Heading

Wat is QoS in netwerken?

QoS of Quality of Service in netwerken is het proces van het beheren van netwerkbronnen om pakketverlies te beperken en netwerkjitter en -latentie te verlagen. QoS-technologie kan middelen beheren door aan de verschillende soorten netwerkgegevens verschillende prioriteitsniveaus toe te kennen.

QoS wordt gewoonlijk toegepast op netwerken die zich richten op verkeer dat gegevens transporteert die veel bronnen vereisen, zoals:

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

Dit soort gegevens moet in zo kort mogelijke tijd worden verzonden om aan de ontvangende kant te kunnen worden gebruikt.

Network QoS real-life use case

Om de zaken wat duidelijker te maken, nemen we het voorbeeld van een file op een snelweg tijdens het spitsuur. Alle automobilisten die midden in de file staan, hebben maar één plan: hun eindbestemming halen.

Dan waarschuwt het geluid van de sirene van een ambulance hen voor een voertuig dat met meer spoed – en vóór hen – op de plaats van bestemming moet zijn. En dus gaan de chauffeurs weg uit wat nu de “voorrangsrij” van de ambulance wordt, en laten ze hem passeren.

Op vergelijkbare wijze heeft een netwerk, wanneer het gegevens transporteert, ook een opzet waarbij een bepaald soort gegevens bij voorkeur wordt behandeld boven alle andere. De pakketten met belangrijke gegevens moeten hun bestemming veel sneller bereiken dan de rest, omdat ze tijdgevoelig zijn en zullen “verlopen” als ze het niet op tijd halen.

Waarom is netwerk-QoS van belang?

Er was een tijd dat het bedrijfsnetwerk en de communicatienetwerken afzonderlijke entiteiten waren. De telefoongesprekken en teleconferenties werden meestal afgehandeld door een netwerk met RJ11-aansluiting; de gesprekken werden bewaakt door een PABX-systeem. Dit netwerk stond los van het met RJ45 verbonden IP-netwerk dat laptops, desktops en servers met elkaar verbond. De twee netwerktypes kruisten elkaar zelden, tenzij bijvoorbeeld een computer een telefoonlijn nodig had om verbinding te maken met het internet. Een voorbeeld van een dergelijk netwerk ziet er als volgt uit:

Toen netwerken alleen gegevens vervoerden, was snelheid niet zo kritisch. Tegenwoordig moeten interactieve toepassingen die audio en video overbrengen, met hoge snelheden en zonder pakketverlies of variaties in de afleversnelheid over netwerken worden afgeleverd.

Mensen voeren tegenwoordig zakelijke gesprekken met videoconferentietoepassingen als Skype, Zoom en GoToMeeting, die gebruikmaken van het IP-transportprotocol voor het verzenden en ontvangen van video- en audioberichten. Omwille van de snelheid doen deze kritische toepassingen het zonder de transportbeheerprocedures die standaard datatransfers doorgaans gebruiken.

Voordat we verder gaan met het onderwerp QoS, moeten we het hebben over RTP.

Wat is RTP?

Het Real-Time Transport Protocol of RTP is een internetprotocolstandaard die manieren voorschrijft waarop toepassingen hun realtime-overdrachten van multimediagegevens kunnen beheren. Het protocol bestrijkt zowel unicast (één-op-één) als multicast (één-naar-veel) communicatie.

RTP wordt vaker gebruikt bij communicatie via internettelefonie, waar het de realtimeverzending van audiovisuele gegevens afhandelt.

Hoewel RTP op zichzelf niet de aflevering van de datapakketten garandeert – die taak wordt uitgevoerd door switches en routers – vergemakkelijkt het wel het beheer ervan als ze eenmaal in de netwerkapparatuur zijn aangekomen.

QoS is een hop-per-hop transportconfiguratie die op de netwerkapparatuur is geïmplementeerd om ze RTP-pakketten te laten identificeren en prioriteren. Elk ingeschakeld apparaat tussen de zender en de ontvanger(s) moet ook worden geconfigureerd om te begrijpen dat het pakket een “VIP” is en moet worden doorgeschoven in de priority lane. Als ook maar één van de netwerkapparaten in het relais niet juist geconfigureerd is, zal QoS niet werken. De pakketten zullen hun prioriteit verliezen en vertragen tot de datatransmissiesnelheid van dat apparaat.

Wat gebeurt er als we QoS niet gebruiken in netwerken?

