Unidad 07 — QoS (Quality of Service)

En redes IP tradicionales, todo el tráfico se trata como mejor esfuerzo (best effort), sin garantías de entrega, retardo ni temporización. El tráfico de tiempo real (voz, video, juegos en línea) es sensible a la latencia, el jitter y la pérdida de paquetes; el tráfico de mejor esfuerzo (correo, navegación web) tolera mucho mejor esas variaciones. QoS (Quality of Service) es la capacidad de una red de dar un servicio diferenciado a clases de tráfico seleccionadas, priorizando, garantizando ancho de banda y controlando el orden de entrega mediante un conjunto de mecanismos: clasificación, regulación de tráfico, encolamiento y gestión de congestión.

Conceptos clave

Ancho de banda

Cantidad máxima de datos que pueden transmitirse por una red en un tiempo determinado (Mbps, Gbps).

Latencia

Tiempo que tarda un paquete en ir desde el origen hasta el destino, medido en milisegundos.

Jitter (variación de retardos)

Variación en el tiempo de llegada de paquetes de un mismo flujo. Un jitter alto degrada la calidad de voz/video en tiempo real.

Pérdida de paquetes (Loss)

Paquetes que no llegan a destino, típicamente por congestión, expresada como % del total enviado.

Clasificación: IP Precedence y DSCP

Antes de poder priorizar tráfico, hay que clasificarlo (identificar de qué tipo es: protocolo, IP/puerto, DSCP/ToS previo) y marcarlo (escribir un valor en el campo ToS del encabezado IP que los routers posteriores puedan usar para aplicar colas prioritarias o descartar excedentes).

IP Precedence (RFC 791) usa los 3 bits más significativos del byte ToS: cuanto mayor el valor, mayor la importancia del paquete (en congestión, el router descarta primero los de menor prioridad). Solo permite 8 niveles de prioridad.

En 1998 la RFC 2474 define DiffServ, que reutiliza los 6 bits más significativos del mismo byte como DSCP (Differentiated Services Code Point), manteniendo compatibilidad hacia atrás con Precedence pero permitiendo 64 valores distintos de prioridad en vez de 8.

• EF (Expedited Forwarding, DSCP 46): reenvío sin demoras, típico de voz.
• AF (Assured Forwarding, clases 1 a 4, cada una con 3 niveles de precedencia de descarte — Low/Medium/High): reenvío asegurado, ej. AF41 = DSCP 34 (clase 4, drop low).
• BE (Best Effort, DSCP 0): clase por defecto, sin garantías.

En Cisco, la QoS basada en DSCP se implementa combinando tres elementos: access-list (define las redes/protocolos/puertos a tratar), class-map (vincula ese tráfico con una clase) y policy-map (aplica la acción, por ejemplo marcar DSCP 46 = EF).

Regulación de tráfico: Policing y Shaping

La cantidad de tráfico que genera un dispositivo no siempre coincide con la capacidad que la red puede manejar. Para evitar congestión o comportamientos injustos entre flujos, se regula el tráfico con dos mecanismos complementarios.

Cuidado con la trampa de examen: es común que un enunciado describa el comportamiento de Shaping (retiene en buffer, no descarta, agrega latencia) pero lo etiquete como "Traffic Policing". Policing no usa buffer y no agrega latencia: actúa de inmediato descartando o remarcando.

Committed Access Rate (CAR)

CAR es un mecanismo de policing que limita la tasa de transmisión a un valor preestablecido, basado en el algoritmo Token Bucket (cubo de fichas): las fichas se generan a una tasa constante y se consumen al transmitir; si el cubo está lleno, se pueden enviar ráfagas hasta agotar las fichas acumuladas.

CAR define tres umbrales de envío:

• CIR (Committed Information Rate): tasa media garantizada.
• Bc (Normal Burst): ráfaga normal aceptada por encima del CIR.
• Be (Excess Burst): ráfaga excedente aceptada por encima de CIR+Bc.

Buffer de Dejitter

El jitter es la variación en el tiempo de llegada de paquetes de un mismo flujo (por ejemplo, congestión variable en la red causa distintos retardos de encolamiento). El buffer de dejitter es un área de memoria en el receptor (teléfono IP, softphone, gateway de voz) que compensa el jitter reordenando y retardando levemente los paquetes, para entregarlos al decodificador a un ritmo constante, a costa de una pequeña latencia adicional.

