La calidad de servicio ( QoS ) es la descripción o medición del rendimiento general de un servicio, como una red telefónica o informática , o un servicio de computación en la nube , en particular el rendimiento visto por los usuarios de la red. Para medir cuantitativamente la calidad del servicio, a menudo se consideran varios aspectos relacionados del servicio de red, como la pérdida de paquetes , la velocidad de bits , el rendimiento , el retraso de transmisión , la disponibilidad , la fluctuación , etc.
En el campo de las redes informáticas y otras redes de telecomunicaciones con conmutación de paquetes , la calidad del servicio se refiere a la priorización del tráfico y a los mecanismos de control de reserva de recursos, más que a la calidad del 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.
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 conversaciones de audio, además de admitir 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 requisitos sobre 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 la 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 máxima garantizada de bloqueo y 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 mecanismos de control de reserva de recursos y priorización del tráfico en lugar de a la calidad del 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 de retraso , una pérdida de paquetes o tasas de error de bits . La calidad del servicio es importante para aplicaciones multimedia de transmisión en tiempo real, como voz sobre IP , juegos multijugador en línea e IPTV , ya que a menudo requieren una velocidad de bits fija y son sensibles a los retrasos. La calidad del servicio es especialmente importante en redes donde la capacidad es un recurso limitado, por ejemplo en la comunicación de datos móviles.
Una red o protocolo que soporte 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 monitorear 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. Podrá liberar la capacidad reservada durante una fase de desmantelamiento .
Una red o servicio de mejor esfuerzo no respalda la calidad del servicio. Una alternativa a los complejos mecanismos de control de QoS es proporcionar 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 de la red reduce o elimina la necesidad de mecanismos de QoS.
La QoS se utiliza a veces 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 alta calidad de servicio a menudo se confunde con un alto nivel de rendimiento, por ejemplo, una alta tasa de bits, baja latencia y baja tasa de error de bits.
La QoS se utiliza a veces en servicios de capa de aplicación, como telefonía y transmisión de vídeo, 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 abonado de todas las imperfecciones que afectan al servicio. Otros términos con significado similar son calidad de la experiencia (QoE), puntuación media de opinión (MOS), medida de la calidad perceptiva del habla (PSQM) y evaluación perceptiva de la calidad del vídeo (PEVQ).
En el pasado han ganado popularidad varios intentos de tecnologías de capa 2 que agregan etiquetas QoS a los datos. Algunos ejemplos son Frame Relay , Modo de transferencia asíncrono (ATM) y Conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) (una técnica entre las capas 2 y 3). A pesar de que estas tecnologías de red siguen utilizándose hoy en día, este tipo de red perdió atención después de la llegada de las redes Ethernet . Hoy en día, Ethernet es, con diferencia, la tecnología de capa 2 más popular. Los enrutadores de Internet y conmutadores de red convencionales funcionan con el mejor esfuerzo posible. Este equipo es menos costoso, menos complejo y más rápido y, por tanto, más popular que tecnologías anteriores más complejas que proporcionaban mecanismos de QoS.
Ethernet utiliza opcionalmente 802.1p para señalar la prioridad de una trama.
Había cuatro tipos de bits de servicio y tres bits de precedencia originalmente proporcionados en cada encabezado de paquete IP , pero en general no se respetaban. Estos bits se redefinieron posteriormente como puntos de código de servicios diferenciados (DSCP).
Con la llegada de la 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 varios 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]
Pueden suceder muchas cosas con los paquetes mientras viajan desde el origen al destino, lo que resulta en 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:
Este tipo 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 cualquier ancho de banda disponible. Las aplicaciones de transferencia masiva de archivos que dependen de TCP son generalmente elásticas.
Las redes con conmutación de circuitos, especialmente aquellas 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 rendimiento requerido. Unidades de datos más cortas y QoS incorporada fueron algunos de los puntos de venta únicos de ATM para aplicaciones como video bajo demanda .
Cuando el gasto de los mecanismos para proporcionar QoS está justificado, 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. sobre medidas mutuamente acordadas.
Una alternativa a los complejos mecanismos de control de QoS es proporcionar comunicación de alta calidad sobreaprovisionando generosamente una red para que la capacidad se base en estimaciones de carga de tráfico máxima. Este enfoque es sencillo para redes con cargas máximas predecibles. Es posible que este cálculo deba apreciar aplicaciones exigentes que puedan compensar las variaciones en el ancho de banda y el retraso con grandes buffers de recepción, lo que a menudo es posible, por ejemplo, en la transmisión de video.
El sobreaprovisionamiento puede ser de utilidad limitada 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 enlaces interiores necesaria para reemplazar la QoS depende del número de usuarios y de sus demandas de tráfico. Esto limita la usabilidad del sobreaprovisionamiento. Las aplicaciones más nuevas que consumen más ancho de banda y la incorporación de más usuarios dan como resultado la pérdida de redes sobreaprovisionadas. Esto requiere entonces una actualización física de los enlaces de red relevantes, lo cual es un proceso costoso. Por lo tanto, no se puede asumir ciegamente que hay un exceso de aprovisionamiento en Internet.
Los servicios comerciales de VoIP suelen ser competitivos con el servicio telefónico tradicional en términos de calidad de llamada, incluso sin mecanismos de 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 algo peor. Las matemáticas del tráfico de paquetes indican que la red requiere sólo 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 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 para la 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 donde cada paquete identifica un nivel de servicio deseado para la red.
