Quality of Service (QoS)

Online Spielen, Surfen, Telefonieren und bald auch den Lieblingsfilm online schauen. All dies ist mit einem guten Internetanschluss schon möglich. Reichte früher noch ein 56k Modem zum E-Mail verschicken, muss es heute schon auf jeden Fall DSL mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit sein. Das der Geschwindigkeitswahn kaum aufhören wird, zeigen die aktuellen Entwicklungen, Stichwort 25 -50 Mbits, auf. Doch was machen wenn die Bandbreite nicht mehr reicht. Wenn die Sprachqualität des VoIP-Gespräches den Keller runtergeht, da der Sohn ein neues Onlinespiel zocken will. Hier hilft eigentlich nur noch einen Anschluss Upgrade zu bestellen, oder sich zu arrangieren.

Auch wenn QoS bis jetzt vor allem in dem Heimanwenderbereich kaum bis gar nicht eingesetzt wurde, wäre ein Einsatz durch aus manchmal sinnvoll. So kann mit QoS die verfügbare Bandbreite reguliert werden und zum Beispiel auf verschiedene Ports, IP's und noch einiges mehr verteilt werden.

Der Quality of Service, der oft nur mit QoS abgekürzt wird, dient vor allem dazu, bestimmten Datenverkehr eine höhere Priorität zuzuweisen. So das bestimmte Daten eines Dienstes vor den anderen Daten am Ziel eintreffen. Dadurch ergeben sich einige Vorteile:

Optimierung des Netzwerkverkehrs
Eigene Entscheidung der Priorität eines Dienstes
Vermeidung von Verkehrsstaus

Natürlich können durch Fehlkonfigurationen auch genau das Gegenteil passieren. Ein paar Gedanken sollte man sich bei QoS auf jeden Fall machen, damit das Ganze nicht nach hinten los geht. Auch zu beachten ist, das die Quality of Service nur bei einer Auslastung der Bandbreite Wirkung zeigt. Ist der Anschluss nicht ausgelastet, ist auch vom QoS nichts zu spüren.

Doch aufgepasst, der Begriff „Quality of Service“ (QoS) ist mit vorsichtig zu genießen. Dieser Begriff ist nämlich Auslegungssache, man sollte aus dem Zusammenhang heraus erkennen von was geredet wird, um Verwechselungen zu vermeiden. Fachleute verwendet den Begriff QoS bei folgendes:

Oft wird der Begriff als Zusammenfassung verschiedener Kriterien, die die Güte eines Netzwerk-Dienstes hinsichtlich Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit beschreiben verwendet
Bereitstellung einer garantierten Geschwindigkeit bzw. Zuverlässigkeit in einem Datennetzwerk
Fähigkeit eines Datennetzwerkes, Anwendungen eine bestimmte Geschwindigkeit bzw. Zuverlässigkeit garantieren zu können

Lange galt die Regel, das QoS nur mit ATM-Switchen zu realisieren sei. Dies änderte sich aber im Laufe der Zeit, sodass nun auch QoS im Ethernet immer angesagter wird.

Um Quality of Service verstehen zu können, muss man Wissen wie ein Modem arbeitet. Pakete die zu versenden sind müssen bei einem Modem, wenn die Bandbreite überschritten wurde, sich erst in eine (Warte-)Schlange (Queue) anstellen. Diese Schlange(Queue) wird nach und nach vom Modem abgearbeitet. So entsteht gewöhnlich eine konstante Ausnutzung der Bandbreite. Nun gilt für das Datenpacket, geduldig zu warten, bis es selber an der Reihe ist. Zu Vergleichen wäre das ganze z.B. mit einer Disko. Türsteher überwachen, das nach und nach immer ein paar reinkommen. Hat man das Pech und kommt zu spät, muss man sich hinten anstellen und warten. Anderst natürlich wenn es keine Warteschlange gibt, dann kommt man natürlich ohne anstehen rein. Nun wünscht man sich natürlich wenn man ganz hinten in der Schlange steht, einfach vorgelassen zu werden. Dies ist leider natürlich nicht möglich, außer man kennt die Türsteher ;-) Auch bei den Datenpaketen ist es nicht anderst. Alle wollen nach vorne in das große und weite Netz, aber auch sie müssen warten. Nun kommt aber QoS ins Spiel. Es ermöglicht nämlich, bestimmte Pakete sich einfach vor zu drängeln. Ein weiterer Vergleich wäre z.B. eine Ampel. Dieses Verwalten der Datenpakete wird auch Warteschlangenverwaltung bzw. (Queue Management) genannt.

So werden die Daten beispielsweise anhand der Hilfe von 802.1P, ein Protokoll, das ein Verfahren für das festlegen der Priorität von Daten auf der 2. Schicht des OSI-Modelles (Sicherungsschicht) ist, definiert. Eine andere Möglichkeit wäre, die Daten anhand des IP Vorranges im Englischen IP Precedence zu priorisieren.

