Quality of Service (QoS) oder Dienstgüte bezeichnet die Güte eines Kommunikationsdienstes aus der Sicht der Anwender. Das heißt, wie stark die Güte des Dienstes mit deren Anforderungen übereinstimmt. Formal ist QoS eine Menge von Qualitätsanforderungen an das gemeinsame Verhalten beziehungsweise Zusammenspiel von mehreren Objekten.
Aus Sicht der Anwender lassen sich verschiedene Anforderungen formulieren, die an einen Kommunikationsdienst gestellt werden:
Um solche allgemeinen Anforderungen messen zu können, werden Qualitätsparameter definiert, die diese Anforderungen beschreiben sollen.
Durch Messung dieser netznahen Parameter und deren Zuordnung zu Anwender-Anforderungen versucht man die Qualität des Services zahlenmäßig zu erfassen.
Da die Bereitstellung eines Dienstes bei hohen Qualitätsanforderungen entsprechend aufwendig ist, gehen Netzbetreiber dazu über, hohe Qualitätsstandards mit höheren Preisen zu belegen. Hier wird für einen bestimmten Qualitätsstandard die Einhaltung bestimmter Qualitätsparameter zugesagt. Der Kunde kann eine bestimmte Quality of Service anfordern (vgl. Service-Level-Agreement).
Die Einhaltung hoher Qualitätsstandards setzt das ordnungsgemäße Funktionieren aller zusammenwirkenden Komponenten eines Telekommunikationsnetzes voraus. Der Betrieb der Technik muss dazu laufend überwacht werden, Fehlerparameter müssen erfasst und aufgezeichnet werden und so die Basis für eventuell nötige Wartungsmaßnahmen bilden.
Wesentliche Kategorien der QoS in Telekommunikationsnetzen sind die Verkehrsgüte, die sich mit der Vermittlungstechnik befasst, und die Übertragungsgüte, die sich mit der Übertragungstechnik befasst.
Im UMTS-Mobilfunk sind beispielsweise vier QoS-Klassen definiert worden:
Mit Verkehrsgüte (englisch: grade of service) bezeichnet man den von der jeweiligen Bemessung der Betriebsmittel abhängigen und quantifizierbaren Teil der QoS. Die Verkehrsgüte eines Nachrichtennetzes hängt ab von der Bemessung der Anzahl von Leitungen und Steuereinrichtungen. Im Telefonnetz sind die Vermittlungsstellen die Steuereinrichtungen, im Internet sind es die Router. Quantitative Beschreibungen der Verkehrsgüte benutzen Parameter der Verkehrstheorie wie Wartewahrscheinlichkeit, mittlere Wartedauer oder Verlustwahrscheinlichkeit. In der Vermittlungstechnik gehen zum Beispiel unter anderem folgende Einflussgrößen in die QoS ein:
In diesem Beispiel bilden dann die gemessenen und gewichteten Zählungen solcher Ereignisse einen Bestandteil der Verkehrsgüte einer bestimmten Vermittlungsstelle.
Weitere Einflussgrößen der Verkehrsgüte sind:
Die Dienstgüte von Diensten, die über IP-Netze – Netze, die das Internet Protocol benutzen – übertragen werden, wird durch zusätzliche IP-spezifische Parameter beeinflusst. Wird IP in einem Telekommunikationsnetz als Übertragungsprotokoll benutzt, so bildet es nach dem OSI-Modell eine höhere Schicht in diesem Netz. Daher sind in diesem Fall für die Beurteilung der gesamten Dienstgüte eines auf IP-Technologie basierenden Dienstes sowohl die Übertragungsgüte der unteren Schichten, als auch die übertragungstechnischen Parameter der IP-Ebene relevant. Die vom Nutzer wahrgenommene Dienstgüte resultiert aus dem Zusammenspiel aller Qualitätsbeeinträchtigungen. Handelt es sich beispielsweise um einen Internetzugang, der über ein öffentliches Telekommunikationsnetz über eine Einwahl erfolgt, so bildet sich die gesamte Dienstgüte aus Übertragungs-, Verkehrs- und Vermittlungsgüte des Übertragungskanals über das öffentliche Telekommunikationsnetzes und der Qualität der höheren IP-Schichten.
Wird IP nicht über ein öffentliches Telekommunikationsnetzwerk übertragen, sondern beispielsweise in einem LAN basierend auf Ethernet, so sind nur die Qualitätsbeeinträchtigungen dieses LANs und die der IP-Übertragung zu berücksichtigen.