Los primeros trabajos utilizaron 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 de IntServ funcionan, se comprendió que en una red de banda ancha típica de un proveedor de servicios más grande, los enrutadores Core tendrían que aceptar, mantener y eliminar miles o posiblemente decenas de miles de reservas. Se creía que este enfoque no crecería con el crecimiento de Internet [7] y, en cualquier caso, era la antítesis del principio de extremo a extremo , la noción de diseñar redes de modo que los enrutadores centrales hagan poco más que simplemente intercambiar paquetes. a las tarifas más altas posibles.
En DiffServ, los paquetes están marcados por las propias fuentes de tráfico o por los dispositivos periféricos 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 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 paquetes en espera de 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 un paquete debe reenviarse desde una interfaz con cola, los paquetes que requieren baja fluctuación (por ejemplo, VoIP o videoconferencia ) tienen prioridad sobre los paquetes en otras colas. Normalmente, parte del ancho de banda se asigna 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 sobrante.
En la capa de control de acceso al medio (MAC), se pueden utilizar 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 QoS para protocolos de capa MAC. [8] [9]
Cisco IOS NetFlow y Cisco Class Based QoS (CBQoS) Management Information Base (MIB) son comercializados por Cisco Systems .[10]
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 los 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 en gran medida constantes y baja latencia, por lo que 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 tiempo real y no real. tráfico sin colapso.
Existen varios mecanismos y esquemas de QoS para redes IP.
Las capacidades de QoS están disponibles en las siguientes tecnologías de red.
La calidad del 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 estándar propuesto en 1997. [12] RSVP es un protocolo de control de admisión y reserva de ancho de banda de extremo a extremo . RSVP no se adoptó ampliamente debido a limitaciones de escalabilidad. [13] La versión de ingeniería de tráfico más escalable, RSVP-TE , se utiliza en muchas redes para establecer rutas de conmutación de etiquetas de conmutación de etiquetas multiprotocolo (MPLS) diseñadas para el tráfico. [14] El IETF también definió los próximos pasos en señalización (NSIS) [15] 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 a través de redes heterogéneas" (EuQoS, de 2004 a 2007) [16] y foros como el Foro IPsphere [17] desarrollaron más mecanismos para la invocación de QoS de un dominio a otro. el siguiente. IPsphere definió el bus de señalización Service Structuring Stratum (SSS) para establecer, invocar y (intentar) asegurar servicios de red. EuQoS llevó a cabo experimentos para integrar el protocolo de inicio de sesión , los próximos pasos en señalización 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 en 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 el futuro Internet" conocido como 4WARD tenía 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 criptográficos sólidos , como Secure Sockets Layer , I2P y redes privadas virtuales, oscurecen los datos transferidos mediante ellos. Como todo comercio electrónico en Internet requiere el uso de protocolos criptográficos tan fuertes, 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 determinar la calidad del servicio.
Protocolos como ICA y RDP pueden encapsular otro tráfico (por ejemplo, impresión, transmisión de video) con requisitos variables que pueden dificultar la optimización.
El proyecto Internet2 descubrió, en 2001, que los protocolos QoS probablemente no se podían implementar dentro de su red Abilene con el equipo disponible en ese momento. [29] [a] 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 la QoS. [30] Creían que la economía alentaría a los proveedores de redes 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 lugar de ello, propusieron el sobreaprovisionamiento de capacidad como más rentable en ese momento. [29] [30]
El estudio de la red de Abilene fue la base para el testimonio de Gary Bachula en la audiencia del Comité de Comercio del Senado de los EE. UU. sobre 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 diversos esquemas para lograr la QoS que existían. examinado. [31] El testimonio de Bachula ha sido citado por quienes proponen una ley que prohíba la calidad del servicio como prueba de que dicha oferta no sirve a ningún propósito legítimo. Este argumento depende del supuesto de que el sobreaprovisionamiento 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 sobreaprovisionadas. [ cita necesaria ]
Los proveedores de servicios celulares móviles pueden ofrecer QoS móvil a los clientes del mismo modo 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 de conmutación de circuitos y son esenciales para servicios inelásticos, por ejemplo, streaming multimedia .
La movilidad añade complicaciones a los mecanismos de QoS. Una llamada telefónica u otra sesión puede interrumpirse después de una transferencia si la nueva estación base está sobrecargada. Los traspasos impredecibles hacen imposible ofrecer una garantía absoluta de QoS durante la fase de inicio de sesión.
La calidad de servicio en el campo de la telefonía se definió por primera vez en 1994 en la Recomendación UIT-T E.800. Esta definición es muy amplia y enumera 6 componentes principales: soporte, operatividad, accesibilidad, retenibilidad, integridad y seguridad. [1] En 1998, la UIT publicó un documento sobre la QoS en el campo de las redes de datos. X.641 ofrece un medio para desarrollar o mejorar estándares relacionados con la QoS y proporcionar conceptos y terminología que deberían ayudar a mantener la coherencia de los estándares relacionados. [32]
Algunas solicitudes de comentarios (RFC) del IETF relacionadas con la QoS son Baker, Fred; Negro, David L.; Nichols, Kathleen; Blake, Steven L. (diciembre de 1998), Definición del campo de servicios diferenciados (campo DS) en los encabezados IPv4 e IPv6 , doi : 10.17487/RFC2474 , RFC 2474y 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 analizan anteriormente. El IETF también ha publicado dos RFC que brindan información general sobre QoS: 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 IAB sobre el control de la 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 QoS para una red DiffServ . El documento intenta identificar aplicaciones que comúnmente se ejecutan 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}}: Mantenimiento CS1: fecha y año ( enlace ) Mantenimiento CS1: falta ubicación del editor ( enlace )Sin embargo, el esfuerzo requerido para establecer reservas de recursos basadas en el flujo a lo largo de la ruta es enorme. Además, la señalización de control requerida y el mantenimiento del estado en los enrutadores limitan la escalabilidad de este enfoque.
{{citation}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )