INTRODUCCIÓN

La Calidad de Servicio o QoS por sus siglas en inglés, puede ser implementada de diferentes formas, una de ellas es sobre el protocolo de Internet IP, aunque es más conocido comúnmente como TCP/IP. También existe una especificación para implementar el concepto de calidad de servicio en un nivel más bajo de capa de red, en el nivel de enlace con la tecnología ATM, del cual se deriva una variante que también es capaz de hacer diferenciación de flujos en MPLS. Se menciona también como el protocolo de administración de redes SNMP el cual puede usarse para proveer información de calidad de servicio.

La forma más simple de implementar Calidad de Servicio es diferenciando el tráfico en clases de servicio, el cual es definido solamente en el encabezado del paquete de información. Para implementar Calidad de Servicio de una forma más completa se requieren algunas modificaciones extras que pueden incluir el agregar hardware o software en los componentes de la red.

La Calidad de Servicio (QoS) se ha convertido en un asunto que deben tener en cuenta los proveedores de servicios y las redes de área extensa (WAN) de las empresas, que están añadiendo más tráfico de voz y de imágenes al tráfico de datos en constante crecimiento. Por ejemplo, el tráfico esencial y sensible a retrasos, como el tráfico de voz, puede necesitar mayores garantías de calidad de servicio que el tráfico menos sensible a retrasos, como puede ser la transferencia de archivos o el correo electrónico. Es probable que la mayoría de usuarios se hayan encontrado con costes prohibitivos para el acceso WAN de alta velocidad, simplemente ampliar el ancho de banda no es una opción para muchos puntos de una red. De aquí que la utilización óptima y el uso diferenciado del ancho de banda existente se convierte en un asunto de importancia fundamental.

La omnipresencia del Protocolo Internet (IP) en los puestos de trabajo lo ha convertido en el protocolo más utilizado para aplicaciones extremo a extremo de voz, vídeo y datos que están apareciendo en el mercado. Por lo tanto, el reto de los administradores y los arquitectos de redes ha sido construir redes que puedan soportar estas nuevas aplicaciones de voz, imágenes y datos basadas en IP junto con las aplicaciones tradicionales orientadas a circuitos sobre redes WAN, que utilizan variedad de medios.

Algunos fabricantes ofrecen exhaustivos mecanismos extremo a extremo de QoS que satisfacen estas demandas independientemente del/los medio(s) utilizado(s) para construir su WAN, como por ejemplo ATM, Frame Relay y SONET. La siguiente sección describe brevemente gran parte de las herramientas y mecanismos que se utilizan para conseguir la QoS de extremo a extremo y la utilización óptima del ancho de banda WAN.

QoS en Internet

1 Introducción

Internet fue diseñado originalmente para ofrecer el servicio de entrega de datos sin consideraciones de QoS, pero a medida que Internet se ha desarrollado, muchas aplicaciones, particularmente aquellas aplicaciones de tiempo real, como voz y multimedia, demandan niveles de control sobre el retraso de transmisión. Los proveedores de red y de servicio están buscando la forma de diferenciar los niveles de servicio proporcionados a sus diferentes clases de suscriptores.

Las arquitecturas para dar soporte a QoS en Internet se pueden clasificar dentro de dos grupos, los cuales difieren en las técnicas para el aprovisionamiento de recursos y en el nivel de detalle presente en la diferenciación de servicios. Servicios Integrados (Int-Serv; del inglés Integrated Services) definido por el grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF; del inglés Internet Engineering Task Force) busca garantizar niveles satisfactorios de QoS mediante el empleo de mecanismos para reservar recursos. Servicios Diferenciados (Diff-Serv; del inglés Differenciated Services) marca cada paquete transmitido con un valor específico, los enrutadores utilizan este valor para clasificar paquetes y para aplicar un comportamiento de cola específico basado en los resultados de la clasificación. El tráfico de varios flujos con requisitos de QoS parecidos se marca con el mismo valor, al agregar el flujo a una cola común o al programar su comportamiento.

El término modelo de QoS se utiliza para denotar un marco de trabajo o una arquitectura de QoS, como Diff-Serv, Int-Serv, o el modelo de referencia UMTS y hace referencia tanto a la señalización como a la semántica del nivel de servicio.

