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Was ist QoS in der Netzwerktechnik?

QoS oder Quality of Service in Netzwerken ist der Prozess der Verwaltung von Netzwerkressourcen, um Paketverluste zu reduzieren sowie Jitter und Latenzzeiten im Netzwerk zu verringern. Die QoS-Technologie kann Ressourcen verwalten, indem sie den verschiedenen Arten von Netzwerkdaten unterschiedliche Prioritätsstufen zuweist.

QoS wird normalerweise in Netzwerken angewendet, die Datenverkehr mit ressourcenintensiven Daten wie:

• Video-on-demand
• Voice over IP (VoIP)
• Internet Protocol Television (IPTV),
• Streamed Media
• Videokonferenzen
• Online-Gaming

Diese Arten von Daten müssen in der kürzesten Zeit übertragen werden, um beim Empfänger konsumierbar zu sein.

Netzwerk-QoS in der Praxis

Zur Verdeutlichung nehmen wir das Beispiel eines Staus auf einer Autobahn zur Hauptverkehrszeit. Alle Fahrer, die in der Mitte des Staus stehen, haben nur einen Plan – sie wollen an ihr Ziel kommen. Und so fahren sie im Schneckentempo weiter.

Dann macht sie die Sirene eines Krankenwagens auf ein Fahrzeug aufmerksam, das dringender an sein Ziel kommen muss – und zwar vor ihnen. Und so rücken die Fahrer aus der „Prioritäts-Warteschlange“ des Krankenwagens heraus und lassen ihn passieren.

Auch beim Datentransport in einem Netzwerk gibt es einen Aufbau, bei dem bestimmte Daten bevorzugt vor allen anderen behandelt werden. Die Pakete mit wichtigen Daten müssen ihr Ziel viel schneller erreichen als der Rest, weil sie zeitempfindlich sind und „verfallen“, wenn sie es nicht rechtzeitig schaffen.

Warum ist Netzwerk-QoS wichtig?

Es gab eine Zeit, da waren das Netzwerk eines Unternehmens und die Kommunikationsnetze getrennte Einheiten. Die Telefonanrufe und Telefonkonferenzen wurden in der Regel über ein RJ11-verbundenes Netzwerk abgewickelt; die Anrufe wurden von einem PABX-System überwacht. Es lief getrennt von dem RJ45-verbundenen IP-Netzwerk, das Laptops, Desktops und Server miteinander verband. Die beiden Netzwerktypen kreuzten sich nur selten, es sei denn, ein Computer benötigte eine Telefonleitung, um sich mit dem Internet zu verbinden. Ein Beispiel für ein solches Netzwerk würde wie folgt aussehen:

Als Netzwerke nur Daten übertrugen, war die Geschwindigkeit nicht so entscheidend. Heute müssen interaktive Anwendungen, die Audio- und Videodaten übertragen, mit hoher Geschwindigkeit und ohne Paketverluste oder Schwankungen in der Übertragungsgeschwindigkeit über die Netzwerke geliefert werden.

Geschäftsgespräche werden heute mit Videokonferenzanwendungen wie Skype, Zoom und GoToMeeting geführt, die das IP-Transportprotokoll zum Senden und Empfangen von Video- und Audionachrichten verwenden. Im Interesse der Geschwindigkeit verzichten diese kritischen Anwendungen auf die Transportmanagementverfahren, die bei Standarddatenübertragungen üblicherweise verwendet werden.

Bevor wir uns weiter mit dem Thema QoS beschäftigen, müssen wir über RTP sprechen.

Was ist RTP?

Das Real-Time Transport Protocol oder RTP ist ein Internet-Protokoll-Standard, der Wege für Anwendungen festlegt, ihre Echtzeit-Übertragungen von Multimedia-Daten zu verwalten. Das Protokoll deckt sowohl Unicast- (one-to-one) als auch Multicast-Kommunikation (one-to-many) ab.

RTP wird vor allem in der Internet-Telefonie eingesetzt, wo es die Echtzeit-Übertragung von audiovisuellen Daten übernimmt.

Während RTP an sich nicht die Zustellung der Datenpakete garantiert – diese Aufgabe wird von Switches und Routern übernommen – erleichtert es die Verwaltung der Pakete, sobald sie in den Netzwerkgeräten ankommen.

QoS ist eine Hop-by-Hop-Transportkonfiguration, die auf den Netzwerkgeräten implementiert ist, damit diese RTP-Pakete identifizieren und priorisieren können. Jedes aktivierte Gerät zwischen dem Absender und dem/den Empfänger(n) sollte auch so konfiguriert sein, dass es versteht, dass das Paket ein „VIP“ ist und in der Prioritätsspur weitergeschoben werden muss. Wenn auch nur eines der Netzwerkgeräte im Relais nicht richtig konfiguriert ist, wird QoS nicht funktionieren. Die Pakete verlieren ihre Priorität und werden auf die Datenübertragungsgeschwindigkeit dieses Geräts verlangsamt.

Was passiert, wenn wir QoS im Netzwerk nicht verwenden?

Nicht richtig konfigurierte QoS kann zu einem (oder allen) der folgenden Probleme führen:

• Latenz: Wenn den RTP-Paketen nicht die erforderlichen Prioritäten zugewiesen wurden, werden sie mit der Standardgeschwindigkeit der Geräte zugestellt. In einem überlasteten Netzwerk müssen die Pakete zusammen mit dem Rest der nicht dringenden Pakete transportiert werden. Während die Netzwerklatenz selbst keinen Einfluss auf die Qualität der gelieferten audiovisuellen Daten hat, beeinflusst sie die Kommunikation zwischen den Endbenutzern. Bei einer Latenz von 100 ms fangen sie an, übereinander zu reden, da die Pakete nicht mehr synchron ankommen, und bei 300 ms ist die Unterhaltung nicht mehr verständlich.

• Jitter: Echtzeitanwendungen entfernen die standardmäßige Pufferung auf Transportebene, sodass es keinen Mechanismus gibt, um ankommende Pakete in der richtigen Reihenfolge wieder zusammenzusetzen. Jitter ist die unregelmäßige Geschwindigkeit von Paketen in einem Netzwerk. Dies kann dazu führen, dass Pakete verspätet und nicht in der richtigen Reihenfolge ankommen. Da die Anwendung nicht darauf wartet, dass der Stream korrekt zusammengesetzt wird, werden Pakete in falscher Reihenfolge verworfen, was zu Verzerrungen oder Lücken in den gelieferten Audio- oder Videodaten führt.
• Paketverlust: Dies ist das Worst-Case-Szenario, bei dem eine Reihe (oder Teile) von Paketen aufgrund einer zu großen Überlastung der Netzwerkgeräte verloren gehen. Wenn die Ausgangswarteschlange eines Switches oder Routers voll ist, kommt es zu einem Tail-Drop, bei dem das Gerät alle neu ankommenden Pakete verwirft, bis wieder Platz frei wird.

In allen Fällen, die wir gerade gesehen haben, kann QoS helfen, indem es die Daten aussortiert, die Warteschlangen verwaltet und Datenverluste verhindert.

Siehe auch: The Ultimate Guide to Packet Loss

Es braucht nicht viel Phantasie, um zu sehen, wie Kommunikation und Medienübertragung oder Streaming stark beeinträchtigt werden können, wenn wir auf QoS verzichten – besonders in Netzwerken, die RTP-Protokolle verwenden. Selbst bei perfektem Design wird die Kommunikation zunächst schwierig, dann mit wachsendem Netzwerkverkehr immer schlechter und schließlich unmöglich.

Die drei Fehler – Latenz, Jitter und Paketverlust – sind tatsächlich so entscheidend für die Bestimmung, wie gut eine Implementierung funktioniert, dass Hersteller von QoS- und Netzwerküberwachungssoftware wie SolarWinds sie als Metriken zur Messung der Qualität von RTP-basiertem Verkehr verwenden.

Netzwerk-Tools für die QoS-Überwachung

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer (FREE TRIAL)

Es wäre ziemlich unfair, weiterzumachen, ohne ein wenig mehr über eines der besten Netzwerk-Überwachungstools zu erwähnen: SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer.

