , la noción de diseñar redes de modo que los enrutadores centrales hagan poco más que simplemente conmutar paquetes a las velocidades más altas posibles.
En DiffServ, los paquetes están marcados por las fuentes de tráfico o por los dispositivos de borde por donde el tráfico ingresa a la red. En respuesta a estas marcas, los enrutadores y conmutadores utilizan varias estrategias de colas para adaptar el rendimiento a los requisitos. En la capa IP, las marcas DSCP utilizan el campo DS de 6 bits en el encabezado del paquete IP. En la capa MAC, se puede utilizar VLAN IEEE 802.1Q para transportar 3 bits de esencialmente la misma información. Los enrutadores y conmutadores que admiten DiffServ configuran su programador de red para utilizar múltiples colas para los paquetes que esperan ser transmitidos desde interfaces con restricciones de ancho de banda (por ejemplo, área amplia). Los proveedores de enrutadores proporcionan diferentes capacidades para configurar este comportamiento, que incluyen 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 baja fluctuación (por ejemplo, VoIP o videoconferencia ) tienen prioridad sobre los paquetes en otras colas. Normalmente, se asigna parte del ancho de banda de forma predeterminada a los paquetes de control de red (como el Protocolo de mensajes de control de Internet y los protocolos de enrutamiento), mientras que al tráfico de mejor esfuerzo se le puede asignar simplemente el ancho de banda restante.
En la capa de control de acceso al medio (MAC), se pueden utilizar las VLAN IEEE 802.1Q e IEEE 802.1p para distinguir entre tramas Ethernet y clasificarlas. Se han desarrollado modelos de teoría de colas sobre análisis de rendimiento y calidad de servicio para protocolos de capa MAC. [8] [9]
Cisco IOS NetFlow y la base de información de gestión (MIB) de QoS basada en clases (CBQoS) de Cisco son comercializados por Cisco Systems . [10]
Un ejemplo convincente de la necesidad de QoS en Internet se relaciona con el colapso por congestión . Internet se basa en protocolos para evitar la congestión, principalmente los que se encuentran integrados en el Protocolo de Control de Transmisión (TCP), para reducir el tráfico en condiciones que de otro modo llevarían a un colapso por congestión. Las aplicaciones de QoS, como VoIP e IPTV , requieren tasas de bits en gran medida constantes y baja latencia, por lo que no pueden usar TCP ni 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 modelación 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 en tiempo real sin colapsar.
Existen varios mecanismos y esquemas de QoS para redes IP.
Las capacidades de QoS están disponibles en las siguientes tecnologías de red.
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. [12] RSVP es un protocolo de reserva de ancho de banda de extremo a extremo y control de admisión . RSVP no fue ampliamente adoptado debido a limitaciones de escalabilidad. [13] 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) diseñadas para el tráfico. [14] El IETF también definió los próximos pasos en la señalización (NSIS) [15] con la señalización de QoS como objetivo. NSIS es un desarrollo y simplificación de RSVP.
Los consorcios de investigación como "end-to-end quality of service support over heterogeneous networks" (EuQoS, de 2004 a 2007) [16] y foros como el IPsphere Forum [17] desarrollaron más mecanismos para la invocación de QoS mediante handshaking de un dominio al siguiente. IPsphere definió el bus de señalización Service Structuring Stratum (SSS) para establecer, invocar e (intentar) asegurar los servicios de red. EuQoS realizó experimentos para integrar Session Initiation Protocol , Next Steps in Signaling y el SSS de IPsphere con un coste estimado de unos 15,6 millones de euros y publicó un libro. [18] [19]
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. [20] [21] [22] Otro proyecto de investigación llamado PlaNetS fue propuesto para financiación europea alrededor de 2005. [23] Un proyecto europeo más amplio llamado "Arquitectura y diseño para la futura Internet" conocido como 4WARD tuvo un presupuesto estimado en 23,4 millones de euros y fue financiado desde enero de 2008 hasta junio de 2010. [24] Incluía un "Tema de Calidad de Servicio" y publicó un libro. [25] [26] Otro proyecto europeo, llamado WIDENS (Wireless Deployable Network System), [27] propuso un enfoque de reserva de ancho de banda para redes ad hoc inalámbricas móviles de múltiples velocidades. [28]
Los protocolos de red con criptografía fuerte, como Secure Sockets Layer , I2P y redes privadas virtuales , ocultan los datos que se transfieren a través de ellos. Como todo el comercio electrónico en Internet requiere el uso de protocolos de criptografía tan fuertes, la degradación unilateral del rendimiento del tráfico cifrado crea un riesgo inaceptable para los clientes. Sin embargo, el tráfico cifrado no puede someterse a una inspección profunda de paquetes para la calidad de servicio.
Protocolos como ICA y RDP pueden encapsular otro tráfico (por ejemplo, impresión, transmisión de video) con requisitos variables que pueden dificultar la optimización.