Het niet hebben van een correct geconfigureerde QoS kan resulteren in één (of alle) van de volgende problemen:

• Latentie: Als aan de RTP-pakketten niet de vereiste prioriteit is toegekend, worden ze met de standaardsnelheid van de apparaten afgeleverd. In een overbelast netwerk moeten de pakketten samen met de rest van de niet-dringende pakketten reizen. Hoewel netwerklatentie op zich geen effect heeft op de kwaliteit van de afgeleverde audiovisuele gegevens, beïnvloedt zij wel de communicatie tussen eindgebruikers. Bij 100 ms latentie beginnen ze over elkaar heen te praten omdat de pakketten niet synchroon aankomen, en bij 300 ms is het gesprek niet meer te volgen.

• Jitter: Real-time toepassingen verwijderen de standaardbuffer op transportniveau, zodat er geen mechanisme is om binnenkomende pakketten in de juiste volgorde samen te voegen. Jitter is de onregelmatige snelheid van pakketten op een netwerk. Het kan resulteren in pakketten die te laat en niet in de juiste volgorde aankomen. Aangezien de toepassing niet wacht tot de stroom correct is samengesteld, worden pakketten die niet in de juiste volgorde aankomen, gedropt, wat leidt tot vervorming of gaten in de audio of video die wordt afgeleverd.
• Pakketverlies: Dit is het slechtst denkbare scenario waarbij een aantal (of delen) van pakketten verloren gaat als gevolg van te veel congestie op de netwerkapparatuur. Wanneer de uitvoerwachtrij van een switch of router volloopt, treedt een tail drop op waarbij het apparaat alle nieuwe inkomende pakketten weggooit totdat er weer ruimte beschikbaar komt.

In alle gevallen die we zojuist hebben gezien, kan QoS helpen door de gegevens te sorteren, de wachtrijen te beheren en gegevensverlies te voorkomen.

Zie ook: The Ultimate Guide to Packet Loss

Er is niet veel fantasie voor nodig om te zien hoe communicatie en media-overdracht of -streaming ernstig kunnen worden beïnvloed als we afzien van het gebruik van QoS – vooral op netwerken die zich richten op RTP-protocollen. Zelfs als het perfect zou zijn ontworpen, zal de communicatie uiteindelijk eerst moeilijk worden, vervolgens verslechteren naarmate het netwerkverkeer toeneemt, en uiteindelijk onmogelijk worden.

De drie fouten – latency, jitter, en packet loss – zijn in feite zo kritisch in het bepalen hoe goed een implementatie werkt, dat QoS- en netwerkmonitoring-software producerende bedrijven als SolarWinds ze gebruiken als maatstaf om de kwaliteit van op RTP gebaseerd verkeer te meten.

Netwerktools voor QoS-monitoring

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer (GRATIS TRIAL)

Het zou niet eerlijk zijn om door te gaan zonder iets meer te zeggen over een van de beste netwerkmonitoringtools die er zijn: SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer.

Deze suite van netwerkbewakingstoepassingen helpt bij het aanpakken van problemen die kunnen worden veroorzaakt door:

• Een traag netwerk: Een traag netwerk kan een heel bedrijf in gijzeling houden omdat de snelheid waarmee gegevens stromen, steeds verder afneemt. Tenzij de knelpunten in het netwerk worden weggenomen, zal de hele organisatie te maken krijgen met een slechte connectiviteit.
• Een trage audiovisuele communicatie: Een bedrijf dat geen duidelijk communicatiekanaal binnen zijn netwerkkanaal kan opzetten, zal verlamd raken. Erger nog, niet duidelijk kunnen communiceren met haar klanten zal haar vrijwel zeker op de knieën dwingen.
• Onbewaakte netwerken: Een beheerder die het netwerk niet goed kan monitoren zal niet in staat zijn om te weten over de huidige status of hoe plannen te maken voor de toekomstige uitbreiding ervan. Zonder het netwerk te documenteren en de prestaties van elk apparaat bij te houden, kan een netwerkbeheerder geen geïnformeerde beslissingen nemen en is de kans groot dat netwerkprestatieproblemen verergeren.

Gewapend met de Netflow Traffic Analyzer, zullen netwerkbeheerders in staat zijn om zich te ontdoen van de problemen die we zojuist hebben gezien door:

• Het helpen bij een QoS-implementatie en de optimalisatie ervan – door middel van data flow feedback
• Het inventariseren van, en rapporteren over, de huidige QoS-beleidsconfiguratie, het informeren van ontwerpbeslissingen.
• Bandbreedtegebruik monitoren om vast te stellen welke toepassingen en apparaten netwerkbronnen in beslag nemen – deze kunnen worden geïsoleerd, opnieuw ingepland of uitgeschakeld. Zie ook: 6 beste gratis bandbreedte monitoring tools

Een typisch Netflow Traffic Analyzer dashboard bevat de vitale informatie die een beheerder nodig heeft om statussen te monitoren en instellingen snel aan te passen. Een voorbeeld:

Deze rapporten en analyses bevatten onder andere: latency, jitter en packet loss.

SolarWinds NetFlow Traffic Analyzer Download 30 dagen GRATIS TRIAL op SolarWinds.com

Paessler QoS-monitoring met PRTG

Een andere optie die u zou kunnen onderzoeken voor QoS-monitoring is Paessler PRTG. Deze netwerk monitoring suite heeft een speciale sectie die QoS prestaties volgt. Deze functie toont u getagde verkeersstromen in real-time en slaat ook gegevens op voor prestatie-analyse en capaciteitsplanning.

De PRTG-software bevat vier traceringssensoren die drie verschillende QoS-methodologieën bestrijken. Deze worden aangevuld met een Ping Jitter sensor die de regelmatigheid van packet delivery in een stream bijhoudt.

De drie soorten QoS die PRTG kan traceren zijn standaard QoS, Cisco IP-SLA, en Cisco CBQoS. De trackers van standaard QoS zijn geïmplementeerd als een één-weg sensor of een rondreis-sensor. Deze trackers kunnen werken op verbindingen over het internet. Om een nauwkeurig beeld te krijgen van de prestaties op de plaats van bestemming, moet u voor de “one-way sensor”-dienst een sensor op die plaats op afstand plaatsen. De rondreisdienst vereist een reflector op de afgelegen plaats om te kunnen functioneren.

De Cisco IP-SLA-sensor is bedoeld voor het bewaken van getagd VoIP-verkeer op uw netwerk. Hij registreert een reeks meetgegevens voor spraakverkeer, waaronder roundtrip-tijd, latency, jitter, vertragingen en de Mean Opinion Score (MOS).

De Cisco CBQoS-sensor volgt Class-based Quality of Service-implementaties. CBQoS is een wachtrij-methodologie en als u die wilt implementeren, zult u meer ingangspunten naar uw routers en switches moeten bijhouden. U maakt tenminste drie virtuele wachtrijen voor elk apparaat, dus er is veel meer te monitoren.

PRTG is in staat om zichzelf in te stellen en al uw netwerkinfrastructuur automatisch in kaart te brengen. QoS-implementaties vereisen echter besluitvorming, dus u zult de methode zelf moeten instellen door te bepalen welke typen netwerkverkeer prioriteit moeten krijgen.

Paessler laat u PRTG gratis gebruiken als u slechts maximaal 100 sensoren activeert. Ga je groter, dan kun je het systeem 30 dagen gratis uitproberen, inclusief de QoS-monitor.

Hoe configureert u uw QoS?

Kabelrouters en -switches die kunnen worden geconfigureerd om protocollen voorrang te geven, worden meestal benaderd door softwaresuites voor routerbeheer. Het hele proces van het configureren van je QoS-voorkeur is een vrij eenvoudige aangelegenheid die het volgende inhoudt:

• Inloggen in de applicatie en verbinding maken met de hub of switch
• Navigeren naar het QoS-configuratiemenu
• Voorkeuren voor pakketprioriteit instellen

En zo kunnen mediapakketten probleemloos netwerken doorkruisen. Hardcore netwerk engineers kunnen alle bovengenoemde taken uitvoeren via command line configuratie interfaces.

Hoe worden RTP-pakketten geprioriteerd?

QoS pakket prioritering kan worden gedaan met behulp van twee belangrijke methoden:

• Classificatie: Deze effectieve methode identificeert de pakkettypes en kent hun prioriteit toe door ze te markeren. De identificatie kan worden gedaan met behulp van ACL’s (Access Control Lists), LAN-implementaties met behulp van CoS (Class of Service), of met behulp van switches die hardwarematige QoS-markeringen gebruiken.
• Wachtrijen: Queues zijn krachtige geheugenbuffers die in routers en switches worden aangetroffen. De pakketten die er doorheen gaan, worden in speciale geheugengebieden bewaard terwijl ze wachten om te worden verzonden. Wanneer aan protocols, zoals RTP, een hogere prioriteit wordt toegekend, worden ze naar een speciale wachtrij verplaatst die de gegevens sneller doorstuurt, zodat de kans dat ze worden gedropt kleiner wordt. De wachtrijen met lagere prioriteit wordt deze luxe niet gegund.

Een belangrijk ding dat hier moet worden onthouden is dat de prioriteitsmarkeringen van een pakket alleen geldig zijn binnen het netwerk waarin het is aangemaakt. Zodra het het netwerk verlaat, zullen de eigenaren van het ontvangende netwerk de nieuwe prioriteit ervan bepalen.

