Qualità del servizio - Quality of service

La qualità del servizio ( QoS ) è la descrizione o la misurazione delle prestazioni complessive di un servizio, come una rete di telefonia o di computer o un servizio di cloud computing , in particolare le prestazioni viste dagli utenti della rete. Per misurare quantitativamente la qualità del servizio, vengono spesso considerati diversi aspetti correlati al servizio di rete, come la perdita di pacchetti , il bit rate , il throughput , il ritardo di trasmissione , la disponibilità , il jitter , ecc.

Nel campo delle reti di computer e di altre reti di telecomunicazioni a commutazione di pacchetto , la qualità del servizio si riferisce alla prioritizzazione del traffico e ai meccanismi di controllo della prenotazione delle risorse piuttosto che alla qualità del servizio raggiunta. La qualità del servizio è la capacità di fornire priorità diverse a diverse applicazioni, utenti o flussi di dati o di garantire un certo livello di prestazioni a un flusso di dati.

La qualità del servizio è particolarmente importante per il trasporto di traffico con requisiti speciali. In particolare, gli sviluppatori hanno introdotto la tecnologia Voice over IP per consentire alle reti di computer di diventare utili quanto le reti telefoniche per le conversazioni audio, oltre a supportare nuove applicazioni con requisiti di prestazioni di rete ancora più severi.

Definizioni

Nel campo della telefonia , la qualità del servizio è stata definita dall'ITU nel 1994. La qualità del servizio comprende i requisiti su tutti gli aspetti di una connessione, come il tempo di risposta del servizio, la perdita, il rapporto segnale/rumore, la diafonia , l'eco, le interruzioni , risposta in frequenza, livelli di volume e così via. Un sottoinsieme dei requisiti di QoS per la telefonia è il grado di servizio (GoS), che comprende aspetti di una connessione relativi alla capacità e alla copertura di una rete, ad esempio la massima probabilità di blocco garantita e la probabilità di interruzione.

Nel campo delle reti di computer e di altre reti di telecomunicazioni a commutazione di pacchetto , l' ingegneria del teletraffico si riferisce alla prioritizzazione del traffico e ai meccanismi di controllo della prenotazione delle risorse piuttosto che alla qualità del servizio raggiunta. La qualità del servizio è la capacità di fornire priorità diverse a diverse applicazioni, utenti o flussi di dati o di garantire un certo livello di prestazioni a un flusso di dati. Ad esempio, può essere garantita una velocità in bit richiesta, ritardo , variazione di ritardo , perdita di pacchetti o velocità di errore in bit . La qualità del servizio è importante per le applicazioni multimediali in streaming in tempo reale come Voice over IP , giochi online multiplayer e IPTV , poiché spesso richiedono bit rate fissi e sono sensibili al ritardo. La qualità del servizio è particolarmente importante nelle reti in cui la capacità è una risorsa limitata, ad esempio nella comunicazione dati cellulare.

Una rete o un protocollo che supporti la QoS può concordare un contratto di traffico con il software applicativo e riservare capacità nei nodi di rete, ad esempio durante una fase di creazione di una sessione. Durante la sessione può monitorare il livello di prestazioni raggiunto, ad esempio la velocità e il ritardo dei dati, e controllare dinamicamente le priorità di schedulazione nei nodi di rete. Può rilasciare la capacità riservata durante una fase di abbattimento .

Una rete o un servizio best-effort non supporta la qualità del servizio. Un'alternativa ai complessi meccanismi di controllo della QoS consiste nel fornire comunicazioni di alta qualità su una rete best-effort con un over-provisioning della capacità in modo che sia sufficiente per il carico di traffico di picco previsto. La conseguente assenza di congestione della rete riduce o elimina la necessità di meccanismi di QoS.

La QoS viene talvolta utilizzata come misura di qualità, con molte definizioni alternative, piuttosto che riferirsi alla capacità di riservare risorse. La qualità del servizio a volte si riferisce al livello di qualità del servizio, ovvero la qualità del servizio garantita. L'elevata QoS viene spesso confusa con un alto livello di prestazioni, ad esempio un'elevata velocità in bit, una bassa latenza e un basso tasso di errore in bit.