La Calidad de Servicio (QoS; del inglés quality of service) indica la percepción del usuario de un servicio concreto y se define en términos de una serie de parámetros técnicos que incluyen el retraso, la inestabilidad, la confiabilidad, entre otros. Como dijimos en la introducción, Internet fue diseñada para proporcionar entrega de datos sin consideraciones de QoS, estos son entregados a su destino en el menor tiempo posible, pero sin garantía en cuanto a ancho de banda o tiempo de espera. A medida que Internet ha evolucionado, también lo han hecho diversas aplicaciones, sobre todo aquellas que involucran conversación en tiempo real y multimedia, las cuales requieren para su desempeño adecuado cierto nivel de control del retraso máximo de transmisión en la trayectoria extremo a extremo.

Actualmente existe consenso respecto a que las redes de la siguiente generación tendrán como base un núcleo IP de conmutación de paquetes para la transmisión de datos, esto trae consigo diferentes dominios interconectados, cada uno con diferente modelo de QoS. Existen principalmente dos razones que dificultan que esta heterogeneidad en los modelos de QoS desaparezca, la primera es que la variedad de requerimientos de aplicaciones complica el hecho de encontrar una solución óptima y universal a la problemática del establecimiento de una conexión interdominio con garantías de QoS; y por otro lado, en el afán de acaparar el mercado las organizaciones comerciales están desarrollando sistemas propietarios, lo cual contribuye a incrementar esta diversidad.

La estandarización se vislumbra como el enfoque ideal para conseguir QoS extremo a extremo. Dado que las diversas redes o dominios son libres de implantar cualquier modelo de QoS, se requieren procedimientos que permitan establecer una trayectoria extremo a extremo con cierta QoS que respete los diversos mecanismos de aprovisionamiento en cada dominio y que a la vez proporcione un tratamiento similar en el envío de paquetes.

2 Definición

La definición básica de QoS está dada por la ITU-T en la recomendación E.800 como “el efecto global de la calidad de funcionamiento de un servicio que determina el grado de satisfacción del usuario de un servicio”.

Calidad de servicio (QoS, (Quality of Service)) es un conjunto de requisitos de servicio que la red debe cumplir para asegurar un nivel de servicio adecuado para la transmisión de los datos. Estos requisitos de servicio se basan en estándares de funcionalidad QoS.

Figura 4.1. Definición de QoS

La filosofía fundamental de calidad de servicio se deriva de la terminología de administración de ancho de banda. “Inicialmente había dos grandes campos para la administración del ancho de banda: clase de servicio (COS) y calidad de servicio (QoS)”. Donde COS dividía el tráfico en unas cuantas categorías de servicio y QoS permitía la negociación de servicios de red dinámicamente a través de la reserva de ancho de banda.

Mientras se dependa de redes con entrega de paquetes bajo el modelo de mejor esfuerzo y se transporten de manera concurrente voz, video, datos y aplicaciones interactivas a través de una infraestructura común, se debe ofrecer a cada uno de estos tipos de tráfico las características de manejo que requieran.

Una red con ancho de banda administrado, es capaz de ofrecer características de tráfico basado en el tipo de tráfico que maneja. El tráfico puede ser clasificado por aplicación, usuario o factores externos como el tipo de usuario y la congestión de la red.

Un aspecto importante de QoS es que las características de la red permanezcan predecibles, sin importar el mecanismo usado para dar preferencia a un tráfico sobre otros tipos, estas características de comportamiento radican en: respuesta punto a punto también conocida como RTT (round trip time), latencia, retraso de filas de espera, ancho de banda disponible, entre otros. Algunas de estas características son más predecibles que otras dependiendo del tipo de tráfico, características de asignación en filas de espera en los dispositivos en red y la arquitectura de la red misma.

En términos de latencia, existe la real y la inducida. La real se refiere al retraso físico de la transmisión por el medio, que depende de las características del mismo medio de transporte, mientras que la inducida es el retraso provocado en la red por las filas de espera en los dispositivos de red, el retraso inherente al procesamiento en los dispositivos y la congestión presente en los puntos intermedios de las trayectorias de los datos. Existe un tercer tipo de latencia, que se llama latencia evocada o recordada, la cual se refiere a la relación de latencia en las redes y la percepción humana, en la que los usuarios tienden a recordar con más facilidad cuando la red tiene errores que el éxito en el envío de información, esta impresión deja al usuario con la idea que la calidad del servicio es pobre, aun cuando esta calidad del servicio sea buena.