Ein besonderer Faktor bei der Dienstgüte von Diensten, die mit Hilfe des Internet Protocols realisiert werden, besteht darin, dass sie im Gegensatz zu Diensten in traditionellen Telekommunikationsnetzen vom Endgerät maßgeblich beeinflusst wird. In herkömmlichen (leitungsvermittelnden) Telekommunikationsnetzen wurde die Übertragungs-, Vermittlungs- und Verkehrsgüte dagegen meist auf die Qualität des Netzes bezogen; die Einflüsse der Endgeräte konnten vernachlässigt werden.
In IP-Netzen wird der Einfluss auf die QoS üblicherweise mit Hilfe der folgenden Parameter erfasst:
Unterschiedliche Dienste haben unterschiedliche Anforderungen an diese Parameter. Die Latenzzeit macht sich vor allem bei Anwendungen, die kurze Reaktionszeiten erfordern (beispielsweise Telnet), bemerkbar. Zum Beispiel erscheint bei großer Latenz eine Eingabe erst mit einer gewissen Zeitverzögerung auf dem Bildschirm. Für reine Dateitransfers ist üblicherweise der Gesamtdurchsatz der entscheidende Parameter, die individuelle Latenz und Verlustrate hingegen sind hier weniger von Bedeutung. Für Echtzeitkommunikation wie zum Beispiel IP-Telefonie hingegen spielen die Latenz, der Jitter und die Verlustrate eine weitaus größere Rolle, weil sie maßgeblich die Sprachverständlichkeit beeinflussen. IPTV hat als Echtzeitanwendung sogar ganz erhebliche Anforderungen an die gesamte Dienstgüte, da bereits kleine Qualitätsmängel in der Übertragung sich sichtbar in der Bilddarstellung am Fernseher auswirken. Der Durchsatz ist wichtig, da Videos oft eine hohe Datenrate erfordern und bei Nichterbringung dieser Rate das Video einfach gestoppt wird.
Innerhalb eines Übertragungskanals kann es so erforderlich sein, die QoS für bestimmte Datenströme zu Lasten anderer Datenströme zu erhöhen. Dies kann beispielsweise durch die Priorisierung von IP-Datenpaketen anhand bestimmter Merkmale und Eigenschaften geschehen (siehe dazu auch IEEE 802.1p). Mit diesen Mechanismen ist es möglich, bestimmte Dienste wie IP-Telefonie, welches einen verzögerungskonstanten und kontinuierlichen Datenstrom benötigt, stärker zu bevorzugen als das Herunterladen von einem Dateiserver (FTP) oder den Aufruf von Webseiten.
Man stellt durch bestimmte Reservierungsprotokolle im Netz sicher, dass für die gesamte Dauer einer Datenkommunikation die Isochronität von Datenströmen gewährleistet werden kann.
IPv4- und IPv6-Pakete haben standardmäßig ein Flag (DSCP Differentiated Service CodePoint (RFC 2474); früher Precedence (RFC 791)) im IP-Header, das kennzeichnet, welcher Art die Daten in diesem Paket sind (Traffic Class). Anhand dieses Flags werden die Datenpakete priorisiert (d. h. bevorzugt) behandelt. Die aktuellen Überlegungen dazu beschreibt (RFC 3260). Es gibt eine Reihe weiterer Verfahren zum Management von Dienstgüte.
Auf der theoretischen Ebene kann QoS durch Priorisierung oder Parametrisierung des Datenverkehrs, Datenratenreservierung, Datenratenlimitierung und Paketoptimierung realisiert werden. Technisch gesehen existieren dafür zwei Mechanismen:
Da IntServ, in der Praxis meist mittels Resource Reservation Protocol (RSVP), einen hohen Verwaltungsoverhead zur Folge hat und schon ein Gerät, das IntServ nicht unterstützt den ganzen Mechanismus scheitern lässt, hat sich die Alternative DiffServ mittlerweile durchgesetzt. DiffServ ist zudem besser skalierbar. Oft ist auch der Begriff Type of Service (ToS) anzutreffen. Für ToS wurde 1 Byte im IP-Header reserviert, wovon nur 6 Bit von ToS genutzt wurden. Es konnte jedoch kein verbindlicher Standard etabliert werden, den alle Hersteller von Netzequipment einhalten. Inzwischen wurden die sechs most significant Bits des früheren ToS-Feldes im IPv4-Header sowie auch des 'Type of Service' Oktetts im IPv6 Header von der Internet Engineering Task Force (IETF) neu definiert. Sie heißen jetzt einheitlich Differentiated Services Field und können zu einem Zahlenwert Differentiated Services Code Point (DSCP) ausgewertet werden.
Da sich die praktische Umsetzung umfangreicher QoS-Maßnahmen im Internet dennoch seit Jahren kaum weiterentwickelt, gibt es kritische Stimmen, ob QoS-Mechanismen im Internet überhaupt nötig oder tauglich sind.
