LTE, 4G y tratamiento de QoS

Muchas veces se habla sobre si tenemos o no cobertura 3G o 2G y sobre si el Iphone4 es 4G o no (la respuesta es que NO). Estos términos hacen referencia a la generación de la red móvil sobre la que nos estamos conectando. Como ya se ha dicho en este blog, el acceso móvil es uno de los mas críticos debido a que existen unas limitaciones físicas que son difíciles de combatir, además de tratarse de un medio compartido por varios usuarios. Por ello exige un trabajo de diseño e ingeniería muy complejo ofrecer mejoras en la velocidad de transferencia. En gran medida el debate de la Net Neutrality esta latente debido a la revolución que ha supuesto el creciente éxito de los dispositivos móviles y del consumo de datos que generan y generarán.

Estos factores han llevado al diseño de la red 4G que utiliza la tecnología LTE (Long Term Evolution) desarrollada por la 3GPP y que es interesante desde el punto de vista de "La Gestión de Tráfico" ya que este nuevo paradigma de red incluye mecanismos de gestión de QoS (Quality of Service) de modo intrínseco, además de por mejorar la capacidad en el acceso mediante el uso de OFDMA (Orthogonal Frecuency Divison Multiple Acces) en el uplink y técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output).

En las versiones anteriores de 3G (UMTS) y 2G (GPRS) ya se incluían algunas formas de gestión, aunque no de forma tan desarrollada y con una visión extremo a extremo (los datos atraviesan varias redes diferentes para alcanzar su destino) cómo lo hace LTE. En primer lugar hay que saber que en LTE todos los datos que atravesaran la red del operador serán IP, lo cual quiere decir que el servicio de voz tradicional ahora se hará sobre VoIP. Esto tiene de positivo que se converge hacia el modelo IP de Internet haciendo todo mas compatible y reduciendo costes. Todo este proceso forma parte de lo que se conoce como FMC (Fixed Mobile Convergence), que tiende a aproximar las diferentes arquitecturas de red hacia el modelo IMS (IP Multimedia Subsystem) derivado también de la 3GPP.

La voz tradicional se ha venido ofreciendo mediante conexión de circuitos y garantizando una cierta QoS. Esto quiere decir que cuando efectuamos una llamada primero de todo se reserva un enlace entre el emisor y el receptor que solo será empleado para la llamada, y si no hay enlaces disponibles no será posible llamar. Esta forma de proceder tiene de positivo que la QoS es garantizada, no obstante resulta muy poco óptima ya que dicho enlace no aprovecha su capacidad total. Con VoIP lo que se hace con nuestra llamada es enviarla en paquetes a través de una red IP (ver "Cómo funciona Internet?"), y así todos los paquetes viajan por el mismo canal, de forma que se aprovecha mejor el medio. Por contra, en este caso hay que garantizar algunos parámetros de calidad (sobre un tipo de red que no esta diseñada para ello) ya que la voz es sensible a algunos factores como la latencia (ver "Ancho de banda, latencia y jitter").

En cuanto a la Gestión de Tráfico, LTE incorpora un mecanismo conocido como PCC (Policy and Charging Control) que se ha posicionado como referente en las diferentes especificaciones en desarrollo (redes de cable y fijas) conocidas como NGN (New Generation Networks). Esta arquitectura se encarga de proporcionar de forma dinámica hasta 9 QCI (QoS Class Indentifier) con diferentes parámetros de ancho de banda, latencia, jitter y tasa de error PER (Packet Error Rate). Además de para la voz, esta asignación de QCIs aplica también para otros servicios (VoD, IPTV, streaming, P2P). El control y administración de la asignación se hace desde el núcleo de la red y se separa el plano de datos del plano de control (viajando en diferentes caminos). Para ello emplea dos elementos fundamentales:

• PCRF (Policy and Charging Rules Function): Se trata de un elemento que se encarga de proporcionar las reglas especificas del operador. Su función se sitúa en el plano de control y aprovisiona la información necesaria a aplicar en función de unas ciertas reglas y previa identificación del tipo de tráfico o previa petición de QoS de una aplicación concreta.

• PCEF (Policy and Charging Enforcement Function): Es la entidad situada en el plano de datos y lleva a cabo la aplicación de las políticas definidas en el PCRF. Al situarse en el plano de datos es el punto idóneo para llevar a cabo "Deep Packet Inspection (DPI)" para así identificar el tipo de tráfico en el caso de que no sea posible de otro modo (ver "Violación de recomendaciones y normas en Internet"). Para mas detalle comentar que se suele ubicar junto con el P-GW (Packet Data Network Gateway) que es el punto donde la red móvil se conecta con otras redes IP (como Internet) o no (como la RTC - Red Telefónica Conmutada- ).

