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Definition Was ist DiffServ (Differentiated Services) / QoS (Quality of Service)?

DiffServ (Differentiated Services) ist ein Schema zur Klassifizierung von IP-Paketen. Mithilfe dieser Klassifizierung und Verfahren wie der Priorisierung lassen sich Qualitätsparameter wie Übertragungskapazität, Laufzeitverzögerung, Laufzeitschwankung oder Paketverlust beeinflussen und die QoS (Quality of Service) in IP-Netzen sicherstellen. DiffServ verwendet zur Klassifizierung das Type-of-Service-Feld des IP-Headers.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

DiffServ ist die Kurzbezeichnung für Differentiated Services. Es handelt sich um einen im Jahr 1998 im RFC 2474 definierten Standard, der die Klassifizierung von IP-Datenpaketen nach einem vorgegebenen Schema erlaubt. Diese Klassifizierung lässt sich in IP-Netzen verwenden, um die Dienstgüte für verschiedene Anwendungen sicherzustellen. Der englische Begriff für Dienstgüte lautet Quality of Service, abgekürzt QoS.

DiffServ zählt zu den so genannten klassenbasierten QoS-Konzepten und arbeitet auf der Schicht 3 des ISO/OSI-Schichtenmodells. Mithilfe von DiffServ, Priorisierung und weiteren Maßnahmen wie Traffic Shaping lassen sich QoS-Qualitätsparameter wie Übertragungskapazität, Laufzeitverzögerung, Laufzeitschwankung oder Paketverlust beeinflussen. DiffServ weist den IP-Paketen Verkehrsklassen und damit bestimmte Prioritäten zu, die von den Routern im Netz ausgewertet und beispielsweise gegenüber niedrigeren Prioritäten bevorzugt behandelt werden. Zur Klassifizierung verwendet Differentiated Services das Type-of-Service-Feld (ToS-Feld) im Header der IP-Pakete. Das Klassifizierungsschema erzeugt im ToS-Feld einen Differentiated Services Code Point (DSCP). Die Klassifizierung nehmen entweder die kommunizierenden Endgeräte selbst oder die Router an den Netzwerkgrenzen vor.

Quality of Service in IP-Netzen

Der deutsche Begriff für Quality of Service (QoS) lautet Dienstgüte. Die Dienstgüte beschreibt, wie gut ein Kommunikationsservice die Anforderungen einer bestimmten Anwendung erfüllt. Mithilfe von QoS-Maßnahmen lässt sich die Dienstgüte positiv beeinflussen und damit die Anwendungsqualität sicherstellen. Typische Anforderungen der Anwendungen sind beispielsweise ein zuverlässiger und schneller Verbindungsaufbau, eine hohe Übertragungsqualität, eine gute Verbindungsstabilität und eine schnelle Übertragung der Daten mit kurzen Wartezeiten.

Grundsätzlich kommt der Begriff QoS (Quality of Service) für verschiedene Kommunikationsservices und Übertragungsverfahren zum Einsatz. In IP-Netzen ist die Verwendung des Begriffes Quality of Service ebenfalls üblich. Da die IP-Netze nach dem Best-Effort-Prinzip arbeiten und sich die Bandbreite in den Netzen nicht beliebig überdimensionieren lässt, sind QoS-Maßnahmen unverzichtbar, um die Dienstgüte für bestimmte Anwendungen sicherzustellen.

In TCP/IP-Netzen haben sich zur Beschreibung der Dienstgüte die Qualitätsparameter Übertragungskapazität, Laufzeitverzögerung, Laufzeitschwankung und Paketverlust durchgesetzt. Die Parameter wirken sich direkt auf die im IP-Netz erreichbare Qualität für Anwendungen wie Voice over IP (VoIP) oder das Streamen von Videos aus. Um Störungen einzelner Anwendungen zu verhindern, ist es in der Regel unausweichlich, die Gleichbehandlung aller Pakete bei der Datenübertragung aufzugeben und bestimmte Daten besonders zu behandeln.

Grundsätzlich sind in einem IP-Netz verschiedene Maßnahmen zur Sicherstellung der Quality of Service möglich. Neben der Überdimensionierung der Bandbreite der Netze lassen sich Verbindungen oder Übertragungskapazitäten für einzelne Anwendungen reservieren oder exklusiv nutzen. Die bevorzugte Behandlung bestimmter Datenpakete wird als Priorisierung bezeichnet. Hierfür ist es erforderlich, die zu priorisierenden Datenpakete zu kennzeichnen. Diese Kennzeichnung (Klassifizierung) kann über das Type-of-Service-Feld und DiffServ erfolgen. Die Priorisierung selbst nehmen die Router auf dem Übertragungsweg von der Quelle zum Ziel vor, indem sie die Kennzeichnung der IP-Pakete auswerten und Pakete mit hoher Priorität bevorzugt übertragen.