Wie die Warteschlange verarbeitet wird, hängt davon ab, was man für ein Verfahren ausgewählt hat. Im Folgenden werden sie erklärt:

First-In-First-Out-Verfahren
Dieses Verfahren ist das Standartverfahren eines Routers. Dieses Verfahren wird angewandt wenn man keine weitere Konfiguration am Router vornimmt, dies dürfte bei circa 80% der Router im Privathaushalt sein. Genannt wird das Verfahren auch Store and Forward-Verfahren (Speichern und Weiterleiten). Ist die Bandbreite ausgenutzt, werden die Pakete in eine Warteschlange gelotst, sprich sie werden gespeichert und dann nach und nach abgearbeitet. Die Reihenfolge orientiert sich dabei wie sie empfangen wurden. Das erste Paket kommt als erstes dran.

Warteschlangenverarbeitung nach Priorität
Bei diesem Verfahren kann man den Datenpakete unterschiedliche Prioritäten zuweisen. So bekommt das VoIP eine höhere Priorität, sodass eine gute unterbrechungsfreie Verbindung gewährleistet ist. Diese Warteschlangenverarbeitung nach Priorität zeigt aber erst Wirkung wenn wie schon am Anfang erwähnt wurde, das Netzwerk überlastet ist. So kommen die Daten mit der hohen Priorität immer als erstes an, danach folgen die Pakete mit mittlere Priorität und schließlich als Schlusslicht, die mit der niedrigen.

Weighted Fair Queuing - Warteschlangenverarbeitung
Das "Weighted Fair"-Warteschlangenverfahren das auch mit WFQ abgekürzt wird, hat das Ziel eine faire Behandlungen der Quellen der Übertragungskomponente zu ermöglichen. Realisiert wird das Verfahren in dem jeder Datenfluss unterschiedlich gewichtet wird. Die Warteschlangen selbst werden mit dem Round-Robin-Verfahren abgefragt.

Wie ein Datenflusses gewichtet wird, bestimmen die Anzahl der Bytes, die beim Round-Robin-Verfahren pro Tick aus der Warteschlange entnommen und versendet werden. Hier die Formel zum Berechnen:

Weighted Fair Queuing

bi = Bandbreite für Fluss i
wi = Gewichtung von Fluss i
n = Anzahl der Flüsse
R = Gesamtbandbreite der Leitung

In Worten:
Bandbreite für Fluss i = (Gewichtung von Fluss i) / (Gesamtgewicht aller Flüsse) * (Gesamtbandbreite der Leitung)

Class-Based Weighted Fair Queueing – Klassenbasierte Warteschlangenverarbeitung
Bei dieser Verarbeitung werden die Pakete mit Klassen versehen. Diese Klassen werden dann Queue zugewiesen. Nun kann man für die einzelnen Klassen garantierte Bandbreiten, Prioritäten und eine maximale zulässige Paketzahl pro Queue zuordnen.

Um ein Verfahren auswählen zu können das zu Ihrer jeweiligen Netzwerkarchitektur passt, ist es erforderlich das Netz zu analysieren, in dem man es überwacht. Schwierig wird es vor allem, wenn sich das Netzwerk häufig ändern. Hier fällt dann besonders viel Arbeit an. Auf jeden Fall muss darauf geachtet werden, das die Warteschlangenlänge korrekt eingestellt wird, denn sonst kann es im schlimmsten Fall bei einer zu kleinen Warteschlangenlänge zu Paket Verlust führen und bei zu großen Warteschlangenlängen dazu führen, dassdie Wartezeit einfach inakzeptabel wird.

Anwendungsbreiche von Quality of Service:
Anschlüsse mit Quality-of-Service-Merkmalen findet man bei den meisten Providern nur bei Businesss Anschlüssen. Empfehlenswert wird QoS dann, wenn es sich um ein „Shared Medium“ handelt, sprich Kabel oder Satellit. So hat man z.B. bei SkyDSL die Wahl, welche Prioritätsstufe Downloads bekommen sollen. Aber umsonst gibt es nichts!

Auch Zuhause gibt es einige Geräte die QoS unterstützen, das bekannteste dürfte die FRITZ Box Fon sein. Sie kann VoIP-Gespräche die nötige Bandbreite bereitstellen. Unter Windows XP lässt sich beispielsweise QoS nachinstallieren.

Doch QoS muss nicht immer mit Hardware gelöst werden, auch Software ist auf dem Markt. Diese ist entweder aber recht mangelhaft umgesetzt oder recht schwierig zu implementieren. So kann man z.B. QoS über eine Softwarefirewall realisieren. Dies ist aber meistens eher für Unternehmen gedacht, statt für Heimanwender. Private Linux Anwender sind wohl die einzigen, die problemlos QoS realisieren können.