QoS, DSCP und 802.1p

Was macht QoS in einem Netzwerk wirklich — und warum helfen die Prioritätsangaben DSCP und 802.1p nur, wenn jedes einzelne Gerät auf dem Weg sie beachtet?

QoS — Quality of Service, Dienstgüte — ist kein Verfahren, sondern ein Ziel: Wenn eine Leitung voll ist, soll der eine Verkehr vor dem anderen drankommen. Wie das erreicht wird, sagt der Begriff nicht.

Das im IP-Netz übliche Verfahren heißt DiffServ. Der Sender schreibt eine Kennung in den Kopf jedes Pakets, den DSCP, und jedes Gerät auf dem Weg entscheidet für sich, wie es Pakete mit dieser Kennung behandelt. Auf der Ethernet-Ebene tut das VLAN-Tag dasselbe mit drei Bit; dieses Feld heißt in der Norm Priority Code Point und ist unter dem älteren Namen 802.1p geläufig.

Beide markieren nur. Wirken tut die Markierung erst dort, wo ein Gerät sie ausliest und mehr als eine Warteschlange hat.

Auf einer vollen Straße kommt jeder gleich langsam voran — es sei denn, es gibt eine Spur für Busse. QoS ist der Versuch, so eine Spur im Netzwerk einzurichten: Musik und Bild dürfen vor, die Datensicherung wartet. Der Haken ist, dass jeder Verteilerkasten auf dem Weg die Spur selbst kennen und einrichten muss. Einer, der es nicht tut, hebt die Wirkung aller anderen auf. Und noch etwas: Solange die Straße nicht voll ist, bringt die Busspur gar nichts. Ein Netz, in dem Musik stockt, obwohl kaum Verkehr läuft, hat kein QoS-Problem — dort ist etwas anderes kaputt.

Was der Sender markiert

Im IP-Kopf sitzt ein Byte, das früher „Type of Service" hieß und praktisch ungenutzt blieb. 1998 wurde es neu belegt: Sechs seiner Bit bilden seither den DSCP, den Differentiated Services Code Point. Das ergibt 64 mögliche Werte.

Der entscheidende Satz aus der Definition ist die Beschreibung dessen, was ein Wert überhaupt auswählt: ein Per-Hop Behavior — das von außen beobachtbare Weiterleitungsverhalten an einem Knoten. Nicht ein Verhalten des Netzes, nicht eine Zusage über den Weg, sondern das Verhalten eines einzelnen Geräts. Alles Weitere in diesem Eintrag folgt daraus.

Drei Werte begegnen einem in der Audio- und Videoverteilung immer wieder:

Kennung	Wert	Gedacht für
EF (Expedited Forwarding)	46	Verkehr, der wenig Verlust, wenig Verzögerung und wenig Schwankung verträgt
CS6	48	Steuerungs- und Routingverkehr des Netzes selbst
CS7	56	in den Empfehlungen für künftige Verwendung reserviert

Die CS-Werte gehören zu einer eigenen Gruppe, den Class Selector Codepoints — den acht Werten, deren letzte drei Bit null sind. Sie existieren aus einem historischen Grund: Sie bilden die alte IP-Precedence ab, damit ältere Geräte die Markierung nicht völlig falsch verstehen. Ihre Zahlenwerte folgen unmittelbar aus dem Bitmuster — CS6 ist 110000 und damit 48, CS7 ist 111000 und damit 56. Nur der Wert 46 für EF ist eine eigene Festlegung und steht so in der zugehörigen Definition.

Crestron ordnet für seine Audioverteilung DM NAX genau diese drei Werte zu: CS7 für zeitkritische Zeitsynchronisation, CS6 für die übrige Zeitsynchronisation, EF für das Audio selbst. Das ist eine praktische Zuordnung und weicht bewusst von der Empfehlung ab, CS7 am Netzeingang gar nicht durchzulassen — in einem geschlossenen AV-Netz ohne Übergang in fremde Netze ist das unproblematisch, in einem Netz mit Internetanbindung sollte man wissen, dass man es tut.

Was der Switch daraus macht — oder nicht

Hier entscheidet sich, ob QoS wirkt, und die Norm für Ethernet-Bridges sagt es so nüchtern, dass man es leicht überliest: Der Switch führt je Port eine oder mehrere Warteschlangen, jede für eine Verkehrsklasse, und höchstens acht Klassen sind möglich. Die Zuordnung von Priorität zu Warteschlange ist einstellbar.

Daraus folgen drei Sätze, die in der Beratung mehr wert sind als jede Codepunkt-Tabelle:

Ein Switch mit einer Warteschlange je Port kann nicht priorisieren. Er kann die Markierung lesen und sie brav weiterreichen — mehr nicht. Es gibt nur eine Reihe, und wer darin steht, steht darin. Genau deshalb verlangt Audinate für Dante Switches mit vier Warteschlangen und strikter Priorität: Die Zahl der Warteschlangen ist die Eigenschaft, nicht das Häkchen „QoS" im Datenblatt.

Jeder Knoten entscheidet allein. Das Per-Hop-Prinzip bedeutet, dass kein Gerät sich darauf verlässt, was ein anderes tut. Ein einziger Switch, der die Markierung ignoriert oder — schlimmer — überschreibt, macht die Kette auf seinem Abschnitt wirkungslos. Bei einer Kette aus Router, zwei Switches und einem Access Point sind das vier Stellen, an denen dieselbe Zuordnung stehen muss.

Priorität hilft nur bei Stau. Solange kein Port ausgelastet ist, existiert keine Warteschlange, in der etwas vorgezogen werden könnte. Audinate formuliert das für Dante ausdrücklich: Auf einem Gigabit-Netz, auf dem ausschließlich Dante läuft, ist QoS nicht erforderlich; auf gemischten Netzen und auf 100-Mbit/s-Netzen schon.

Zwei Ebenen, zwei Felder

DSCP und die drei Prioritätsbits im VLAN-Tag lösen dieselbe Aufgabe auf zwei Schichten, und sie sind unabhängig voneinander.

Der DSCP steht im IP-Kopf. Er überlebt das Routing zwischen Subnetzen, denn der IP-Kopf bleibt erhalten. Die drei Prioritätsbits stehen im VLAN-Tag, und dieses Tag ist ein Ethernet-Konstrukt: Es wird an einem ungetaggten Port entfernt und beim nächsten Eintritt neu gesetzt. Ein Gerät ohne VLAN-Anschluss sieht die Priorität also nie.

In der Praxis werden beide Felder gesetzt und aufeinander abgebildet. Wo das automatisch geschieht, ist es eine Einstellung des Switches, und wo sie fehlt, fällt die Priorität an der Grenze zwischen den Ebenen still auf den Vorgabewert zurück — dieselbe Fehlerklasse wie ein Switch ohne Warteschlangen, nur schwerer zu finden.

Der Name 802.1p verdient noch eine Bemerkung, weil er verwirrt: Es gibt heute keine eigene Norm dieses Namens. Die Priorität ist Teil des VLAN-Tags nach 802.1Q. Der Name hat sich aus der Entstehungszeit gehalten und steht bis heute in Datenblättern.

Häufiges Missverständnis

„Wir haben QoS eingeschaltet, damit ist der Ton sicher." Der Satz setzt drei Dinge voraus, die einzeln geprüft gehören: dass der Sender markiert, dass jedes Gerät auf dem Weg die Markierung auswertet, und dass es überhaupt genug Warteschlangen dafür hat. Fällt eine dieser drei Bedingungen aus, ist die Einstellung wirkungslos — ohne Fehlermeldung. Ein Häkchen im Menü ist kein Nachweis.

„QoS macht das Netz schneller." Es macht nichts schneller. Es ändert nur, wer bei Stau wartet. Wenn ein Gigabit-Port dauerhaft zu voll ist, löst Priorisierung das Problem nicht, sondern verschiebt es auf den Verkehr, den man selbst niedriger eingestuft hat. Die Lösung heißt dann mehr Kapazität oder weniger Ströme, und in AV-Netzen häufig: ein eigenes Segment.

„QoS und AVB sind dasselbe in Grün." Nein, und der Unterschied ist grundsätzlich. QoS priorisiert im Nachhinein: Bei Stau kommt der markierte Verkehr zuerst dran, ohne Zusage. AVB und das darauf aufsetzende Milan reservieren vorher Bandbreite; dafür muss jeder Switch auf dem Weg AVB beherrschen. Das eine ist eine Bevorzugung, das andere eine Zusage — und es sind zwei Baustellen, nicht eine. Beides ordnet die Seite Audio over IP ein.

Nicht zu verwechseln mit

Bandbreite: Kapazität. QoS ändert die Reihenfolge, nicht die Menge.
VLAN: Trennung. Ein eigenes Segment nimmt den Wettbewerb um die Leitung weg, statt ihn zu regeln — häufig die robustere Antwort, siehe VLAN und Subnetz.
AVB und Milan: Reservierung mit Zusage, auf Ethernet-Ebene, mit Anforderungen an jeden Switch.
Bandbreitenbegrenzung im Router: deckelt einzelne Geräte oder Dienste. Wirkt auch ohne Stau und ist damit ein anderes Werkzeug.

Aus der Praxis

Eine Anlage mit Netzwerk-Audio in sechs Zonen läuft seit Monaten unauffällig. Nach dem Einzug der Familie setzen einzelne Zonen abends kurz aus — immer dann, wenn eine Datensicherung auf den Hausserver läuft.

Die erste Entscheidung ist keine Einstellung, sondern eine Weiche: Soll dieser Verkehr sich das Netz überhaupt teilen? Lautet die Antwort ja, ist Priorisierung das Mittel — und sie muss lückenlos sein. Lautet sie nein, ist die Trennung die ruhigere Lösung, weil dafür nur ein Gerät richtig eingestellt sein muss statt vier.

Wer sich für die Priorisierung entscheidet, handelt sich eine Kettenprüfung ein, und das ist die unangenehme Seite der Sache. Jedes Gerät zwischen Sender und Empfänger wird einzeln daraufhin angesehen, ob es die Markierung liest, ob es sie behält und wie viele Warteschlangen es führt. Der Access Point gehört dazu, der oft vergessene Switch hinter dem Fernseher auch. Danach wird die Zuordnung gesetzt — und nach jedem Firmware-Stand erneut geprüft, weil Vorgaben beim Aktualisieren zurückfallen können.

Für den Einkauf heißt das: Die Frage lautet nicht „kann der Switch QoS", sondern „wie viele Warteschlangen führt er je Port, und lässt er die Zuordnung von Hand setzen".

Verknüpfte Inhalte

Wo die drei Prioritätsbits herkommen und wie sich ein Netz stattdessen trennen lässt, steht bei VLAN und Subnetz; warum ein AV-Netz überhaupt eng werden kann, bei Multicast und IGMP. Die Zeitsynchronisation, deren Pakete hier die höchste Kennung bekommen, behandelt Word Clock und PTP; warum Schwankungen der Laufzeit hörbar werden, Jitter. Die Anforderungen der Plattformen samt der konkreten Zuordnungen stehen auf Audio over IP und AV over IP.

Quellen

Das DS-Feld, die sechs Bit des DSCP, die 64 Codepunkte, die Definition des Per-Hop Behavior und die Class Selector Codepoints stammen aus RFC 2474; der Codepunkt 46 für EF und dessen Zweck aus RFC 3246; die Empfehlungen zu CS6 und CS7 aus RFC 4594. Alle drei wurden für diese Seite eingesehen. Dass ein Switch je Port eine oder mehrere Warteschlangen führt, dass höchstens acht Verkehrsklassen möglich sind und dass der Priority Code Point drei Bit breit ist, steht in IEEE Std 802.1Q-2014, ebenfalls am Objekt gelesen. Die konkrete Zuordnung CS7, CS6 und EF ist Crestrons Dokumentation zum Audio-over-IP-Netzwerkdesign entnommen; die Anforderung von vier Warteschlangen und der Hinweis, dass QoS im reinen Gigabit-Dante-Netz entbehrlich ist, stammen von Audinate und sind auf der Seite Audio over IP belegt.