Es existieren zahlreiche RFCs, die das Übertragungsverhalten der Router für markierte Datenpakete definieren wie RFC 3246 (Expedited Forwarding Per-Hop Behavior) oder RFC 2597 (Assured Forwarding PHB Group). Wichtig für die Sicherstellung der Quality of Service durch Priorisierung ist, dass die Markierung der Datenpakete nicht missbräuchlich erfolgt. Es muss vermieden werden, dass Endgeräte zur bevorzugten Übertragung ihrer Daten die Kennzeichnung der Datenpakete missbrauchen. In IP-Netzen existieren an den Netzwerkgrenzen daher so genannte Trust Boundaries, die in der Lage sind, die Klassifizierung der Datenpakete zu prüfen und sie selbst zu setzen oder zu überschreiben.

Qualitätsparameter zur Erfassung der QoS in IP-Netzen

Wie im vorigen Kapitel angesprochen, werden in IP-Netzen üblicherweise folgende Qualitätsparameter zur Erfassung der Quality of Service verwendet:

  • Übertragungskapazität (Bandbreite)
  • Laufzeitverzögerung (Latenzzeit oder Delay)
  • Laufzeitschwankung (Jitter)
  • Paketverlustrate (Packet Loss)

Im Folgenden eine kurze Beschreibung der einzelnen Qualitätsparameter und ihrer Bedeutung für die Quality of Service:

Die Übertragungskapazität, auch Bandbreite genannt, benennt die Datenmenge, die in einer definierten Zeit übertragen werden kann und wird üblicherweise in Bit pro Sekunde angegeben. Die Überdimensionierung der Bandbreite von IP-Netzen reduziert die Laufzeitverzögerungen und Laufzeitschwankungen. QoS-Maßnahmen zielen daher oft darauf ab, Bandbreiten für bestimmte Anwendungen zu reservieren.

Latenzzeit ist die Zeit, die ein Datenpaket von der Quelle bis zum Ziel benötigt. Anwendungen wie VoIP benötigen niedrige Latenzzeiten in einem Bereich von unter 150 Millisekunden. Stausituationen, überlastete Zwischenknoten oder zu geringe Bandbreiten einzelner Verbindungen können zu Laufzeitverzögerungen und Qualitätseinbußen der Anwendungen führen. Die priorisierte Übertragung bestimmter Pakete reduziert mögliche Probleme durch Laufzeitverzögerungen.

Laufzeitschwankungen, auch als Jitter bezeichnet, sind die Abweichungen von einem Mittelwert der Latenzzeit. Jitter hat ebenfalls negative Auswirkungen auf Echtzeitanwendungen wie die Video- oder Sprachübertragung. Die Reduzierung von Jitter ist beispielsweise durch den Einsatz von Jitter-Buffern möglich.

Paketverluste (Packet Loss) entstehen, wenn Datenpakete auf ihrem Weg von der Quelle zum Ziel verlorengehen. Die Paktverlustrate gibt Auskunft darüber, wie hoch der Anteil der verlorenen Pakete ist. Paket Loss entsteht beispielsweise, wenn Verbindungen oder Router überlastet sind und Pakete verwerfen müssen. Auch Leitungsstörungen verursachen Paketverluste. Auswirkungen der Paketverluste sind Informationsverlust, Sprachaussetzer oder Verbindungsabbrüche. Das Zwischenspeichern von Datenpaketen in Datenpuffern oder die Quittierung und Wiederholung von Paketen können helfen, die Paketverlustrate zu reduzieren. Allerdings erhöht sich dadurch die Latenzzeit.

Wie klassifiziert DiffServ (Differentiated Services) die IP-Datenpakete?

DiffServ (Differentiated Services) bildet die Grundlage für die Priorisierung von Datenpaketen. Indem Datenpakete markiert und einer Dienstklasse zugeordnet werden, lassen sie sich auf dem Weg zu ihrem Ziel in den Zwischenknoten entsprechend ihrer Dienstklasse behandeln. Pakete der Anwendungen, die eine hohe Dienstgüte benötigen, werden priorisiert weitergeleitet.

DiffServ (Differentiated Services) stellt das benötigte Schema zur Klassifizierung der Datenpakete zur Verfügung. Es verwendet das Type-of-Service-Feld (ToS-Feld) im IP-Header. Das ToS-Feld ist ein Byte lang und wurde für IPv4 im RFC 791 definiert. Während in der ursprünglichen Definition die ersten drei Bits des ToS-Felds für die Priorität der Daten und die folgenden Bits für Datenübertragungsanforderungen wie geringe Verzögerungszeit, hohe Verlässlichkeit oder hoher Durchsatz vorgesehen waren, verwendet DiffServ ein flexibleres Schema. Sechs Bits des ToS-Felds legen den Differentiated Services Code Point (DSCP) mit 64 verschiedenen Klassen fest. Die verbleibenden beiden Bits werden im RFC 3168 genutzt, um beispielsweise Stausituationen zu signalisieren (Explicit Congestion Notification). Mit den sechs DiffServ-Bits lassen sich die acht Prioritäten der alten ToS-Definition in den Class-Selektoren CS0 bis CS7 abbilden. Sogenannte Assured-Forwarding-Klassen (AF-Klassen) und die Expedited-Forwarding-Klasse (EF-Klasse) werden für eine gesicherte Übertragung von IP-Paketen verwendet.

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