Los mecanismos de QoS tienen más demanda en los ambientes empresariales, académicos y otras intranets privadas que en el Internet Global y los proveedores de Internet (ISP), porque cada uno tiene diferentes requerimientos, aún entre corporaciones existen diferentes requerimientos.

Las tecnologías de QoS se pueden ver como los bloques fundamentales de construcción de la red los cuales serán empleados para aplicaciones futuras de negocios en las redes de: Un Campus, redes de área amplia (WAN) o proveedores de servicios (ISP). QoS debe tener la habilidad de definir los parámetros para configurar una red que pueda transportar un paquete entre dos nodos considerando rendimiento, disponibilidad y retardos óptimos. Estos parámetros no son fijos y pueden variar dependiendo de la aplicación que esté utilizando los servicios de red. Por ejemplo, el retraso máximo esperado para una comunicación de voz con telefonía IP, es de 300ms punto a punto, si se tienen siete enrutadores con retraso promedio de 50ms cada uno no se logrará una comunicación eficiente, no importando que se tenga un buen ancho de banda disponible.

Calidad de servicio se refiere a la capacidad de una red para proveer un mejor servicio al tráfico de red seleccionado sobre varias tecnologías, incluyendo Frame Relay, Asynchronous Transfer Mode (ATM), Ethernet, redes inalámbricas IEEE 802.11, SONET y redes IP que pueden usar cualquiera de estas tecnologías mencionadas.

La meta principal de QoS es proveer prioridad, incluyendo ancho de banda dedicado, jitter y latencia controladas, estos dos últimos parámetros son necesarios para tráfico en tiempo real o interactivo, es importante asegurarse que al proveer prioridad a uno o más tipos de flujos, no hacer que el otro tipo de flujo falle. QoS permite proveer mejor servicio a ciertos flujos de paquetes definidos, incrementando la prioridad de un flujo o limitando la prioridad de otro.

Cuando se usan las herramientas de administración de congestionamiento, se trata de incrementar la prioridad poniendo en fila de espera a todos los paquetes y asignando servicio de diferentes maneras. Esta herramienta de administración de filas de espera se usa para evitar congestión e incrementar la prioridad descartando los flujos de baja prioridad antes que los de alta. Las prioridades se definen por políticas. Hay otras herramientas de eficiencia del enlace que limitan flujos grandes para dar preferencia a flujos pequeños.

En el ámbito de las redes de computadoras y de telecomunicaciones, la calidad de servicio, conocida también como QoS (por sus siglas en ingles), se refiere a la capacidad de ofrecer diferentes niveles de prioridad a diferentes aplicaciones, usuarios, flujos de datos; o también para garantizar cierto nivel de rendimiento a un flujo de datos.

Es decir, QoS ofrece las garantías de que un determinado proceso cumplirá ciertos requerimientos mínimos. De esta manera, la calidad de servicio o QoS es importante por ejemplo para determinar en que nivel la capacidad de la red es insuficiente, especialmente en aplicaciones de tiempo real, como son multimedia sobre voz IP o IP-TV, en las que se necesita una tasa fija de paquetes durante la transmisión para que de esta manera no exista ruido ni distorsión durante una sesión de trabajo con estas aplicaciones.

Otro de los campos en los que QoS es vital e indispensable es en la comunicación y transmisión de datos por dispositivos móviles, donde también se necesita de una tasa fija de transmisión de paquetes para asegurar la integridad de los mismos.

Una red o protocolo que soporta QoS cumple acuerdos para lidiar con los problemas de tráfico de la aplicación y con los soportes de reserva de los nodos sobre los cuales dicha aplicación funciona. Esto se puede observar, por ejemplo, durante la fase de establecimiento de un período de sesiones de comunicación. Cuando la sesión se ha establecido se puede supervisar el nivel de rendimiento alcanzado, por ejemplo: la velocidad de transmisión de datos, el retardo en la transmisión, la dinámica de control de las prioridades en la programación de la red de nodos, entre otros.

Por otro lado, en el ámbito de la telefonía, la calidad de servicio se define en la norma de la UIT

X.902 como “un conjunto de requisitos de calidad en el comportamiento de uno o más objetos”. En telefonía también se habla de un subconjunto de QoS, el cual es llamado Grado de Servicio (GoS por sus siglas en ingles (Grade of Service) y comprende aspectos relativos a una conexión como la capacidad y cobertura de una red de telecomunicaciones.