Ontwerpen bij het prioriteren van pakketten

Enkele gedachten en tips die kunnen helpen bij het beslissen hoe pakketten prioriteit moeten krijgen zijn:

• Het is over het algemeen een goed idee om de prioriteitsmarkeringen te laten toekennen door apparaten die zich het dichtst bij de bron van de gegevens bevinden Dit zorgt ervoor dat de pakketten met de juiste prioriteit over het hele netwerk reizen.
• Het apparaat bij uitstek om inkomende pakketten te markeren dat altijd switches zouden moeten zijn. Dit komt omdat deze apparaten het verkeer op het netwerk kunnen load-balanceren en de last met andere switches kunnen delen, waardoor hun CPU’s minder worden belast.
• Inkomend verkeer is bijna altijd groter dan verkeer dat in de tegenovergestelde richting gaat. ISP-providers wijzen gewoonlijk minder bandbreedte toe aan het uitgaande verkeer van hun klanten, en het is daar (op het uitgaande netwerkpad) dat QoS in de eerste plaats moet worden toegepast.
• Cisco heeft een aanbeveling over hoe pakketten moeten worden gemarkeerd, zoals in dit diagram wordt getoond:

Ten slotte hangt het succes van een QoS-implementatie altijd af van de kwaliteit van het beleid dat bepaalt hoe pakketten worden geclassificeerd, gemarkeerd en in een wachtrij worden geplaatst. Het beleid moet zorgvuldig worden opgesteld, wil de QoS-implementatie een succes worden.

Waarvoor QoS niet te gebruiken

Na het lezen over QoS lijkt het misschien een magisch elixer dat alle kwalen kan genezen die netwerkcongestie veroorzaken. Nou, tot op zekere hoogte kan het de meeste RTP communicatie soepeler maken en het laten lijken alsof het verkeer op een netwerk gestroomlijnd is. Helaas is het geen allesomvattende oplossing voor elk netwerkprobleem.

QoS moet nooit voor de volgende doeleinden worden gebruikt:

Vergroten van bandbreedte

Hoewel QoS helpt om de prioriteit van RTP-pakketten te stroomlijnen en het te laten lijken alsof het netwerk plotseling zijn bandbreedte heeft vergroot, mag het nooit als zodanig worden opgevat. QoS moet nooit worden gebruikt als een middel om “de bandbreedte te verhogen”, als het enige wat het doet is de bestaande bronnen een beetje efficiënter gebruiken (en ten gunste van de RTP pakketten).

In plaats daarvan, overweeg om te kijken naar caching van bestanden om de hoeveelheid data die komt en gaat te verminderen. Als dat niet werkt, kan dat betekenen dat de voorgeschreven bandbreedtelimieten zijn bereikt. Als een bedrijf zijn breedbandlimieten bereikt, is het enige haalbare om er meer van te kopen – geen QoS.

Het netwerk ontstoppen

Als malafide applicaties de bandbreedte van een netwerk in beslag nemen, is het implementeren van QoS niet de oplossing. Hoewel Skype-gesprekken misschien eindelijk doorgang zullen vinden, zal QoS het probleem niet bij de wortel aanpakken. Uiteindelijk zullen de malafide toepassingen alle beschikbare bronnen opslokken, waardoor de voordelen van QoS teniet worden gedaan.

Eén oplossing die hier zou kunnen werken, is het opsporen van de toepassingen die veel bronnen gebruiken en deze ofwel uitschakelen, ofwel zo plannen dat ze na werktijd worden uitgevoerd.

Hier komt bij dat het doel van het configureren van QoS op een netwerk is om ervoor te zorgen dat streaming video- en audiogesprekken niet vertragen (of zelfs worden afgebroken) door een overbelast netwerk. Het is geen tool dat daadwerkelijk bandbreedte kan verhogen. Het kan ook niet door een verstopt netwerk tunnelen.

Een goede QoS-implementatie verbetert de kwaliteit en de snelheid van bedrijfskritische gegevens door de toegewezen bandbreedte te optimaliseren en het taggen van de pakketten te vergemakkelijken, zodat ze worden geïdentificeerd en hun toegewezen prioriteiten krijgen. Het maakt gebruik van de beschikbare bandbreedte; het breidt deze niet uit.

QoS in Networking FAQs

Image attributions:

1. Feature image door John Carlisle op Unsplash
2. “Rode en witte autolichtsporen op een stedelijke snelweg ’s nachts in Röddingsmarkt” door CBX. on Unsplash
3. Gemengd netwerkontwerp – Wikimedia, publiek domein
4. “Netflow Traffic Analyzer Summary” – screenshot genomen op 28/05/2018
5. “Cisco’s QoS Baseline Marking Recommendations” – Met dank aan Cisco Systems, Inc. Ongeoorloofd gebruik niet toegestaan (Beeld vastgelegd op 28/05/2018)