Diese Suite von Netzwerküberwachungsanwendungen hilft dabei, Probleme zu beheben, die durch Folgendes verursacht werden können:

• Ein langsames Netzwerk: Ein langsames Netzwerk kann ein ganzes Unternehmen in Geiselhaft nehmen, da es die Geschwindigkeit, mit der Daten fließen, immer weiter reduziert. Wenn die Engpässe im Netzwerk nicht beseitigt werden, wird das gesamte Unternehmen eine schlechte Konnektivität erleben.
• Langsame audiovisuelle Kommunikation: Ein Unternehmen, das keinen klaren Kommunikationskanal innerhalb seines Netzwerks aufbauen kann, wird gelähmt sein. Schlimmer noch, wenn es nicht in der Lage ist, klar mit seinen Kunden zu kommunizieren, wird es mit ziemlicher Sicherheit in die Knie gezwungen.
• Unüberwachte Netzwerke: Ein Administrator, der das Netzwerk nicht ordnungsgemäß überwachen kann, wird nicht in der Lage sein, den aktuellen Status des Netzwerks zu kennen oder Pläne für seine zukünftige Erweiterung zu machen. Ohne das Netzwerk zu dokumentieren und die Leistung jedes einzelnen Geräts zu verfolgen, kann ein Netzwerkmanager keine fundierten Entscheidungen treffen und wird wahrscheinlich die Probleme mit der Netzwerkleistung verschärfen.

Mit dem Netflow Traffic Analyzer sind Netzwerkadministratoren in der Lage, die Probleme, die wir gerade gesehen haben, zu beseitigen, indem sie:

• Hilfe bei einer QoS-Implementierung und deren Optimierung – durch Datenfluss-Feedback
• Bestandsaufnahme und Berichterstattung über die aktuelle QoS-Richtlinienkonfiguration, die Designentscheidungen informiert.
• Überwachung der Bandbreitennutzung, um festzustellen, welche Anwendungen und Geräte die Netzwerkressourcen in Anspruch nehmen – diese können isoliert, umdisponiert oder abgeschaltet werden. Siehe auch: Die 6 besten kostenlosen Tools zur Bandbreitenüberwachung

Ein typisches Netflow Traffic Analyzer-Dashboard enthält die wichtigen Informationen, die ein Administrator benötigt, um Zustände zu überwachen und Einstellungen schnell anzupassen. Ein Beispiel:

Diese Berichte und Analysen beinhalten: Latenz, Jitter und Paketverlust.

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Paessler QoS Monitoring mit PRTG

Eine weitere Option, die Sie für QoS-Monitoring untersuchen könnten, ist Paessler PRTG. Diese Netzwerk-Monitoring-Suite hat einen speziellen Bereich, der die QoS-Leistung verfolgt. Diese Funktion zeigt Ihnen markierte Verkehrsflüsse in Echtzeit und speichert auch Daten für die Leistungsanalyse und Kapazitätsplanung.

Die PRTG-Software enthält vier Tracking-Sensoren, die drei verschiedene QoS-Methoden abdecken. Diese werden durch einen Ping-Jitter-Sensor ergänzt, der die Regelmäßigkeit der Paketzustellung in einem Datenstrom verfolgt.

Die drei Arten von QoS, die PRTG verfolgen kann, sind Standard-QoS, Cisco IP-SLA und Cisco CBQoS. Die Tracker von Standard-QoS sind als One-Way-Sensor oder als Roundtrip-Sensor implementiert. Diese Tracker können auf Verbindungen quer durch das Internet arbeiten. Um eine genaue Aufzeichnung der Leistung am Zielort zu erhalten, müssen Sie für den One-Way-Sensor-Service einen Sensor an diesem entfernten Standort platzieren. Für den Roundtrip-Service ist ein Reflektor am entfernten Standort erforderlich, um zu funktionieren.

Der Cisco IP-SLA-Sensor ist für die Überwachung des getaggten VoIP-Verkehrs in Ihrem Netzwerk gedacht. Er protokolliert eine Reihe von Metriken für den Sprachverkehr, darunter Roundtrip-Zeit, Latenz, Jitter, Verzögerungen und den Mean Opinion Score (MOS).

