QoS

Was ist QoS?

QoS steht für Quality of Service. Bei begrenzten Bandbreitenressourcen weist QoS verschiedenen Diensten Bandbreite zu und bietet eine Ende-zu-Ende-Qualitätssicherung für die Dienste. Beispielsweise können Sprach-, Video- und kritische Datenanwendungen durch die Konfiguration von QoS in Netzwerkgeräten für den Dienst priorisiert werden.

QoS-Metriken

Zu den Faktoren, die die Qualität eines Netzwerks beeinflussen, gehören die Bandbreite der Übertragungsverbindung, Verzögerungen und Jitter bei der Nachrichtenzustellung sowie die Paketverlustrate, die zu Kennzahlen der QoS werden.

Bandbreite

Bandbreite, auch als Durchsatz bezeichnet, ist die maximale Anzahl von Datenbits, die in einem festen Zeitraum (1 Sekunde) von einem Ende des Netzwerks zum anderen übertragen werden kann, oder sie kann als durchschnittliche Rate eines bestimmten Datenstroms zwischen zwei Knoten des Netzwerks interpretiert werden. In Netzwerken gibt es zwei gängige bandbreitenbezogene Konzepte: Uplink-Rate und Downlink-Rate. Die Uplink-Rate ist die Rate, mit der Daten übertragen werden, wenn ein Benutzer Informationen an das Netzwerk sendet, und die Downlink-Rate ist die Rate, mit der das Netzwerk Informationen an den Benutzer sendet. Wenn ein Benutzer beispielsweise eine Datei per FTP in das Netzwerk hochlädt, beeinflusst die Upstream-Rate die Geschwindigkeit der hochgeladenen Datei; und wenn ein Benutzer eine Datei aus dem Netzwerk herunterlädt, beeinflusst die Downstream-Rate die Geschwindigkeit der heruntergeladenen Datei.

Latenz

Latenz ist die Verzögerungszeit, die eine Nachricht oder ein Paket benötigt, um vom sendenden Ende zum empfangenden Ende eines Netzwerks zu gelangen, und setzt sich im Allgemeinen aus Übertragungsverzögerung und Verarbeitungsverzögerung zusammen. Bei der Sprachübertragung ist die Verzögerung beispielsweise die Zeit vom Beginn des Sprechens durch den Sprecher bis zu dem Zeitpunkt, an dem die andere Partei das Gesagte hört. Im Allgemeinen bemerken Menschen eine Verzögerung von weniger als 100 Millisekunden nicht. Wenn die Verzögerung zwischen 100 Millisekunden und 300 Millisekunden liegt, kann der Sprecher eine leichte Pause in der Antwort der anderen Partei feststellen, eine Pause, die für beide Gesprächspartner unangenehm sein kann. Bei mehr als 300 Millisekunden wird die Verzögerung wahrnehmbar, und die Benutzer beginnen, auf die Antwort des jeweils anderen zu warten. Wenn eine Seite des Gesprächs die gewünschte Antwort nicht rechtzeitig erhält, kann der Sprecher das Gesagte wiederholen, was mit der verzögerten Antwort am anderen Ende kollidiert und zu einer Wiederholung führt.

Jitter

Jitter ist wichtig für die Echtzeitübertragung, insbesondere für Echtzeitdienste wie Sprache und Video.  Jitter beeinflusst auch die Verarbeitung einiger Netzwerkprotokolle. Einige Protokolle senden interaktive Nachrichten in festen Intervallen, und zu viel Jitter kann dazu führen, dass das Protokoll oszilliert. Alle Übertragungssysteme weisen Jitter auf, und solange der Jitter innerhalb der festgelegten Toleranzen liegt, beeinträchtigt er die Dienstqualität nicht. Übermäßiger Jitter kann durch die Nutzung von Caching überwunden werden, dies erhöht jedoch die Latenz.