Los buffers de dejitter pueden ser estáticos (fijos) — tamaño predefinido, simples pero si el jitter supera su tamaño se descartan paquetes tardíos — o dinámicos (adaptativos) — ajustan su tamaño (y por tanto el retardo introducido) según las condiciones de jitter medidas. El trade-off es directo: un buffer más grande tolera más jitter pero agrega más latencia; uno más chico agrega menos latencia pero descarta más paquetes tardíos.

Encolamiento (Queuing)

El encolamiento es el proceso por el cual un router o switch almacena temporalmente paquetes en una cola cuando hay más tráfico del que puede transmitir en ese momento, evitando la pérdida inmediata y permitiendo priorizar tráfico sensible.

• FIFO (First In, First Out): sin prioridad, orden de llegada. Simple pero no diferencia tipos de tráfico; en congestión, todos los paquetes tienen igual probabilidad de descarte.
• PQ (Priority Queuing): colas con niveles de prioridad absolutos; siempre se atiende primero la cola de mayor prioridad. Muy bueno para voz/video, pero el tráfico de baja prioridad puede sufrir starvation (inanición) si la cola alta está muy cargada.
• CQ (Custom Queuing): hasta 16 colas, cada una con un % de ancho de banda asignado, atendidas cíclicamente. Reparte BW y evita inanición, pero no es ideal para baja latencia estricta (un paquete de voz puede esperar a que se atiendan otras colas). En desuso, reemplazada por técnicas más dinámicas.
• WFQ (Weighted Fair Queuing): pondera cada tipo de tráfico según su precedencia IP, asignando más ancho de banda proporcionalmente a los flujos de mayor peso, sin dejar ningún flujo totalmente fuera (a diferencia de PQ).
• LLQ (Low Latency Queuing): combinación de PQ (cola de prioridad estricta para tráfico de tiempo real, como voz) + CBWFQ (Class-Based WFQ, para el resto del tráfico, en clases con BW reservado). Es la técnica más usada en la práctica.

Tabla comparativa de técnicas de encolamiento

LLQ en la práctica

A la voz le corresponde una cola prioritaria (PQ), seleccionada por DSCP EF, IP Precedence 5 o una lista de acceso. Esa cola PQ tiene un ancho de banda asociado (ej. 48 Kbps) con prioridad absoluta hasta esa velocidad; el exceso se descarta. El resto del tráfico (señalización, datos) se reparte en clases CBWFQ con % de BW garantizado; lo que excede su reserva pasa a la clase por defecto (FIFO o WFQ si se indica fair).

Gestión de congestión: WRED

WRED (Weighted Random Early Detection) — Detección Temprana Aleatoria Ponderada — es un mecanismo de prevención de congestión (no es una técnica de encolamiento como LLQ o WFQ). En vez de esperar a que la cola se llene y aplicar "tail drop" (descarte de todo lo que no entra, como en FIFO), WRED descarta paquetes de forma selectiva y proactiva antes de que la cola se sature, ayudando especialmente al tráfico TCP a reducir su ventana antes de una congestión severa.

WRED monitorea la longitud promedio de la cola contra dos umbrales configurables: por debajo del umbral mínimo no se descarta nada; por encima del umbral máximo se descartan todos los paquetes entrantes (similar a tail drop); entre ambos umbrales, la probabilidad de descarte aumenta gradualmente a medida que la cola se acerca al máximo. La parte "ponderada" (Weighted) significa que ese comportamiento se aplica distinto según la prioridad/DSCP del paquete: el tráfico de menor prioridad tiene mayor probabilidad de ser descartado en ese rango intermedio.

Otros mecanismos: fragmentación, intercalado y VAD

La fragmentación divide un paquete grande de datos en fragmentos pequeños que se reensamblan en destino. El intercalado (interleaving), combinado con una política de colas adecuada (PQ o LLQ), permite intercalar paquetes de voz entre los fragmentos de datos, acotando el tiempo que debe esperar un paquete de voz antes de empezar a transmitirse (evitando que quede "atrapado" detrás de un paquete de datos grande).

VAD (Voice Activity Detection): dado que una conversación típica tiene silencio aproximadamente el 35% del tiempo, VAD detecta esos silencios y no los transmite, reduciendo el ancho de banda usado por la voz.