3 Funcionamiento

QoS trabaja retardando paquetes poco importantes, o en los casos de tráfico extremo en la red, arrojándolos enteramente fuera. Esto deja lugar a que los paquetes importantes lleguen a su destino tan rápido como sea posible.

Básicamente, una vez que su router conoce la cantidad de información que puede poner en cola en cualquier momento determinado, se puede crear tráfico demorando paquetes de bits poco importantes, llenando la ruta primero con paquetes de mayor importancia, y luego usar cualquier espacio sobrante para cargar dicha ruta en orden descendente de prioridad.

QoS posiblemente no puede acelerar un paquete, básicamente lo que hace es tomar el total de ancho de banda disponible, calcular cuales de los muchos datos son prioritarios, ingresar primero estos datos en el buffer, bajando la prioridad hasta que no queden datos para enviar o hasta que se llene el buffer. Cualquier información excedente se mantiene en cola o ésta se reordena colocando datos al frente, para ser evaluados en el siguiente paso. Es importante determinar la prioridad del paquete. Las prioridades están entre bajo ("Low") o masivo (“Bulk”) (dependiendo del router), hasta alto ("High" o "Premium"). El número de niveles y la terminología exacta depende del router. Como indican los nombres, los paquetes Low/Bulk tienen la mínima prioridad, mientras que los paquetes High/Premium tienen la más alta prioridad.

Los paquetes QoS pueden ser los prioritarios por ciertos criterios, incluyendo los generados por las mismas aplicaciones; sin embargo, las técnicas más comunes con las que usted se encontrará en los routers más comercializados, son puerto de dirección MAC de Ethernet y puerto TPC/IP. La dirección MAC da prioridad a los dispositivos de red por su dirección de acceso a los medios de comunicación. Esta es una cadena larga asociada con su tarjeta de red u otro dispositivo de red. Ethernet Port es el más simple para configurar. Su router está acondicionado con una serie de conectores Ethernet. La prioridad del Puerto Ethernet permite por ejemplo indicar: "cualquier dato bloqueado en Port 1 posee baja prioridad, mientras que cualquier dato bloqueado en Port 2 obtiene alta prioridad". Estas situaciones son más fáciles de configurar que la prioridad MAC address.

El puerto del TCP/IP permite algún nivel de control sobre aplicaciones, en vez de dispositivos.

4 QoS y su relación con la medida de la calidad

QoS es usado como el instrumento idóneo para medir calidad. Esto se debe a que la calidad de servicio se refiere al nivel de calidad con la cual una aplicación responde, cumpliendo de ésta forma con los requerimientos mínimos establecidos para determinada QoS.

Algo que debemos tener en cuenta es que no se debe de confundir el concepto de QoS con el de High QoS el cual se encarga de medir el alto rendimiento alcanzado en un servicio, por ejemplo: una tasa alta de transmisión de bits, latencia baja, baja probabilidad de error de bit, etc.

Como ya se ha mencionado, QoS esta siendo empleada ampliamente en la telefonía y en los servicios de transmisión de video, aplicaciones en las que se debe garantizar niveles de calidad competitivos para poder aprovechar cómodamente de dichas aplicaciones. Sin embargo, la aplicación de QoS en estos campos es un indicador que refleja la experiencia subjetiva de la calidad. Por ejemplo, la Calidad de la Experiencia (QoE) el cual es un concepto también subjetivo que se aplica a los negocios, en los que se mide el grado de satisfacción del usuario, el número de clientes satisfechos, etc.

Cuando hablamos de experiencia subjetiva de la calidad nos referimos a que los niveles mínimos establecidos para que determinado servicio cumpla, han sido establecidos en base a la experiencia, tomando en cuenta que tan buenos resultados se han obtenido con tales o cuales valores de transferencia de paquetes, de latencia, etc.

Por esta razón se dice que QoS es el efecto acumulativo sobre la satisfacción del cliente de todas las imperfecciones que afectan al servicio.

Juan Velarde Sagastegui

Instituto Nacional de Investigación y
Capacitación de Telecomunicaciones del Perú (INICTEL-UNI)
Universidad Nacional de Ingeniería (UNI)