Der Cisco CBQoS-Sensor folgt Class-based Quality of Service-Implementierungen. CBQoS ist eine Queuing-Methode, und wenn Sie sie implementieren wollen, müssen Sie mehrere Eingangspunkte zu Ihren Routern und Switches im Auge behalten. Sie erstellen mindestens drei virtuelle Warteschlangen für jedes Gerät, es gibt also viel mehr zu überwachen.

PRTG ist in der Lage, sich selbst einzurichten und Ihre gesamte Netzwerkinfrastruktur automatisch abzubilden. QoS-Implementierungen erfordern jedoch eine Entscheidungsfindung, sodass Sie die Methode selbst einrichten müssen, indem Sie entscheiden, welche Arten von Netzwerkverkehr priorisiert werden sollen.

Paessler lässt Sie PRTG kostenlos nutzen, wenn Sie nur maximal 100 Sensoren aktivieren. Wenn Sie größer gehen, können Sie das System 30 Tage lang kostenlos testen, einschließlich des QoS-Monitors.

Wie konfigurieren Sie Ihre QoS?

Kabel-Router und Switches, die für die Priorisierung von Protokollen konfiguriert werden können, werden in der Regel von Router-Management-Software-Suiten angesprochen. Der gesamte Prozess der QoS-Konfiguration ist eine ziemlich unkomplizierte Angelegenheit, die Folgendes beinhaltet:

• Einloggen in die Anwendung und Verbinden mit dem Hub oder Switch über diese
• Navigieren zum QoS-Konfigurationsmenü
• Einstellen der Paketprioritätseinstellungen

Und schon können Medienpakete das Netzwerk reibungslos durchlaufen. Hartgesottene Netzwerktechniker können alle oben aufgeführten Aufgaben über Kommandozeilen-Konfigurationsschnittstellen erledigen.

Wie werden RTP-Pakete priorisiert?

QoS-Paketpriorisierung kann mit zwei Hauptmethoden durchgeführt werden:

• Klassifizierung: Diese effektive Methode identifiziert die Pakettypen und weist ihnen durch Markierung eine Priorität zu. Die Identifizierung kann über ACLs (Access Control Lists), LAN-Implementierungen mit CoS (Class of Service) oder mit Hilfe von Switches, die hardwarebasierte QoS-Markierungen verwenden, erfolgen.
• Queuing: Warteschlangen sind leistungsfähige Speicherpuffer, die in Routern und Switches zu finden sind. Die Pakete, die sie durchlaufen, werden in dedizierten Speicherbereichen gehalten, während sie darauf warten, auf ihren Weg geschickt zu werden. Wenn Protokollen, wie z. B. RTP, eine höhere Priorität zugewiesen wird, werden sie in eine dedizierte Warteschlange verschoben, die die Daten schneller weiterleitet und so die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sie verworfen werden. Den Warteschlangen mit niedrigerer Priorität ist dieser Luxus nicht vergönnt.

Eine wichtige Sache, an die man sich hier erinnern muss, ist, dass die Prioritätsmarkierungen eines Pakets nur innerhalb des Netzwerks gültig sind, in dem es erstellt wurde. Sobald es das Netzwerk verlässt, werden die Besitzer des Empfängernetzwerks seine neue Priorität bestimmen.

Gedanken zur Priorisierung von Paketen

Ein paar Gedanken und Tipps, die bei der Entscheidung, wie man Pakete priorisiert, helfen können, sind:

• Es ist generell eine gute Idee, die Prioritätsmarkierungen von Geräten zu vergeben, die der Quelle der Daten am nächsten sind. Dies stellt sicher, dass die Pakete mit der richtigen Priorität durch das gesamte Netzwerk reisen.
• Das Gerät der Wahl, um eingehende Pakete zu markieren, sollten immer Switches sein. Das liegt daran, dass diese Geräte den Verkehr im Netzwerk ausbalancieren und die Last mit anderen Switches teilen können, wodurch ihre CPUs entlastet werden.
• Eingehender Verkehr ist fast immer größer als der, der in die Gegenrichtung geht. ISP-Provider weisen dem ausgehenden Verkehr ihrer Kunden in der Regel weniger Bandbreite zu, und genau dort (auf dem ausgehenden Netzwerkpfad) muss QoS primär angewendet werden.
• Cisco hat eine Empfehlung, wie Pakete markiert werden sollten, wie in diesem Diagramm gezeigt wird:

Schließlich hängt der Erfolg einer QoS-Implementierung immer von der Qualität der Richtlinie ab, die regelt, wie Pakete klassifiziert, markiert und in eine Warteschlange gestellt werden. Die Richtlinie muss sorgfältig ausgearbeitet werden, damit die QoS-Implementierung ein Erfolg wird.

Für was man QoS nicht verwenden sollte

Nach der Lektüre über QoS könnte es wie ein magisches Elixier erscheinen, das alle Leiden heilen kann, die zu einer Überlastung des Netzwerks führen. Nun, bis zu einem gewissen Grad kann es die meisten RTP-Kommunikationen flüssiger machen und den Anschein erwecken, als ob es den Verkehr in einem Netzwerk rationalisiert hätte. Leider ist es keine Allround-Lösung für jedes Netzwerkproblem.

QoS sollte niemals für folgende Zwecke verwendet werden:

Bandbreite erhöhen

Obwohl QoS dabei hilft, die Priorität von RTP-Paketen zu straffen und es so aussehen zu lassen, als hätte das Netzwerk plötzlich seine Bandbreite erhöht, sollte es niemals als solches ausgelegt werden. QoS sollte niemals als Werkzeug zur „Erhöhung der Bandbreite“ verwendet werden, wenn es lediglich die vorhandenen Ressourcen etwas effizienter nutzt (und zwar zugunsten der RTP-Pakete).

Ziehen Sie stattdessen das Caching von Dateien in Betracht, um die Datenmenge zu verringern, die kommt und geht. Wenn das nicht funktioniert, dann könnte das bedeuten, dass die vorgeschriebenen Bandbreitengrenzen erreicht sind. Wenn ein Unternehmen seine Bandbreitengrenzen erreicht, ist die einzige sinnvolle Maßnahme, mehr davon zu kaufen – und nicht QoS zu verwenden.

Das Netzwerk entlasten

Wenn Rogue-Applikationen laufen und die Bandbreite des Netzwerks in Anspruch nehmen, ist die Implementierung von QoS nicht die Lösung. Auch wenn Skype-Anrufe endlich durchkommen, hat QoS das eigentliche Problem nicht gelöst. Letztendlich werden die Rogue-Applikationen alle verfügbaren Ressourcen verschlingen und damit die Vorteile von QoS aufbrauchen.

Eine Lösung, die hier funktionieren könnte, wäre es, die ressourcenfressenden Anwendungen aufzuspüren und sie entweder abzuschalten oder sie so umzuplanen, dass sie nach Feierabend laufen.

Auch hier ist der Sinn und Zweck der Konfiguration von QoS in einem Netzwerk, sicherzustellen, dass Video- und Audioanrufe aufgrund eines überlasteten Netzwerks nicht verzögert (oder sogar abgebrochen) werden. Es ist kein Werkzeug, das die Bandbreite tatsächlich erhöhen kann. Es kann auch nicht durch ein verstopftes Netzwerk tunneln.

Eine gute QoS-Implementierung verbessert die Qualität und Geschwindigkeit geschäftskritischer Daten, indem sie die zugewiesene Bandbreite optimiert und die Kennzeichnung der Pakete erleichtert, so dass sie identifiziert werden und die ihnen zugewiesenen Prioritäten erhalten. Es nutzt die verfügbare Bandbreite, es erweitert sie nicht.

QoS in Networking FAQs

Bildnachweis:

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. „Mixed network design“ – Wikimedia, public domain
4. „Netflow Traffic Analyzer Summary“ – Screenshot vom 28.05.2018
5. „Cisco’s QoS Baseline Marking Recommendations“ – Courtesy of Cisco Systems, Inc. Unerlaubte Verwendung nicht gestattet (Bild aufgenommen am 28.05.2018)