La QoS viene talvolta utilizzata nei servizi a livello di applicazione come la telefonia e lo streaming video per descrivere una metrica che riflette o prevede la qualità sperimentata soggettivamente. In questo contesto, QoS è l'effetto cumulativo accettabile sulla soddisfazione dell'abbonato di tutte le imperfezioni che interessano il servizio. Altri termini con significato simile sono la qualità dell'esperienza (QoE), il punteggio medio dell'opinione (MOS), la misura percettiva della qualità del parlato (PSQM) e la valutazione percettiva della qualità video (PEVQ).

Storia

Numerosi tentativi di tecnologie di livello 2 che aggiungono tag QoS ai dati hanno guadagnato popolarità in passato. Esempi sono frame relay , modalità di trasferimento asincrono (ATM) e commutazione di etichette multiprotocollo (MPLS) (una tecnica tra il livello 2 e 3). Nonostante queste tecnologie di rete siano rimaste in uso oggi, questo tipo di rete ha perso attenzione dopo l'avvento delle reti Ethernet . Oggi Ethernet è di gran lunga la tecnologia di livello 2 più popolare. I router Internet convenzionali e gli switch di rete funzionano al meglio . Questa apparecchiatura è meno costosa, meno complessa e più veloce e quindi più popolare rispetto alle precedenti tecnologie più complesse che forniscono meccanismi QoS.

Ethernet utilizza facoltativamente 802.1p per segnalare la priorità di un frame.

C'erano quattro tipi di bit di servizio e tre bit di precedenza originariamente forniti in ogni intestazione del pacchetto IP , ma generalmente non erano rispettati. Questi bit sono stati successivamente ridefiniti come punti di codice dei servizi differenziati (DSCP).

Con l'avvento dell'IPTV e della telefonia IP , i meccanismi di QoS sono sempre più a disposizione dell'utente finale.

Qualità del traffico

Nelle reti a commutazione di pacchetto , la qualità del servizio è influenzata da vari fattori, che possono essere suddivisi in fattori umani e tecnici. I fattori umani includono: stabilità della qualità del servizio, disponibilità del servizio, tempi di attesa e informazioni sull'utente. I fattori tecnici includono: affidabilità, scalabilità, efficacia, manutenibilità e congestione della rete.

Molte cose possono accadere ai pacchetti mentre viaggiano dall'origine alla destinazione, con i seguenti problemi dal punto di vista del mittente e del destinatario:

Goodput
A causa del carico variabile di utenti diversi che condividono le stesse risorse di rete, il throughput massimo che può essere fornito a un determinato flusso di dati potrebbe essere troppo basso per i servizi multimediali in tempo reale.
Perdita di pacchetti
La rete potrebbe non riuscire a consegnare ( eliminare ) alcuni pacchetti a causa della congestione della rete. L'applicazione ricevente può richiedere la ritrasmissione di tali informazioni, con conseguente possibile collasso congestizio o ritardi inaccettabili nella trasmissione complessiva.
Errori
A volte i pacchetti sono danneggiati a causa di errori di bit causati da rumore e interferenze, specialmente nelle comunicazioni wireless e nei lunghi cavi di rame. Il destinatario deve rilevarlo e, proprio come se il pacchetto fosse caduto, potrebbe richiedere la ritrasmissione di questa informazione.
Latenza
Potrebbe volerci molto tempo prima che ogni pacchetto raggiunga la sua destinazione perché viene trattenuto in lunghe code o richiede un percorso meno diretto per evitare la congestione. In alcuni casi, una latenza eccessiva può rendere inutilizzabile un'applicazione come VoIP o giochi online.
Variazione del ritardo del pacchetto
I pacchetti dalla sorgente raggiungeranno la destinazione con diversi ritardi. Il ritardo di un pacchetto varia con la sua posizione nelle code dei router lungo il percorso tra sorgente e destinazione e questa posizione può variare in modo imprevedibile. La variazione del ritardo può essere assorbita dal ricevitore, ma così facendo aumenta la latenza complessiva per il flusso.
Consegna fuori ordine
Quando una raccolta di pacchetti correlati viene instradata attraverso una rete, pacchetti diversi possono seguire percorsi diversi, ciascuno con un ritardo diverso. Il risultato è che i pacchetti arrivano in un ordine diverso da quello in cui sono stati inviati. Questo problema richiede protocolli aggiuntivi speciali per riorganizzare i pacchetti non ordinati. Il processo di riordino richiede un buffer aggiuntivo sul ricevitore e, come con la variazione del ritardo dei pacchetti, aumenta la latenza complessiva per il flusso.

Applicazioni

Una qualità del servizio definita può essere desiderata o richiesta per determinati tipi di traffico di rete, ad esempio:

Questi tipi di servizi sono chiamati anelastici , nel senso che richiedono un certo bit rate minimo e una certa latenza massima per funzionare. Al contrario, le applicazioni elastiche possono trarre vantaggio dalla disponibilità di banda larga o minore . Le applicazioni di trasferimento di file in blocco che si basano su TCP sono generalmente elastiche.

meccanismi

Le reti a commutazione di circuito, in particolare quelle destinate alla trasmissione vocale, come la modalità di trasferimento asincrono (ATM) o GSM , hanno QoS nel protocollo principale, le risorse sono riservate ad ogni passaggio sulla rete per la chiamata così come è impostata, non c'è necessità di procedure aggiuntive per ottenere le prestazioni richieste. Unità dati più brevi e QoS integrato sono stati alcuni degli unici punti di forza di ATM per applicazioni come il video on demand .

Quando la spesa dei meccanismi per fornire QoS è giustificata, i clienti e i fornitori di rete possono stipulare un accordo contrattuale denominato accordo sul livello di servizio (SLA) che specifica garanzie per la capacità di una connessione di fornire prestazioni garantite in termini di throughput o latenza basata su misure concordate.

Provisioning eccessivo

Un'alternativa ai complessi meccanismi di controllo della QoS consiste nel fornire comunicazioni di alta qualità con un generoso over-provisioning di una rete in modo che la capacità si basi sulle stime del carico di picco del traffico. Questo approccio è semplice per le reti con picchi di carico prevedibili. Questo calcolo potrebbe richiedere di apprezzare applicazioni impegnative in grado di compensare variazioni di larghezza di banda e ritardi con buffer di ricezione di grandi dimensioni, cosa spesso possibile ad esempio nello streaming video.

L'over-provisioning può essere di utilità limitata a fronte di protocolli di trasporto (come TCP ) che nel tempo aumentano la quantità di dati immessi sulla rete fino a quando tutta la larghezza di banda disponibile viene consumata e i pacchetti vengono eliminati. Tali protocolli avidi tendono ad aumentare la latenza e la perdita di pacchetti per tutti gli utenti.

La quantità di over-provisioning nei collegamenti interni necessaria per sostituire la QoS dipende dal numero di utenti e dalle loro richieste di traffico. Ciò limita l'usabilità dell'over-provisioning. Le applicazioni più recenti che richiedono maggiore larghezza di banda e l'aggiunta di più utenti comportano la perdita di reti con over-provisioning. Ciò richiede quindi un aggiornamento fisico dei relativi collegamenti di rete che è un processo costoso. Pertanto, su Internet non si può presumere ciecamente un over-provisioning.

I servizi VoIP commerciali sono spesso competitivi rispetto al servizio telefonico tradizionale in termini di qualità delle chiamate anche senza meccanismi di QoS in uso sulla connessione dell'utente al proprio ISP e sulla connessione del provider VoIP ad un ISP diverso. In condizioni di carico elevato, tuttavia, il VoIP può degradare alla qualità del telefono cellulare o peggio. La matematica del traffico di pacchetti indica che la rete richiede solo il 60% in più di capacità grezza sotto ipotesi prudenti.

Sforzi su IP ed Ethernet

A differenza delle reti uniproprietari, Internet è una serie di punti di scambio che interconnettono reti private. Quindi il nucleo di Internet è di proprietà e gestito da una serie di diversi fornitori di servizi di rete , non da una singola entità. Il suo comportamento è molto più imprevedibile .

Esistono due approcci principali alla QoS nelle moderne reti IP a commutazione di pacchetto, un sistema parametrizzato basato su uno scambio di requisiti applicativi con la rete e un sistema prioritario in cui ogni pacchetto identifica un livello di servizio desiderato per la rete.

  • I servizi integrati ("IntServ") implementano l'approccio parametrizzato. In questo modello, le applicazioni utilizzano il Resource Reservation Protocol (RSVP) per richiedere e prenotare risorse attraverso una rete.
  • I servizi differenziati ("DiffServ") implementano il modello con priorità. DiffServ contrassegna i pacchetti in base al tipo di servizio che desiderano. In risposta a questi contrassegni, router e switch utilizzano varie strategie di pianificazione per adattare le prestazioni alle aspettative. I contrassegni del punto di codice dei servizi differenziati (DSCP) utilizzano i primi 6 bit nel campo ToS (ora rinominato come campo DS) dell'intestazione del pacchetto IP(v4) .

I primi lavori utilizzavano la filosofia dei servizi integrati (IntServ) di riservare le risorse di rete. In questo modello, le applicazioni utilizzavano RSVP per richiedere e prenotare risorse attraverso una rete. Sebbene i meccanismi IntServ funzionino, ci si è resi conto che in una rete a banda larga tipica di un provider di servizi più grande, ai router Core sarebbe richiesto di accettare, mantenere ed eliminare migliaia o forse decine di migliaia di prenotazioni. Si riteneva che questo approccio non sarebbe stato scalabile con la crescita di Internet e, in ogni caso, era antitetico al principio end-to-end , la nozione di progettare reti in modo che i router principali facciano poco più che semplicemente scambiare pacchetti al massimo tariffe possibili.

In DiffServ, i pacchetti sono contrassegnati dalle stesse sorgenti di traffico o dai dispositivi perimetrali da cui il traffico entra nella rete. In risposta a questi contrassegni, router e switch utilizzano varie strategie di accodamento per adattare le prestazioni ai requisiti. A livello IP, i contrassegni DSCP utilizzano il campo DS a 6 bit nell'intestazione del pacchetto IP. A livello MAC, la VLAN IEEE 802.1Q può essere utilizzata per trasportare 3 bit essenzialmente le stesse informazioni. I router e gli switch che supportano DiffServ configurano il loro schedulatore di rete per utilizzare più code per i pacchetti in attesa di trasmissione da interfacce con limitazioni di larghezza di banda (ad esempio, un'area estesa). I fornitori di router forniscono diverse funzionalità per la configurazione di questo comportamento, per includere il numero di code supportate, le relative priorità delle code e la larghezza di banda riservata per ciascuna coda.

In pratica, quando un pacchetto deve essere inoltrato da un'interfaccia con accodamento, viene data priorità ai pacchetti che richiedono un basso jitter (es. VoIP o videoconferenza ) sui pacchetti in altre code. In genere, una parte della larghezza di banda viene allocata per impostazione predefinita ai pacchetti di controllo della rete (come Internet Control Message Protocol e protocolli di routing), mentre al traffico best-effort potrebbe essere semplicemente assegnata la larghezza di banda residua.

A livello di Media Access Control (MAC), è possibile utilizzare VLAN IEEE 802.1Q e IEEE 802.1p per distinguere tra frame Ethernet e classificarli. Sono stati sviluppati modelli di teoria delle code sull'analisi delle prestazioni e sulla QoS per i protocolli di livello MAC.

Cisco IOS NetFlow e Cisco Class Based QoS (CBQoS) Management Information Base (MIB) sono commercializzati da Cisco Systems .

Un esempio convincente della necessità di QoS su Internet riguarda il collasso congestizio . Internet si basa su protocolli di prevenzione della congestione, principalmente integrati nel protocollo TCP ( Transmission Control Protocol ), per ridurre il traffico in condizioni che altrimenti porterebbero al collasso congestizio. Le applicazioni QoS, come VoIP e IPTV , richiedono bitrate ampiamente costanti e bassa latenza, quindi non possono utilizzare TCP e non possono altrimenti ridurre la velocità del traffico per prevenire la congestione. Gli accordi sui livelli di servizio limitano il traffico che può essere offerto a Internet e quindi impongono una modellazione del traffico che può impedirne il sovraccarico e sono quindi una parte indispensabile della capacità di Internet di gestire un mix di tempo reale e non in tempo reale traffico senza crolli.

Protocolli

Esistono diversi meccanismi e schemi di QoS per la rete IP.

Le funzionalità QoS sono disponibili nelle seguenti tecnologie di rete.

Qualità del servizio end-to-end

La qualità del servizio end-to-end può richiedere un metodo di coordinamento dell'allocazione delle risorse tra un sistema autonomo e l'altro. L' Internet Engineering Task Force (IETF) ha definito il Resource Reservation Protocol (RSVP) per la prenotazione della larghezza di banda come standard proposto nel 1997. RSVP è un protocollo di prenotazione della larghezza di banda end-to-end e di controllo dell'ammissione . RSVP non è stato ampiamente adottato a causa dei limiti di scalabilità. La versione di ingegneria del traffico più scalabile, RSVP-TE , viene utilizzata in molte reti per stabilire percorsi a commutazione di etichetta MPLS ( Multiprotocol Label Switching ) progettati per il traffico . L'IETF ha anche definito Next Steps in Signaling (NSIS) con la segnalazione QoS come obiettivo. NSIS è uno sviluppo e una semplificazione di RSVP.

I consorzi di ricerca come "supporto della qualità del servizio end-to-end su reti eterogenee" (EuQoS, dal 2004 al 2007) e forum come l' IPsphere Forum hanno sviluppato più meccanismi per l'invocazione della QoS di handshake da un dominio all'altro. IPsphere ha definito il bus di segnalazione Service Structuring Stratum (SSS) per stabilire, invocare e (tentare di) assicurare i servizi di rete. EuQoS ha condotto esperimenti per integrare Session Initiation Protocol , Next Steps in Signaling e SSS di IPsphere con un costo stimato di circa 15,6 milioni di euro e ha pubblicato un libro.

Un progetto di ricerca Multi Service Access Everywhere (MUSE) ha definito un altro concetto di QoS in una prima fase da gennaio 2004 a febbraio 2006 e una seconda fase da gennaio 2006 a 2007. Un altro progetto di ricerca denominato PlaNetS è stato proposto per un finanziamento europeo intorno al 2005. Un più ampio Il progetto europeo chiamato "Architettura e design per l'Internet del futuro" noto come 4WARD aveva un budget stimato di 23,4 milioni di euro ed è stato finanziato da gennaio 2008 a giugno 2010. Comprendeva un tema "Qualità del servizio" e pubblicava un libro. Un altro progetto europeo, chiamato WIDENS (Wireless Deployable Network System), ha proposto un approccio di prenotazione della larghezza di banda per reti ad hoc multirate wireless mobili.

Limitazioni

I protocolli di rete di crittografia avanzata come Secure Sockets Layer , I2P e reti private virtuali oscurano i dati trasferiti utilizzandoli. Poiché tutto il commercio elettronico su Internet richiede l'uso di protocolli di crittografia così potenti, il declassamento unilaterale delle prestazioni del traffico crittografato crea un rischio inaccettabile per i clienti. Tuttavia, il traffico crittografato non è altrimenti in grado di essere sottoposto a un'ispezione approfondita dei pacchetti per la QoS.

Protocolli come ICA e RDP possono incapsulare altro traffico (ad es. stampa, streaming video) con requisiti variabili che possono rendere difficile l'ottimizzazione.