Además de estos dos elementos básicos existen otros de facturación que en tiempo real pueden controlar los créditos y tarifas del suscriptor y aplicar los cargos correspondientes, todo de forma muy integrada. Toda esta arquitectura dota a los operadores de un poder de control exhaustivo sobre el consumo de los clientes, lo cual esta muy en contraposición con "La Neutralidad de Red" aunque bien aplicado puede repercutir en una gran QoE (Quality of Experience).

Ancho de banda, latencia y jitter

Al hablar de "La Gestión de Tráfico" se ha resaltado que emplearla no tiene porque ser algo nocivo, es más, una buena gestión puede mejorar la QoE (Quality of Experience) de los usuarios si se hace administrando correctamente los recursos disponibles. Para ello, existen algunos conceptos que se deben conocer a la hora de tratar los tipos de tráfico, ya que dependiendo de estos será mejor aplicar una prioridad u otra.

• Ancho de banda: El ancho de banda es la cantidad de unidades de información que se puede descargar en un determinado tiempo. Es decir, 10 Mbps significa que en un segundo podemos recibir 10 Mbits de información (esto son algo mas de 10.000.000 de bits). Un bit es la unidad mínima de información en el mundo binario, y su valor es 0 o 1. Cabe distinguirlo de un byte, que es el conjunto de 8 bits, ya que a veces se juega con la terminología pudiendo confundir al usuario. Así, no es lo mismo descargar un fichero a 100 Mbps (mega bits por segundo), o descargarlo a 100 MB/s (mega bytes por segundo). En el segundo caso lo haríamos a una velocidad 8 veces mayor que en el primero. Obviamente los ISPs ofrecen sus tarifas en bits porqué así el total parece mayor (no queda igual decir que tienes una conexión de 128 "k's" (en bytes) que una de 1 "mega" (en bits), aún y siendo exactamente lo mismo.

• Latencia: Tal y cómo vimos en el post "Cómo funciona Internet?", los datos se envían por la red en paquetes que contienen una cabecera con la información de que camino se debe seguir, entre muchas otras cosas. La lectura de esta cabecera y el procesamiento de datos no es algo trivial y lleva algo de tiempo hacerlo. La latencia es la suma de todos estos tiempos, es decir, el tiempo que pasa desde que se ha enviado un paquete en el destino hasta que llega al receptor.

• Jitter: El camino que puede seguir un paquete entre un mismo transmisor y receptor puede variar en función de ciertos parámetros. A causa de esto y de otros factores, el retardo que puede sufrir un paquete (latencia) en relación a otro enviado inmediatamente después, puede no ser el mismo. Esto es el jitter, la variación de retardos entre paquetes de la misma comunicación.

Sabiendo esto, podemos entrever que para descargar ficheros pesados, ya sea bien por descarga directa o mediante P2P (ver "El tráfico P2P"), lo que nos interesa es que el ancho de banda sea elevado para acabar así pronto con la descarga. Si hay una latencia o jitter elevados no será nocivo en exceso ya que no importa si recibimos un paquete antes o después que otro, ni si tarda entre que se envía y se recibe (este tiempo será mucho menor que el tiempo total de transferencia del archivo).

Por contra, para aplicaciones cómo VoIP o juegos multimedia pasará justo lo contrario. No se necesita un ancho de banda elevado, pero para una buena QoE se precisa una latencia y jitter acotado para que el usuario lo perciba a tiempo real (una persona es capaz de distinguir hasta unos 200 ms de latencia, para valores menores no se percibe).

Estos dos casos muestran los dos extremos mas claros de que hay ciertos tipos de gestión que no parecen perjudicar demasiado, de hecho son prácticamente excluyentes. Así, priorizar paquetes que transportan VoIP o cualquier servicio a tiempo real, disminuye la latencia de estos con lo que la QoE mejora. Este hecho pasará prácticamente desapercibido para una descarga pesada, porqué retardar un poco un paquete de esa transferencia no afectará demasiado. Este ejemplo es muy simplificado, pero viene a decir que una gestión bien llevada puede resultar beneficiosa para una gran parte de los usuarios.

La Gestión de Tráfico

En los albores de la era Internet, cuando nos conectábamos con módem mediante Dial-Up (es una especie de llamada de datos, que hacía unos ruiditos muy raros y molestos al conectar), las limitaciones de Internet eran básicamente debidas a la propia tecnologia de acceso. No se daban problemas de congestión debido a cómo se trataban los datos y por lo tanto la Gestión de Tráfico no se hacía necesaria. Cuando aparecieron las primeras conexiones de banda ancha como el ADSL la cosa empezó a animarse un poco, y comenzaron a surgir novedosas aplicaciones y servicios en Internet. 