Ein Grund für die Stagnation ist die Tatsache, dass sich bei DiffServ bisher weder explizite Zahlenwerte für QoS Parameter wie Jitter und Paketverlustrate noch überhaupt eine einheitliche Verwendung der Codepoints und eine einheitliche Festlegung für die per-hop-behaviour durchsetzen konnte. Das EU-Projekt MUSE des 6. Rahmenprogrammes der EU hat diesen Missstand behoben durch Definition von vier QoS-Klassen, denen diese Werte fest vorgegeben sind. In einem weiteren europäischen Forschungsprojekt PLANETS wurde daraus ein praktischer Implementierungsvorschlag abgeleitet, in dem sogar die Längen der Warteschlangen vorgegeben sind.
Bei einem Verbindungsaufbau in ATM-Netzen handelt das Endsystem mit dem Dienstanbieter eine seinen Anforderungen genügende Dienstklasse (Traffic Class) aus, die dann für die Verbindung garantiert ist:
Bei der Dienstklasse Constant Bit Rate (CBR) erfolgt die Übermittlung mit konstanter Datenübertragungsrate, die während der gesamten Verbindungsdauer durchgängig zur Verfügung steht. Eine andere Bezeichnung für diese Dienstklasse ist Deterministic Bit Rate (DBR), die in ITU-T-Empfehlungen verwendet wird. Typische Anwendungen sind Dienste, die Echtzeitanforderungen haben und deshalb eine konstante Übermittlungsgeschwindigkeit erfordern. Ein Beispiel hierfür ist die Sprachübertragung, die hohe Anforderungen bzgl. der Verzögerung und der Schwankungen der Übertragungsdauer stellt.
Bei der Dienstklasse Variable Bit Rate (VBR) kann sich die Datenübertragungsgeschwindigkeit während der Übermittlung ändern. Beim Verbindungsaufbau werden die mindestens erforderliche und die Spitzenzellrate (Peak Cell Rate, PCR) angegeben, wofür dann vom Netz gewisse Garantien gegeben werden. Eine andere Bezeichnung für diese Dienstklasse ist Statistical Bit Rate (SBR), die in ITU-T-Empfehlungen verwendet wird. VBR ist für Quellen mit burstartigem Datenaufkommen geeignet.
Man unterscheidet bei VBR zusätzlich in:
Bei der Dienstklasse Available Bit Rate (ABR) soll die Übermittlung mit der gerade verfügbaren Datenübertragungsgeschwindigkeit erfolgen. Es wird dafür nur eine minimale und eine maximale Zellrate festgelegt. Die begrenzenden Übertragungseigenschaften können sich nach dem Verbindungsaufbau netzseitig ändern. Beispielsweise kann die verfügbare Bitrate der Rest eines ATM-Anschlusses sein, der von Verbindungen mit höherer Priorität übrig bleibt.
Unspecified Bit Rate (UBR; engl. für „unspezifizierte Bitrate“) erfolgt die Zuteilung der Datenübertragungsrate wie bei ABR mit der gerade zur Verfügung stehenden Bitrate. Jedoch werden bei UBR vorher keine QoS-Parameter festgelegt und das Netz liefert keine Garantien. Im ATM-Netz werden alle Verbindungen, die bessere Dienstgüteklassen haben, vorgezogen. Alle anderen Dienstgüteklassen sind besser, UBR ist die geringwertigste und funktioniert nach dem Best-Effort-Prinzip. Typische Anwendungen sind solche, die keine strengen Vorgaben hinsichtlich Verzögerung und Verzögerungsschwankungen erfordern, wie etwa Dateiübertragung und E-Mail. In der Regel wird von der verfügbaren Datenübertragungsrate im ATM-Netz ein bestimmter Teil für diesen UBR-Verkehr reserviert und alle UBR-Verbindungen müssen ihn sich teilen. Ist der gesamte UBR-Verkehr klein gegenüber der reservierten Datenübertragungsrate, so ist der Durchsatz sehr gut. Überschreitet aber der UBR-Verkehr die reservierte Datenübertragungsrate, so kommt es zu Verzögerungen wie beim IP-Verkehr im Internet. Bei Spitzenlasten kann es dann auch zum Datenverlust kommen, der erforderlichenfalls durch höhere Schichten ausgeglichen werden muss.
Zur Überwachung der Übermittlungsqualität werden durch das ATM-Netzmanagement mit speziellen OAM-Zellen folgende QoS-Parameter ausgewertet:
Die bekanntesten Queuing-Mechanismen sind:
Zu Details über einzelne Queueing-Algorithmen siehe Network congestion avoidance.
