Quality of Service (QoS)

Quality of Service (QoS) 

Hauptseminar 

Virtuelle Präsenz 

WS 03/04 

Netzwerkprotokolle 

Quality of Service (QoS) 

2003-11-20 

Steffen Moser 

Übersicht 

• Was ist QoS? 

• Situation heute 

• Gründe für Bedarf nach QoS 

• Ansätze zur Realisierung von QoS 

• Integrated Services (Intserv) 

• Differentiated Services (Diffserv) 

• Beispiel Linux 

• Zusammenfassung

Was ist QoS? 

• Definition nach ITU-T E.800: 

„Collective effect of service performances which 

determine the degree of satisfaction of a user of a service“. 

• Verschiedene Kriterien, die die Güte eines Dienstes in einem Datennetz 

beschreiben, sowie die Möglichkeiten, die ein Netzwerk bietet, einer 

Anwendung bestimmte Qualitäten verbindlich zuzusichern. 

• Ressourcen (Bandbreite, Pufferspeicher, CPU, usw.) sind nicht 

unbeschränkt verfügbar. 

• Details und mögliche Realisierungen später.

Situation heute 

• Das Internet als Beispiel für ein paketvermitteltes Netz: 

• Datenübermittlung in Form von kleinen Datenpakten des Internet 

Protokolls („IP“-Pakete). 

• IP-Pakete bestehen aus IP-Header + Nutzdaten (Payload): 

0 1 2 3 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

|Version| IHL |Type of Service| Total Length | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

| Identification |Flags| Fragment Offset | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

| Time to Live | Protocol | Header Checksum | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

| Source Address | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

| Destination Address | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

| Options | Padding | 

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ 

IP-Header (IPv4)

Situation heute (Forts.) 

• Shared medium 

• Insbesondere keine physikalische Verbindung oder Leitung, die einer 

Sitzung (z.B. Zugriff eines Webclients auf einen Webserver) fest 

zugeordnet bleibt - Gegensatz zu Telefonnetz. 

• Pakete (auch innerhalb einer Sitzung) können verschiedene Wege 

nehmen, Wegewahl erfolgt anhand von Tabellen. 

• Rechner, die Datenpakete weiterleiten, werden Router bzw. speziell 

IP-Router genannt.


• IP-Router im heutigen Internet arbeiten nach dem „Best-Effort“- Prinzip, 

d.h.: Auslieferung von Daten nach bestem Bemühen. 

• Konkret: 

• Router besitzt Warteschlange für weiterzuleitende IP-Pakete, 

Abarbeitung der Warteschlange nach dem FIFO-Prinzip. 

• Ist die Warteschlange voll, und es kommen dennoch weitere IP- 

Pakete an, werden diese verworfen. 

Man spricht von Paketverlusten (packet loss).


• IP-Pakete können also offensichtlich verloren gehen. 

• Insbesondere keine Garantien seitens des Netzes bzgl. Zustellung, 

maximaler Paketlaufzeit, Bandbreite, usw. vorhanden. 

• Eine höhere Protokollschicht muss sich um die erneute Zustellung eines 

verloren gegangenen Pakets kümmern. 

Im Allgemeinen ist dies die Transportschicht (im Falle von TCP), im Falle 

von UDP muss die Anwendung selber den Fehler behandeln.

Gründe für Bedarf nach QoS 

• Verschiedene Anwendungen haben unterschiedliche Anforderungen an 

ein Netz: 

• Anwendungen im Bereich der virtuellen Präsenzen sind stark 

interaktiv, d.h., Paketlaufzeiten (Pufferfüllstand in Routern) sollten 

möglichst klein gehalten werden. 

• Übertragung von multimedialen Daten in Echtzeit (z.B. für virtuelle 

Treffen, Videokonferenzen) benötigt zugesicherte Bandbreite. 

• Unterschiedliche Prioritäten z.B. bei layered video coding. 

• Herunterladen von Software, Mail, News, usw. problemlos mit 

niedrigerer Priorität möglich (insbesondere keine Zusicherungen 

erforderlich).

Ansätze zur Realisierung von QoS 

• Geändertes Drop-Verhalten von Routern in Abhängigkeit des Inhalts der 

Datenpakete und der gemachten Zusicherungen. 

