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Che cos’è il QoS nel networking?

QoS o Quality of Service nel networking è il processo di gestione delle risorse di rete per ridurre la perdita di pacchetti e abbassare il jitter e la latenza della rete. La tecnologia QoS può gestire le risorse assegnando ai vari tipi di dati di rete diversi livelli di priorità.

QoS è solitamente applicata sulle reti che si occupano del traffico che trasporta dati ad alta intensità di risorse come:

• Video-on-demand
• Voice over IP (VoIP)
• Internet Protocol television (IPTV),
• Streamed media
• Video conferencing
• Online gaming

Questi tipi di dati devono essere trasmessi nel minor tempo possibile per essere consumati dal destinatario.

Caso d’uso reale della QoS della rete

Per rendere le cose un po’ più chiare, prendiamo l’esempio di un ingorgo su un’autostrada nell’ora di punta. Tutti gli automobilisti seduti in mezzo all’ingorgo hanno un piano: arrivare alle loro destinazioni finali. E così, a passo di lumaca, continuano ad andare avanti.

Poi il suono della sirena di un’ambulanza li avverte di un veicolo che deve arrivare a destinazione più urgentemente – e prima di loro. E così, gli autisti si spostano da quella che ora diventa la “coda prioritaria” dell’ambulanza, e la lasciano passare.

Similmente, quando una rete trasporta dati, anch’essa ha una configurazione in cui un certo tipo di dati è trattato preferibilmente rispetto a tutti gli altri. I pacchetti di dati importanti devono arrivare a destinazione molto più velocemente degli altri perché sono sensibili al tempo e “scadranno” se non arrivano in tempo.

Perché la QoS di rete conta?

Una volta, la rete aziendale e le reti di comunicazione erano entità separate. Le telefonate e le teleconferenze erano solitamente gestite da una rete connessa con RJ11; le chiamate erano monitorate da un sistema PABX. Funzionava separatamente dalla rete IP connessa con RJ45 che collegava computer portatili, desktop e server. I due tipi di rete si incrociavano raramente a meno che, per esempio, un computer avesse bisogno di una linea telefonica per connettersi a internet. Un esempio di una rete di questo tipo sarebbe:

Quando le reti trasportavano solo dati, la velocità non era così critica. Oggi, le applicazioni interattive che trasportano audio e video devono essere consegnate attraverso le reti ad alta velocità e senza perdita di pacchetti o variazioni nella velocità di consegna.

Le persone ora fanno chiamate di lavoro usando applicazioni di videoconferenza come Skype, Zoom e GoToMeeting, che usano il protocollo di trasporto IP per inviare e ricevere messaggi video e audio. Nell’interesse della velocità, queste applicazioni critiche fanno a meno delle procedure di gestione del trasporto che i trasferimenti di dati standard usano tipicamente.

Prima di addentrarci ulteriormente nell’argomento QoS, dobbiamo parlare di RTP.

Che cos’è RTP?

Il Real-Time Transport Protocol o RTP è uno standard di protocollo internet che stabilisce i modi in cui le applicazioni possono gestire le loro trasmissioni in tempo reale di dati multimediali. Il protocollo copre sia le comunicazioni unicast (uno a uno) che multicast (uno a molti).

RTP è più comunemente usato nelle comunicazioni di telefonia internet dove gestisce le trasmissioni in tempo reale di dati audiovisivi.

Mentre l’RTP non garantisce di per sé la consegna dei pacchetti di dati – questo compito è gestito da switch e router – facilita la loro gestione una volta che arrivano nei dispositivi di rete.

QoS è una configurazione di trasporto hop-by-hop implementata sui dispositivi di rete per farli identificare e dare priorità ai pacchetti RTP. Ogni dispositivo abilitato tra il mittente e il destinatario (o i destinatari) dovrebbe anche essere configurato per capire che il pacchetto è un “VIP” e deve essere spinto nella corsia di priorità. Se anche uno solo dei dispositivi di rete nel relay non è configurato bene, il QoS non funzionerà. I pacchetti perderanno la loro priorità e rallenteranno alla velocità di trasmissione dati di quel dispositivo.

Cosa succede se non usiamo la QoS nel networking?

Non avere una QoS correttamente configurata potrebbe causare uno (o tutti) i seguenti problemi:

• Latenza: Quando ai pacchetti RTP non sono state assegnate le priorità richieste, essi saranno consegnati alle velocità predefinite dei dispositivi. In una rete congestionata, i pacchetti devono viaggiare insieme al resto dei pacchetti non urgenti. Mentre la latenza di rete in sé non avrà un effetto sulla qualità dei dati audiovisivi consegnati di per sé, influenzerà la comunicazione tra gli utenti finali. A 100ms di latenza, cominceranno a parlare uno sopra l’altro mentre i pacchetti arrivano fuori sincrono, e a 300ms la conversazione smette di essere comprensibile.

• Jitter: Le applicazioni in tempo reale rimuovono il buffering standard a livello di trasporto, quindi non c’è alcun meccanismo per riassemblare i pacchetti in arrivo nell’ordine corretto. Il jitter è la velocità irregolare dei pacchetti su una rete. Può risultare in pacchetti che arrivano in ritardo e fuori sequenza. Poiché l’applicazione non aspetta che il flusso venga assemblato correttamente, i pacchetti fuori sequenza vengono eliminati con conseguente distorsione o lacune nell’audio o nel video che viene consegnato.
• Perdita di pacchetti: Questo è lo scenario peggiore in cui troviamo che un certo numero (o parti) di pacchetti vengono persi a causa di una congestione eccessiva sui dispositivi di rete. Quando la coda di uscita di uno switch o di un router si riempie, si verifica un tail drop in cui il dispositivo scarta qualsiasi nuovo pacchetto in arrivo fino a quando lo spazio diventa nuovamente disponibile.

In tutti i casi che abbiamo appena visto, QoS può aiutare a smistare i dati, gestire le code e prevenire la perdita di dati.

Vedi anche: The Ultimate Guide to Packet Loss

Non ci vuole molta immaginazione per vedere come la comunicazione e il trasferimento dei media o lo streaming possano essere gravemente compromessi quando si rinuncia all’uso della QoS – specialmente sulle reti che si occupano dei protocolli RTP. Anche se fosse perfettamente progettato, alla fine, la comunicazione diventerà prima difficile, poi si deteriorerà man mano che il traffico di rete cresce, e infine diventerà impossibile.

I tre difetti – latenza, jitter, e perdita di pacchetti – sono, infatti, così critici nel determinare quanto bene stia funzionando un’implementazione che le aziende produttrici di QoS e software di monitoraggio della rete come SolarWinds li usano come metriche per misurare la qualità del traffico basato su RTP.

Strumenti di rete per il monitoraggio della QoS

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer (FREE TRIAL)

Sarebbe abbastanza ingiusto continuare senza menzionare un po’ di più su uno dei migliori strumenti di monitoraggio di rete là fuori: SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer.

Questa suite di applicazioni per il monitoraggio della rete aiuta a risolvere problemi che potrebbero essere causati da:

• Una rete lenta: Una rete lenta può tenere in ostaggio un intero business mentre continua a ridurre la velocità di flusso dei dati. A meno che i colli di bottiglia della rete non vengano rimossi, l’intera organizzazione sperimenterà una connettività terribile.
• Comunicazioni audiovisive lente: Un’azienda che non può stabilire un canale di comunicazione chiaro all’interno del suo canale di rete sarà paralizzata. Ancora peggio, non essere in grado di comunicare chiaramente con i propri clienti la metterà quasi certamente in ginocchio.
• Reti non monitorate: Un amministratore che non può monitorare correttamente la rete non sarà in grado di conoscere il suo stato attuale o come fare piani per la sua espansione futura. Senza documentare la rete e tracciare le prestazioni di ogni pezzo di equipaggiamento, un manager di rete non può prendere decisioni informate e rischia di esacerbare i problemi di prestazioni della rete.

Armati di Netflow Traffic Analyzer, gli amministratori di rete saranno in grado di sbarazzarsi dei problemi che abbiamo appena visto:

• Aiutando con un’implementazione QoS e la sua ottimizzazione – attraverso il feedback del flusso di dati
• Facendo il punto su, e riportando la configurazione corrente della politica QoS, informando le decisioni di progettazione.
• Monitorare l’utilizzo della larghezza di banda per identificare le applicazioni e i dispositivi che monopolizzano le risorse di rete – questi possono essere isolati, riprogrammati o spenti. Vedi anche: 6 migliori strumenti gratuiti per il monitoraggio della larghezza di banda

Un tipico dashboard di Netflow Traffic Analyzer contiene le informazioni vitali di cui un amministratore ha bisogno per monitorare gli stati e apportare rapidamente modifiche alle impostazioni. Un esempio:

Questi rapporti e analisi includono: latenza, jitter e perdita di pacchetti.

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Paessler QoS Monitoring with PRTG

Un’altra opzione che si potrebbe esaminare per il monitoraggio QoS è Paessler PRTG. Questa suite di monitoraggio di rete ha una sezione speciale che traccia le prestazioni QoS. Questa funzione mostra i flussi di traffico taggati in tempo reale e memorizza anche i dati per l’analisi delle prestazioni e la pianificazione della capacità.

Il software PRTG include quattro sensori di tracciamento che coprono tre diverse metodologie QoS. Questi sono completati da un sensore Ping Jitter che traccia la regolarità della consegna dei pacchetti in un flusso.

I tre tipi di QoS che PRTG può tracciare sono QoS standard, Cisco IP-SLA, e Cisco CBQoS. Il tracker di QoS standard è implementato come un sensore one-way o un sensore roundtrip. Questi tracker possono operare su connessioni attraverso internet. Al fine di ottenere una registrazione accurata delle prestazioni a destinazione, è necessario posizionare un sensore in quella posizione remota per il servizio sensore one-way. Il servizio di andata e ritorno richiede un riflettore nella località remota per funzionare.

Il sensore Cisco IP-SLA è dedicato al monitoraggio del traffico VoIP con tag sulla rete. Registra una serie di metriche per il traffico vocale tra cui il tempo di andata e ritorno, la latenza, il jitter, i ritardi e il Mean Opinion Score (MOS).

Il sensore Cisco CBQoS segue le implementazioni di Quality of Service basate sulla classe. CBQoS è una metodologia di accodamento e se volete implementarla, dovrete tenere traccia di più punti di ingresso ai vostri router e switch. Si creano almeno tre code virtuali per ogni dispositivo, quindi c’è molto di più da monitorare.

PRTG è in grado di configurarsi e mappare automaticamente tutta la vostra infrastruttura di rete. Tuttavia, le implementazioni QoS richiedono un processo decisionale, quindi dovrete impostare il metodo da soli decidendo quali tipi di traffico di rete dare la priorità.

Paessler vi permette di usare PRTG gratuitamente se attivate solo un massimo di 100 sensori. Se si va oltre, è possibile ottenere una prova gratuita di 30 giorni del sistema, compreso il monitor QoS.

Come si configura il QoS?

I router e gli switch via cavo che possono essere configurati per dare priorità ai protocolli sono solitamente accessibili tramite suite di software di gestione dei router. L’intero processo di configurazione delle preferenze QoS è un affare abbastanza semplice che comporta:

• L’accesso all’applicazione e la connessione all’hub o allo switch attraverso di essa
• Viaggio al menu di configurazione QoS
• Impostazione delle preferenze di priorità dei pacchetti

E proprio così, i pacchetti multimediali saranno in grado di attraversare le reti senza problemi. Gli ingegneri di rete hardcore possono fare tutti i compiti elencati sopra tramite le interfacce di configurazione della linea di comando.

Come sono prioritarizzati i pacchetti RTP?

La prioritizzazione dei pacchetti QoS può essere fatta usando due metodi principali:

• Classificazione: Questo metodo efficace identifica i tipi di pacchetti e assegna la loro priorità contrassegnandoli. L’identificazione può essere fatta usando ACL (Access Control Lists), implementazioni LAN che usano CoS (Class of Service), o con l’aiuto di switch che usano marcature QoS basate sull’hardware.
• Queuing: Le code sono buffer di memoria ad alte prestazioni che si trovano nei router e negli switch. I pacchetti che passano attraverso di loro sono tenuti in aree di memoria dedicate mentre aspettano di essere inviati sulla loro strada. Quando ai protocolli, come l’RTP, viene assegnata una priorità più alta, vengono spostati in una coda dedicata che spinge i dati a un ritmo più veloce, riducendo così le possibilità di essere abbandonati. Le code a bassa priorità non si concedono questo lusso.

Una cosa importante che deve essere ricordata qui è che le marcature di priorità di un pacchetto sono valide solo all’interno della rete in cui è stato creato. Una volta che lascia la rete, i proprietari della rete ricevente determineranno la sua nuova priorità.

Pensieri da considerare quando si assegna la priorità ai pacchetti

Alcuni pensieri e suggerimenti che possono aiutare quando si decide come dare la priorità ai pacchetti includono:

• È generalmente una buona idea avere i contrassegni di priorità assegnati dai dispositivi più vicini alla fonte dei dati Questo assicura che i pacchetti viaggiano attraverso l’intera rete con la corretta priorità.
• Il dispositivo di scelta per contrassegnare i pacchetti in entrata che dovrebbe sempre essere switch. Questo perché questi dispositivi possono bilanciare il traffico sulla rete e condividere il carico con altri switch, riducendo così il carico sulle loro CPU.
• Il traffico in arrivo è quasi sempre maggiore di quello che è diretto nella direzione opposta. I provider ISP normalmente assegnano meno larghezza di banda al traffico in uscita dei loro clienti, ed è lì (sul percorso della rete in uscita) che il QoS deve essere applicato principalmente.
• Cisco ha una raccomandazione su come i pacchetti dovrebbero essere marcati come mostrato in questo diagramma:

Infine, il successo di un’implementazione QoS dipende sempre dalla qualità della policy che governa come i pacchetti sono classificati, marcati e messi in coda. La politica deve essere redatta con cura perché l’implementazione QoS sia un successo.

Per cosa non usare QoS

Dopo aver letto di QoS potrebbe sembrare un elisir magico che può curare tutti i malanni che causano la congestione della rete. Beh, fino a un certo punto, può rendere la maggior parte delle comunicazioni RTP più fluide e far sembrare che abbia snellito il traffico su una rete. Sfortunatamente, non è una soluzione completa per ogni problema di rete.

QoS non dovrebbe mai essere usato per i seguenti scopi:

Aumentare la larghezza di banda

Anche se QoS aiuta a razionalizzare la priorità dei pacchetti RTP e a far sembrare che la rete abbia improvvisamente aumentato la sua larghezza di banda, non dovrebbe mai essere interpretato come tale. La QoS non dovrebbe mai essere usata come uno strumento per “aumentare la larghezza di banda” quando tutto ciò che fa è utilizzare le risorse esistenti in modo un po’ più efficiente (e in favore dei pacchetti RTP).

Invece, considerate la possibilità di cercare il caching dei file per diminuire la quantità di dati che vanno e vengono. Se questo non funziona, allora potrebbe significare che i limiti di banda prescritti sono stati raggiunti. Quando un’azienda raggiunge i suoi limiti di banda larga, l’unica cosa fattibile da fare è uscire e comprarne altra – non usare QoS.

Sbloccare la rete

Se le applicazioni canaglia vengono lasciate in esecuzione e finiscono per intasare la larghezza di banda di una rete, l’implementazione di QoS non è la soluzione. Mentre le chiamate Skype potrebbero finalmente iniziare a passare, QoS non avrà affrontato il problema alla radice. Alla fine, le applicazioni canaglia inghiottiranno qualsiasi risorsa disponibile, esaurendo i benefici del QoS.

Una soluzione che potrebbe funzionare in questo caso sarebbe quella di dare la caccia alle applicazioni che consumano risorse e spegnerle o riprogrammarle per farle funzionare durante le ore notturne.

Ancora una volta, l’intero scopo di configurare la QoS su una rete è quello di assicurarsi che lo streaming video e le chiamate audio non subiscano ritardi (o addirittura vengano interrotte) a causa di una rete congestionata. Non è uno strumento che può effettivamente aumentare la larghezza di banda. Non può nemmeno scavare un tunnel attraverso una rete intasata.

Una buona implementazione di QoS migliorerà la qualità e la velocità dei dati mission-critical ottimizzando la larghezza di banda assegnata e facilitando il tagging dei pacchetti in modo da identificarli e dare loro le priorità assegnate. Utilizza la larghezza di banda disponibile; non la espande.

QoS in Networking FAQs

Attribuzioni alle immagini:

1. Feature image by John Carlisle on Unsplash
2. “Red and white car light trails on an urban highway at night in Röddingsmarkt” by CBX. on Unsplash
3. Disegno di rete mista – Wikimedia, pubblico dominio
4. “Netflow Traffic Analyzer Summary” – screenshot preso il 28/05/2018
5. “Cisco’s QoS Baseline Marking Recommendations” – Cortesia di Cisco Systems, Inc. Uso non autorizzato non consentito (Immagine catturata il 28/05/2018)