Hasta aquel momento Internet se basaba en un modelo cliente-servidor, lo cual quiere decir que los datos se descargaban mayormente desde la red hacia el usuario, tanto es así que en la tecnología xDSL se diseñaron los enlaces para tal fin: un pequeño enlace de subida (Uplink, UL) y uno mucho mayor de bajada (Downlink, DL). Pero apareció el P2P (peer-to-peer) a principios del milenio para cambiar un poco las cosas (una aplicación que tuvo mucho éxito fue Napster, el servicio para compartición-descarga de música). No se pretende explicar qué es el P2P en este post (ver "El tráfico P2P"), pero tan sólo comentar que es un tipo de red en la que la fuente de la información son los propios usuarios, y que en el caso más extremo está completamente descentralizado (sin servidores). Esto implicaba que los usuarios podían compartir datos en Internet, pero el diseño que se había hecho en las redes tipo cliente-servidor no la preparaba para este tráfico que a parte de utilizar mas DL también exigía más UL, siendo este último más crítico. 

Así, los ISPs comenzaron a experimentar problemas de congestión y algunos comenzaron a aplicar la Gestión de Tráfico, algo que hasta aquel entonces no se había hecho. Por abuso de lenguaje, con Gestión de Tráfico nos referimos a las técnicas que no tratan por igual a todos los paquetes, porqué Gestión de Tráfico cómo tal es cualquier estrategia que se siga para transferir datos. Esta técnica consiste en detectar que tipo de información contienen los paquetes IP y según lo que contenga darle mas o menos prioridad, retardarlo o incluso eliminarlo. Para saber que tipo de infromación lleva el paquete, en aquel entonces, se hacía una inpección "suave" de paquetes (SPI, Stateful/Shallow Packet Inspection), que consiste en identificar el 5-tuple (dir. IP origen, dir. IP destino, puerto origen, puerto destino, protocolo). Este tipo de análisis es el que suelen realizar los firewall y consiste en aplicar unas reglas de tratamiento de paquetes según unas listas de acciones permitidas. Si un paquete se quiere colar por un puerto que no esté definido para ello, o si el protocolo no esta permitido, por ejemplo, el paquete es descartado o retardado.

Además de otros que se han ido dando sin llegar a ser muy extremos, es conocido el caso Comcast que se dio en 2007 en EEUU debido a que esta compañía prestadora de acceso por cable fue procesada por aplicar Gestión de Tráfico en su tráfico P2P (ver "FCC vs. Comcast").

Por aquel entonces Internet ya formaba parte de nuestras vidas, y ya comenzaban a circular grandes contenidos multimedia por la red. Esta situación nos ha devuelto al modelo cliente-servidor (el vídeo - 26% del tráfico de Internet - ha superado al tráfico P2P - 24% del tráfico de Internet - por primera vez en 10 años, según Cisco), pero el problema sigue latente ya que se demanda mucha capacidad para este tipo de servicios. El problema se acentúa en los accesos móviles debido las limitaciones físicas que se dan en este medio.

La capacidad de burlar los sistemas de detección SPI ha llevado a muchos fabricantes a implementar sistemas capaces de realizar "Deep Packet Inspection (DPI)" y análisis heurístico (de comportamiento). Esto supone una forma nueva de Gestión de Tráfico ya que con estas tecnologías el contenido de nuestros paquetes puede ser investigado exhaustivamente sin que apenas se note en la calidad de la comunicación. Por otro lado, cabe decir también que gracias a esta herramienta se pueden detectar ataques o malware.

Lo cierto es que una buena Gestión de Tráfico puede ser beneficiosa para un gran conjunto de usuarios ya que no todas las aplicaciones que corren sobre Internet exigen el mismo ancho de banda, latencia o jitter (ver "Ancho de banda, latencia y jitter") y también puede hacer que se brinde una cierta QoE (Quality of Experience). No obstante, este tipo de prácticas abren también la puerta a ciertas conductas por parte de los ISPs que pueden considerarse anticompetitivas, discriminatorias e injustificadas. El problema al que se enfrentan las entidades regulatorias es precisamente determinar cual es el nivel de Gestión que se puede aceptar, si es que se debe aceptar, y bajo que condiciones (ver "Uso razonable de Gestión de Tráfico"). En próximos posts veremos las medidas que se han tomado en algunos países y algunas acciones que han tomado ISPs en contra de la Neutralidad de Red.