VoIP y SIP

En VoIP, la voz viaja como datos: Voz analógica → Digitalización (códec) → Empaquetamiento (RTP) → Transporte IP. Toda llamada VoIP tiene dos componentes esenciales: señalización (establecer, gestionar y finalizar la llamada — típicamente SIP) y media (el flujo real de audio/video, típicamente RTP).

H.323 (ITU-T) fue el estándar original: un protocolo "paraguas" monolítico, con estructuras binarias (ASN.1), pensado para redes corporativas cerradas. SIP (Session Initiation Protocol, IETF) es el estándar moderno: más ligero, basado en texto plano (similar a HTTP), modular y adaptado a aplicaciones web/Internet.

• User Agent (UA): el endpoint. UAC (User Agent Client) inicia solicitudes (quien llama); UAS (User Agent Server) responde (quien recibe la llamada).
• Proxy Server: intermediario que enruta solicitudes SIP hacia el destino, puede aplicar políticas y autenticación.
• Registrar Server: recibe los mensajes REGISTER y mantiene la base de datos de ubicación actual (IP, puerto) de cada usuario.

Flujo típico: REGISTER (el UAC informa su ubicación) → INVITE (UAC solicita la llamada, incluye descripción de media/SDP) → 180 Ringing (el UAS indica que está sonando) → 200 OK (el UAS acepta, incluye su propia descripción de media) → ACK (el UAC confirma) → comienza el flujo de RTP (llamada establecida, generalmente directo entre los UA) → BYE (termina la llamada, de cualquiera de las partes).

Aplicando QoS a VoIP

QoS trata de forma diferenciada la señalización y la media de una llamada VoIP:

• Tráfico SIP (señalización): volumen bajo pero crítico (si se pierde, la llamada no se puede establecer/gestionar). Se marca con DSCP CS3 o AF31, y se encola típicamente en una clase CBWFQ con ancho de banda garantizado.
• Tráfico RTP (voz/media): muy sensible a latencia, jitter y pérdida — de eso depende la calidad percibida de la conversación. Se marca con DSCP EF (máxima prioridad) y se encola en LLQ (cola de prioridad estricta).

Cheat sheet — QoS

• Parámetros de calidad: Ancho de banda, Latencia, Jitter, Pérdida de paquetes
• IP Precedence (RFC 791): 3 bits, 8 niveles · 111 Network control … 000 Routine
• DSCP (RFC 2474/2475): 6 bits del byte ToS, 64 valores · EF=46 (voz) · AFxy (x=clase 1-4, y=drop Low/Med/High) · BE=0 (defecto)
• Policing: controla tasa de entrada/salida, descarta o remarca, sin buffer, no añade latencia
• Shaping: controla tasa de salida, retiene en buffer, puede añadir latencia, solo en egreso
• CAR (policing con Token Bucket): CIR (tasa comprometida) · Bc (ráfaga normal) · Be (ráfaga excedente) · zonas: 0-CIR garantizado, CIR-CIR+Bc normal burst, CIR+Bc-CIR+Bc+Be excess burst, >CIR+Bc+Be descarte
• Buffer de dejitter: uniformiza la salida de paquetes compensando el jitter; estático (fijo) vs dinámico (adaptativo); trade-off buffer grande = más latencia, buffer chico = más descarte
• Colas: FIFO (sin prioridad) · PQ (prioridad absoluta, riesgo starvation) · CQ (hasta 16 colas, % cíclico, en desuso) · WFQ (ponderada por precedencia) · LLQ = PQ (voz) + CBWFQ (resto), la más usada en la práctica
• WRED: prevención de congestión (no es encolamiento), descarte aleatorio creciente entre umbral mínimo y máximo, ponderado por DSCP/precedencia
• Fragmentación + Intercalado: acota el tiempo de espera de la voz entre fragmentos de datos grandes
• VAD: ahorra ~35% del BW de voz detectando silencios
• SIP: UAC/UAS (endpoints) · Proxy (enruta) · Registrar (ubicación) · flujo REGISTER → INVITE → 180 Ringing → 200 OK → ACK → RTP → BYE
• QoS para VoIP: señalización SIP → DSCP CS3/AF31 + CBWFQ · media RTP → DSCP EF + LLQ