• Dazu Einordnen der Pakete in Datenflüsse, anschließend Behandlung 

mittels verschiedener Algorithmen: 

• Fair Queuing, Class Based Fair Queuing, Token Bucket Filter, ... 

• Zugangsknoten des Netzes überprüft, ob die Ressourcen, die eine 

Anwendung anfordert, verfügbar sind. 

• Falls ja, Reservierung der Ressourcen und Erlauben des Zugangs. 

• Falls nein, wird der Anwendung nur „Best Effort“ zugeteilt (wie heute 

üblich)

Ansätze zur Realisierung von QoS 

• Zwei verschiedene Ansätze bzw. Vorschläge zur konkreten Realisierung 

der vorgestellten Konzepte: 

• Integrated Services (IntServ) 

• RFC 1633 

• Differentiated Services (DiffServ) 

• RFC 2475

Integrated Services 

• Verschiedene Service-Klassen: 

• Guaranteed Service (für Echtzeitanwendungen) 

• Controlled Load (statistische Garantie) 

• Best Effort (wie bekannt) 

• Resource Reservation Protocol (RSVP) dient zur Reservierung von 

Ressourcen: 

• Medien-Server teilt den einzelnen Routern zwischen Server und 

Client mit, wieviel Ressourcen (z.B. Bandbreite) benötigt wird. 

• Anschließend erhält er eine Nachricht, ob die Reservierung 

erfolgreich war.

Integrated Services (Forts.) 

• Bewertung: 

• Modulares Konzept: RSVP ist vollkommen unabhängig von den 

konkret verwendeten Mechanismen in den Routern (Abstraktion). 

• Sehr detaillierte Möglichkeiten: 

• Pro Datenfluss verschiedene Qualitäten möglich. 

• Ressourcenbedarf in den Routern sehr hoch: für jeden Datenfluss 

benötigt der Router einen eigenen Zustand. 

• Skaliert in großen Netzen schlecht.

Integrated Services (Forts.) 

• Was passiert bei Änderung des IP-Routings (dynamisches Routing)? 

• Würde ein einfacheres Konzept für viele Anwendungen nicht bereits 

ausreichen?

Differentiated Services 

• Grundsätze: 

• Unterscheidung zwischen Kern- (core) und Randnetzen (edge). 

• Router in Kernnetzen (hoher Datendurchsatz) sollen möglichst wenig 

Last durch QoS haben, möglichst viel Arbeit soll zu den Randnetzen 

verlagert werden. 

• Router sollen keine Zustände für einzelne Flüsse benötigen, 

stattdessen Abstraktion von Datenflüssen und Definition einiger 

Traffic-Klassen. 

• Umfunktionierung des Type of Service-Feldes (TOS) im IPv4-Header als 

sog. DiffServ CodePoint (DSCP)

Differentiated Services (Forts.) 

• TOS-Feld: 

0 1 2 3 4 5 6 7 

+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+ 

| | | | 

| PRECEDENCE | TOS | MBZ | 

| | | | 

+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+ 

1000 -- minimize delay 

0100 -- maximize throughput 

0010 -- maximize reliability 

0001 -- minimize monetary cost 

0000 -- normal service 

• DSCP-Feld: 

0 1 2 3 4 5 6 7 

+---+---+---+---+---+---+---+---+ 

| DSCP | CU | 

+---+---+---+---+---+---+---+---+ 

DSCP: differentiated services codepoint 

CU: currently unused 

Expedited Forwarding (Premium Service) EF 101110 

Best Effort BE 000000 

Assured Service Class 1 Drop Prec Low AF11 001010 

Assured Service Class 1 Drop Pred Med. AF12 001100 

Assured Service Class 1 Drop Pred High AF13 001110 

Assured Service Class 2 Drop Pred Low AF21 010010 

Assured Service Class 2 Drop Pred Med. AF22 010100 

. 

. 

Assured Service Class 4 Drop Pred High AF43 100110


• Router in Randnetzen klassifizieren IP-Pakete anhand verschiedener 

Kriterien (Source-/Dest.-IP, Source-/Dest.-Port, Medienlayer) und setzen 

den DSCP für jedes Paket. 

• Router in Kernnetzen interpretieren lediglich den DSCP und teilen die 

Pakete in unterschiedliche „Per Hop Behaviour“-Klassen (PHB) ein.