En 2001, el proyecto Internet2 descubrió que los protocolos de QoS probablemente no se podían implementar dentro de su red de Abilene con el equipo disponible en ese momento. [29] [a] El grupo predijo que “las barreras logísticas, financieras y organizativas bloquearían el camino hacia cualquier garantía de ancho de banda” mediante modificaciones de protocolos destinadas a mejorar la QoS. [30] 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 de QoS de mayor precio. En lugar de eso, propusieron un exceso de aprovisionamiento de capacidad como una opción más rentable en ese momento. [29] [30]
El estudio de la red de Abilene sirvió de base para el testimonio de Gary Bachula en la audiencia sobre Neutralidad de Red del Comité de Comercio del Senado de los Estados Unidos a principios de 2006. Expresó su opinión de que añadir más ancho de banda era más eficaz que cualquiera de los diversos esquemas para lograr la calidad de servicio que examinaron. [31] El testimonio de Bachula ha sido citado por los defensores de una ley que prohíba la calidad de servicio como prueba de que tal oferta no cumple ningún propósito legítimo. Este argumento se basa en el supuesto de que el exceso de aprovisionamiento no es una forma de calidad de servicio y que siempre es posible. El coste y otros factores afectan a la capacidad de los operadores de construir y mantener redes con exceso de aprovisionamiento permanente. [ cita requerida ]
Los proveedores de servicios celulares móviles pueden ofrecer QoS móvil a los clientes, al igual que los proveedores de servicios de redes telefónicas públicas conmutadas por cable y los proveedores de servicios de Internet pueden ofrecer QoS. Los mecanismos de QoS siempre se proporcionan para servicios con conmutación de circuitos y son esenciales para servicios inelásticos, por ejemplo, transmisión multimedia .
La movilidad añade complicaciones a los mecanismos de calidad de servicio. Una llamada telefónica u otra sesión pueden verse interrumpidas después de un traspaso si la nueva estación base está sobrecargada. Los traspasos impredecibles hacen imposible ofrecer una garantía absoluta de calidad de servicio durante la fase de inicio de la sesión.
La calidad de servicio en el campo de la telefonía se definió por primera vez en 1994 en la Recomendación E.800 de la UIT-T . Esta definición es muy amplia y enumera seis componentes principales: soporte, operabilidad, accesibilidad, capacidad de retención, integridad y seguridad. [1] En 1998, la UIT publicó un documento en el que se analiza la calidad de servicio en el campo de las redes de datos. La norma X.641 ofrece un medio para desarrollar o mejorar normas relacionadas con la calidad de servicio y proporciona conceptos y terminología que deberían ayudar a mantener la coherencia de las normas relacionadas. [32]
Algunas solicitudes de comentarios (RFC) de la IETF relacionadas con la calidad de servicio son Baker, Fred; Black, David L.; Nichols, Kathleen; Blake, Steven L. (diciembre de 1998), Definición del campo de servicios diferenciados (campo DS) en los encabezados de IPv4 e IPv6 , doi : 10.17487/RFC2474 , RFC 2474, y Braden, Robert T.; Zhang, Lixia; Berson, Steven; Herzog, Shai; Jamin, Sugih (septiembre de 1997), Braden, R. (ed.), Protocolo de reserva de recursos (RSVP) , doi : 10.17487/RFC2205 , RFC 2205 Ambos se han analizado anteriormente. El IETF también ha publicado dos RFC que ofrecen información general sobre la calidad de servicio: Huston, Geoff (noviembre de 2000), Next Steps for the IP QoS Architecture , doi :10.17487/RFC2990, RFC 2990 , y Floyd, S.; Kempf, J. (2004), Kempf, J. (ed.), Preocupaciones de la IAB respecto del control de congestión del tráfico de voz en Internet , doi :10.17487/RFC3714, RFC 3714 .
El IETF también ha publicado Baker, Fred; Babiarz, Jozef; Chan, Kwok Ho (agosto de 2006), Pautas de configuración para clases de servicio DiffServ , doi : 10.17487/RFC4594 , RFC 4594 como un documento informativo o de mejores prácticas sobre los aspectos prácticos del diseño de una solución de QoS para una red DiffServ . El documento intenta identificar aplicaciones que se ejecutan comúnmente en una red IP, las agrupa en clases de tráfico, estudia el tratamiento que estas clases requieren de la red y sugiere cuáles de los mecanismos de QoS comúnmente disponibles en los enrutadores se pueden usar para implementar esos tratamientos.
{{cite book}}: CS1 maint: fecha y año ( enlace ) CS1 maint: falta la ubicación del editor ( enlace )el esfuerzo que se requiere para establecer reservas de recursos basadas en flujo a lo largo de la ruta es enorme. Además, la señalización de control necesaria y el mantenimiento del estado en los enrutadores limitan la escalabilidad de este enfoque.
{{citation}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )