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Quality of Service

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Fink 11:25, 31. Mär 2006 (CEST)

Quality of Service (QoS) oder Dienstgüte ist eine allgemeine Bezeichnung, die das ordnungsgemäße Funktionieren aller zusammenwirkenden Komponenten eines Telekommunikationsnetzes bezeichnet. Je nach Kommunikationsstandard (zum Beispiel IP oder GSM) werden Fehlerparameter erfasst und aufgezeichnet, mit denen der Betrieb der Technik laufend überwacht wird und die die Basis für eventuell nötige Wartungsmaßnahmen bilden. In allgemeiner Formulierung bezeichnet QoS die Gesamtheit der Qualitätsmerkmale eines Netzwerks aus der Sicht der Benutzer eines bestimmten Dienstes.

QoS in Telekommunikationsnetzen

Wesentliche Kategorien der QoS in Nachrichtennetzen sind die Verkehrsgüte, die sich mit der Vermittlungstechnik befasst, und die Übertragungsgüte, die sich mit der Übertragungstechnik befasst.


QoS in der Vermittlungstechnik

Mit Verkehrsgüte (engl.: grade of service) bezeichnet man den von der jeweiligen Bemessung der Betriebsmittel abhängigen und quantifizierbaren Teil der QoS. Die Verkehrsgüte eines Nachrichtennetzes hängt ab von der Bemessung der Anzahl von Leitungen und Steuereinrichtungen. Im Telefonnetz sind die Vermittlungsstellen die Steuereinrichtungen, im Internet sind es die Router. Quantitative Beschreibungen der Verkehrsgüte benutzen Parameter der Verkehrstheorie wie Wartewahrscheinlichkeit, mittlere Wartedauer oder Verlustwahrscheinlichkeit. In der Vermittlungstechnik gehen z.B. unter anderem folgende Einflussgrößen in die QoS ein:

  • Falschverbindung: eine Verbindung, bei der trotz richtig eingegebener Rufnummer ein anderer als der gewünschte Teilnehmer erreicht wird
  • Doppelverbindung: eine Verbindung, bei der dem gewünschten Anschluss einer oder mehrere weitere Anschlüsse zugeschaltet sind
  • vorzeitige Trennung: Trennen einer Verbindung, ohne dass sie vom rufenden oder gerufenen Anschluss aus eingeleitet wurde
  • keine Auslösung: Andauern einer Verbindung, obwohl die "Auslösung" verlangt wurde
  • Zählstörung: falsche Erfassung der gebührenrelevanten Parameter einer Verbindung

In diesem Beispiel bilden dann die gemessenen und gewichteten Zählungen solcher Ereignisse einen Bestandteil der Verkehrsgüte einer bestimmten Vermittlungsstelle.

Weitere Einflussgrößen der Verkehrsgüte sind:

  • Blockierung: der Zustand eines Netzes, in dem ein Verbindungsaufbau nicht zu Ende geführt werden kann, weil erforderliche technische Einrichtungen oder Ressourcen nicht verfügbar sind.
  • Verzug von Signalen der Verbindungssteuerung: Beispiel: Zeitspanne zwischen den Signalen "abgehender Ruf" (Hörer ausgehängt) und "Wahlaufforderung" (Wählton) ist zu hoch
  • Sendungsverzug: Zeitspanne, die zwischen dem Beginn der Eingabe am Ursprung und dem Beginn der Ausgabe am Ziel vergeht

QoS in IP-Netzen

Die Dienstgüte in IP (Internet Protocol) Netzwerken hat zusätzliche IP-spezifische Parameter. Wird IP über ein Telekommunikationsnetz übertragen, bildet es nach dem OSI-Modell eine höhere Schicht auf diesem Netz. Daher sind in diesem Fall für die Beurteilung der gesamten Dienstgüte eines IP-basierten Dienstes sowohl die Übertragungsgüte als auch die IP-spezifischen Parameter relevant. Qualitätsbeeinträchtigungen addieren sich. Handelt es sich beispielsweise um einen Internetzugang, der auf Einwahl basiert, so bildet sich die gesamte Dienstgüte aus Übertragungsgüte, Verkehrsgüte und der IP-Qualität.
Wird IP nicht über ein Telekommunikationsnetzwerk übertragen, sondern beispielsweise über ein LAN wie Ethernet, so addieren sich Qualitätsbeeinträchtigungen dieses LANs zu denen der IP-Übertragung.
Ein besonderer Faktor bei der IP-Qualität besteht darin, daß sie vom Endgerät maßgeblich mitbeeinflusst wird. Übertragungsgüte und Verkehrsgüte beruhen dagegen ausschließlich auf der Qualität des Netzes; die Qualität der Endgeräte geht nicht mit ein.

In IP Netzwerken faßt man unter QoS üblicherweise die folgenden Parameter zusammen:

  • Latenz: die Verzögerung der Ende-zu-Ende Übertragung
  • Jitter: die Abweichung der Latenzzeit von ihrem Mittelwert
  • Verlustrate: die Wahrscheinlichkeit, daß einzelne IP Pakete bei der Übertragung verloren werden
  • Durchsatz: die pro Zeiteinheit im Mittel übertragene Datenmenge

Unterschiedliche Dienste haben unterschiedliche Anforderungen an diese Parameter. Für reine Dateitransfers ist üblicherweise der Gesamtdurchsatz der entscheidende Parameter, die individuelle Latenz und Verlustrate hingegen sind hier weniger von Bedeutung. Für Echtzeitkommunikation wie z.B. Voice over IP hingegen spielen die Latenz, der Jitter und die Verlustrate eine weitaus größere Rolle, weil sie maßgeblich die Sprachverständlichkeit beeinflussen. IPTV hat sogar ganz erhebliche Anforderungen an die gesamte Dienstgüte, da bereits kleine Qualitätsmängel in der Übertragung sich sichtbar in der Bilddarstellung am Fernseher auswirken.

QoS bezeichnet allgemein die Dienstgüte von Übertragungskanälen. Die Dienstgüte setzt sich aus einer Reihe von Eigenschaften wie Verlustrate, Verfügbarkeit, Durchsatz und Latenz (Verzögerung) zusammen. Letztere macht sich vor allem bei Anwendungen, die kurze Reaktionszeiten erfordern (beispielsweise Telnet), bemerkbar (z.B. erscheint bei großer Latenz eine Eingabe erst mit einer gewissen Zeitverzögerung auf dem Bildschirm). Der Extremfall „Echtzeitanwendung“ stellt hohe Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit, da z.B. im Falle von Echtzeit-Videos die Bilder zu springen anfangen und somit die Dienstgüte nicht gewährleistet ist. Der Durchsatz ist wichtig, da Videos oft eine hohe Datenrate erfordern und bei Nichterbringung dieser Rate das Video einfach gestoppt wird.

Innerhalb eines Übertragungskanals kann es so erforderlich sein, die QoS für bestimmte Datenströme zu Lasten anderer Datenströme zu erhöhen. Dies kann z.B. durch die Priorisierung von IP-Datenpaketen anhand bestimmter Merkmale und Eigenschaften geschehen. Mit diesen Mechanismen ist es möglich, z.B. Voice-over-IP, welches einen verzögerungskonstanten und kontinuierlichen Datenstrom benötigt, stärker zu bevorzugen als das Herunterladen von einem Dateiserver (FTP) oder den Aufruf von Webseiten.

Man stellt durch bestimmte Reservierungsprotokolle im Netz sicher, dass für die gesamte Dauer einer Datenkommunikation die Isochronität von Datenströmen gewährleistet werden kann.

IPv4- und IPv6-Pakete haben standardmäßig ein Flag (DSCP Differentiated Service CodePoint (RFC 2474); früher Precedence (RFC 791)) im IP-Header, das kennzeichnet, welcher Art die Daten in diesem Paket sind ("Traffic Class"). Anhand dieses Flags werden die Datenpakete priorisiert (d.h. bevorzugt) behandelt. Es gibt eine Reihe weiterer Verfahren zum Management von Dienstgüte.

Realisierung in IP-Netzen

Datei:Voip tos.jpg
QoS auf Layer 3

Auf der theoretischen Ebene kann QoS durch Priorisierung oder Parametrisierung des Datenverkehrs, Datenratenreservierung, Datenratenlimitierung und Paketoptimierung realisiert werden. Technisch gesehen existieren dafür zwei Mechanismen:

  • Entweder man meldet anstehende Datenflüsse bei allen aktiven Netzwerkkomponenten (Router etc.) an und reserviert die benötigte Datenrate (Integrated Services, IntServ (en:Integrated services)),
  • oder man markiert alle Datenpakete und die aktiven Netzwerkkomponenten behandeln/bevorzugen die Pakete entsprechend ihrer Markierungen (Differentiated Services, DiffServ (en:Differentiated services)).

Da IntServ, in der Praxis meist mittels Resource Reservation Protocol (RSVP), einen hohen Verwaltungsoverhead zur Folge hat und schon ein Gerät, das IntServ nicht unterstützt den ganzen Mechanismus scheitern lässt, hat sich die Alternative DiffServ mittlerweile durchgesetzt. DiffServ ist zudem besser skalierbar. Oft ist auch der Begriff Type of Service (ToS) anzutreffen. Für ToS wurde 1 Byte im IP-Header reserviert, wovon nur 6 Bit von ToS genutzt wurden. Es konnte jedoch kein verbindlicher Standard etabliert werden, den alle Hersteller von Netzequipment einhalten. Aus diesem Grund wurden die Bits des ToS-Byte von der Internet Engineering Task Force (IETF) neu definiert, die jetzt unter dem Begriff Differentiated Services Code Point (DSCP) heißen.

QoS in ATM-Netzen

Bei einem Verbindungsaufbau in ATM-Netzen handelt das Endsystem mit dem Dienstanbieter eine garantierte Dienstklasse/QoS-Klasse aus.

QoS-Parameter:

Die bekanntesten Queuing-Mechanismen sind:

  • FIFO (First In – First Out) – Die Datenpakete, die als erstes ankommen, werden auch als erstes weitergeleitet
  • LIFO (Last In – First Out) – Die Datenpakete, die als letztes ankommen, werden zuerst weitergeleitet
  • LLC (Low Latency Custom-Queuing) – Es wird eine geringe Laufzeit von vorher definierten Paketen garantiert
  • Prioritäten-Queuing – Das Datenpaket mit der höchsten Priorität wird vor den niederprioren Paketen weitergeleitet.

Für Details zu einzelnen Queueing-Algorithmen siehe Network Congestion Avoidance

QoS im Mobilfunk

Im UMTS-Mobilfunk sind vier QoS-Klassen definiert worden:

  • background für Datentransfer mit möglichst geringer Fehlerrate aber unkritischen Anforderungen an Bandbreite, Delay und Jitter.
  • interactive für die Nutzung interaktiver Dienste. Ähnliche Anforderungen wie bei Background jedoch höhere Anforderungen ans Delay, um Wartezeiten bei der Nutzung der Dienste zu vermeiden.
  • streaming für Verteildienste. Eine Mindestbandbreite ist erforderlich; Jitter ist in gewissem Rahmen erlaubt, da empfängerseitig Jitterbuffer verwendet werden. Bitfehler sind eher unkritisch.
  • conversational für direkte Kommunikation (Telefonie, Videotelefonie). Ähnliche Anforderungen wie Streaming, aber deutlich weniger Jitter und Delay sind zulässig.

Notrufe (112) werden vom GSM-Netz ebenfalls bevorzugt gegenüber normalen Telefonaten gehandhabt.

Literatur

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