• Angeboten werden: 

• vier Klassen Assured Service mit je drei unterschiedlichen Drop 

Precedences (siehe Beschreibung DSCP-Feld). 

• Anwendung: Layered video coding 

• eine Klasse Premium Service (Expedited Forwarding) für „gut 

zahlende Kunden“. 

• Emuliert eine gemietete Leitung (d.h. leere Puffer in Routern) 

• Garantien 

• Best-Effort


• Bewertung: 

• Wie wird geregelt, wie viele Pakete für Expedited Forwarding markiert 

werden dürfen? 

• Wie viel Last dieser Art verkraftet das Netz? 

• Zugangskontrolle 

• Bandwidth broker 

• Gute Skalierbarkeit 

• Entlastung der Kernnetze von Klassifierzungsaufgaben

Beispiel Linux 

• Linux-Kernel 2.4 kann DiffServ „von Haus aus“ 

• Konfiguration von Filtern, Queuing Disciplines 

und Traffic-Klassen mit Hilfe des Utilities „tc“. 

• Konzept:

Beispiel Linux (Forts.) 

• Beispielkonfiguration: 

• Edge Router (Klassifizierung): 

1. tc qdisc add dev eth0 handle 1:0 root dsmark indices 64 

2. tc class change dev eth0 classid 1:1 dsmark mask 0x3 value 0xb8 

3. tc class change dev eth0 classid 1:2 dsmark mask 0x3 value 0x68 

4. tc class change dev eth0 classid 1:3 dsmark mask 0x3 value 0x48 

5. tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 4 handle 1: u32 divisor 1 

6. tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 5 handle 2: u32 divisor 1 

7. tc filter add dev eth0 parent 1:0 prio 4 u32 

match ip dst 10.0.0.0/24 

police rate 1Mbit burst 2K continue 

flowid 1:1 



flowid 1:2 



match ip src 192.1.0.0/16 

match ip protocol 6 0xff 

match ip dport 0x17 0xffff 

flowid 1:3

Beispiel Linux (Forts.) 

• Beispielkonfiguration: 

• Core Router 

(Umsetzung PHB) 

1. tc qdisc add dev eth0 handle 1:0 root dsmark indices 64 set_tc_index 

2. tc filter add dev eth0 parent 1:0 protocol ip prio 1 tcindex mask 0xfc shift 2 

3. tc qdisc add dev eth0 parent 1:0 handle 2:0 cbq 

bandwidth 10Mbit allot 1514 cell 8 avpkt 1000 mpu 64 

4. tc class add dev eth0 parent 2:0 classid 2:1 cbq 

bandwidth 10Mbit 

rate 1500Kbit avpkt 1000 prio 1 bounded isolated 

allot 1514 weight 1 maxburst 10 defmap 1 

5. tc qdisc add dev eth0 parent 2:1 pfifo limit 5 

6. tc filter add dev eth0 parent 2:0 protocol ip prio 1 

handle 0x2e tcindex classid 2:1 pass_on 

7. tc class add dev eth0 parent 2:0 classid 2:2 cbq 

bandwidth 10Mbit rate 5Mbit avpkt 1000 prio 7 

allot 1514 weight 1 maxburst 21 borrow 

8. tc qdisc add dev eth0 parent 2:2 red limit 60KB min 15KB 

max 45KB burst 20 avpkt 1000 bandwidth 10Mbit 

probability 0.4 

9. tc filter add dev eth0 parent 2:0 protocol ip prio 2 

handle 0 tcindex mask 0 classid 2:2 pass_on

Zusammenfassung 

• IntServ und DiffServ mächtige Konzepte zur Realisierung von 

QoS in IP-Netzen. 

• Insbesondere DiffServ skaliert in großen Netzen gut 

• Bis heute allerdings Einsatz dieser Technologien nur in Versuchs-netzen 

(Test beds). 

• Keine Versuchsanwendung aus dem Bereich der virtuellen 

Präsenzen bekannt, die von QoS eines zu Grunde liegenden 

Netzes direkt Gebrauch macht. 

• Langfristige Entwicklung in Richtung: „You get what you pay for“.

Zusammenfassung (Forts.) 

• Diskussion, Fragen und Anregungen

Quality of Service (QoS)

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