Paketverlustrate

Die Paketverlustrate ist die Anzahl der während der Netzwerkübertragung verlorenen Pakete als Prozentsatz der Gesamtzahl der übertragenen Pakete. Eine geringe Menge an Paketverlust hat keine wesentlichen Auswirkungen auf den Dienst. Beispielsweise bleibt bei der Sprachübertragung der Verlust eines Bits oder eines Informationspakets von beiden Gesprächsteilnehmern oft unbemerkt. Bei der Videoübertragung kann der Verlust eines Bits oder eines Pakets zu kurzzeitigen Wellenformstörungen auf dem Bildschirm führen, die sich jedoch schnell wieder normalisieren können. Die Datenübertragung mit TCP kann eine geringe Anzahl von Paketverlusten bewältigen, da TCP die erneute Übertragung verlorener Informationen ermöglicht. Eine große Anzahl verworfener Pakete kann jedoch die Übertragungseffizienz beeinträchtigen. Bei QoS befassen wir uns mit der Statistik des Paketverlusts, auch bekannt als Paketverlustrate. Für eine normale Übertragung sollte die Netzwerk-Paketverlustrate daher lediglich innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden.

Bedeutung von QoS

Dienste in einem IP-Netzwerk lassen sich in Echtzeitdienste und Nicht-Echtzeitdienste einteilen. Echtzeitdienste belegen häufig eine feste Bandbreite und reagieren deutlich auf Änderungen der Netzwerkqualität, weshalb sie eine hohe Stabilität der Netzwerkqualität erfordern, beispielsweise Sprachdienste. Nicht-Echtzeitdienste belegen Bandbreite, die schwer vorherzusagen ist, und es kommt häufig zu stoßartigem Datenverkehr. Stoßartiger Datenverkehr kann zu einer Verschlechterung der Netzwerkqualität führen, was Netzwerküberlastung verursachen, die Weiterleitungsverzögerung erhöhen und in schweren Fällen Paketverluste verursachen kann, wodurch die Dienstqualität sinkt oder der Dienst sogar nicht mehr verfügbar ist.

Der beste Weg, Netzwerküberlastung zu lösen, besteht darin, die Netzwerkbandbreite zu erhöhen, doch angesichts der Betriebs- und Wartungskosten ist dies unrealistisch; die effektivste Lösung besteht darin, eine „garantierte“ Richtlinie zur Verwaltung des Netzwerkverkehrs anzuwenden.

QoS wird im Allgemeinen verwendet, um die Qualität wichtiger Dienste zu schützen, wenn im Netzwerk unerwarteter Datenverkehr auftritt. Wenn der Dienst über einen längeren Zeitraum die Anforderungen an die Dienstqualität nicht erfüllen kann (z. B. wenn der Dienstverkehr über längere Zeit das Bandbreitenlimit überschreitet), müssen Sie eine Netzwerkerweiterung oder den Einsatz spezialisierter Geräte auf Basis der oberen Anwendungsschichten zur Steuerung des Dienstes in Betracht ziehen.

In den letzten Jahren hat die Nutzung von Videos explosionsartig zugenommen, da inzwischen fast jeder ein Smartphone besitzt, das jederzeit und überall hochauflösende Videos aufnehmen kann. Gleichzeitig ist mit dem Aufkommen sozialer Netzwerke das Teilen und Veröffentlichen von Videos zu einer alltäglichen Handlung für alle geworden, und Menschen können ihre eigenen Videos veröffentlichen, um sie mit anderen zu teilen, egal wo sie sich befinden. Für Unternehmen erzeugen HD-Videokonferenzen, HD-Videoüberwachung und andere Anwendungen ebenfalls viel HD-Videoverkehr im Netzwerk. Im Vergleich zu Sprachverkehr benötigt Videoverkehr mehr Bandbreite und ist instabiler, insbesondere einige interaktive Videoanwendungen, die sehr hohe Echtzeitanforderungen haben.