Il progetto Internet2 ha scoperto, nel 2001, che i protocolli QoS non erano probabilmente implementabili all'interno della sua rete Abilene con le apparecchiature disponibili in quel momento. Il gruppo ha previsto che "barriere logistiche, finanziarie e organizzative bloccheranno la strada verso qualsiasi garanzia di larghezza di banda" mediante modifiche del protocollo mirate alla QoS. Credevano che l'economia avrebbe incoraggiato i fornitori di rete a erodere deliberatamente la qualità del traffico best-effort come un modo per spingere i clienti a servizi QoS più costosi. Invece hanno proposto un eccesso di capacità come più conveniente al momento.

Lo studio sulla rete Abilene è stato la base per la testimonianza di Gary Bachula all'audizione del Comitato per il commercio del Senato degli Stati Uniti sulla neutralità della rete all'inizio del 2006. Ha espresso l'opinione che l'aggiunta di più larghezza di banda fosse più efficace di qualsiasi dei vari schemi per realizzare QoS che essi esaminato. La testimonianza di Bachula è stata citata dai sostenitori di una legge che vieta la qualità del servizio come prova che tale offerta non ha alcuno scopo legittimo. Questo argomento dipende dal presupposto che l'over-provisioning non sia una forma di QoS e che sia sempre possibile. Il costo e altri fattori influiscono sulla capacità degli operatori di creare e mantenere reti permanentemente sovraordinate.

Mobile (cellulare) QoS

I fornitori di servizi di telefonia mobile possono offrire QoS mobile ai clienti proprio come i fornitori di servizi di rete telefonica commutata pubblica cablata e i fornitori di servizi Internet possono offrire QoS. I meccanismi di QoS sono sempre previsti per i servizi a commutazione di circuito , e sono indispensabili per i servizi anelastici, ad esempio lo streaming multimediale .

La mobilità aggiunge complicazioni ai meccanismi di QoS. Una telefonata o un'altra sessione può essere interrotta dopo un passaggio di consegne se la nuova stazione base è sovraccarica. Passaggi imprevedibili rendono impossibile fornire una garanzia assoluta di QoS durante la fase di avvio della sessione.

Standard

La qualità del servizio nel campo della telefonia è stata definita per la prima volta nel 1994 nella raccomandazione ITU-T E.800. Questa definizione è molto ampia, elencando 6 componenti principali: Supporto, Operabilità, Accessibilità, Conservabilità, Integrità e Sicurezza. Nel 1998 l'ITU ha pubblicato un documento che discuteva la QoS nel campo delle reti di dati. X.641 offre un mezzo per sviluppare o migliorare gli standard relativi alla QoS e fornire concetti e terminologia che dovrebbero aiutare a mantenere la coerenza degli standard correlati.

Alcune richieste di commenti (RFC) IETF relative a QoS sono Baker, Fred; Nero, David L.; Nichols, Kathleen; Blake, Steven L. (dicembre 1998), Definizione del campo dei servizi differenziati (campo DS) nelle intestazioni IPv4 e IPv6 , RFC  2474e Braden, Robert T.; Zhang, Lixia; Berson, Steven; Herzog, Shai; Jamin, Sugih (settembre 1997), Protocollo di prenotazione delle risorse (RSVP) , RFC  2205; entrambi questi sono discussi sopra. L'IETF ha anche pubblicato due RFC che forniscono informazioni sulla QoS: Huston, Geoff (novembre 2000), Next Steps for the IP QoS Architecture , RFC  2990e preoccupazioni IAB relative al controllo della congestione per il traffico vocale in Internet , RFC  3714.

L'IETF ha anche pubblicato Baker, Fred; Babiarz, Jozef; Chan, Kwok Ho (agosto 2006), Linee guida di configurazione per le classi di servizio DiffServ , RFC  4594come documento informativo o di buone pratiche sugli aspetti pratici della progettazione di una soluzione QoS per una rete DiffServ . Il documento cerca di identificare le applicazioni comunemente eseguite su una rete IP, le raggruppa in classi di traffico, studia il trattamento richiesto da queste classi dalla rete e suggerisce quale dei meccanismi QoS comunemente disponibili nei router può essere utilizzato per implementare tali trattamenti.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

Ulteriori letture

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