CONTRIBUCIÓN A LAS METODOLOGÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES HETEROGÉNEAS

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1 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS TELEMÁTICOS Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid TESIS DOCTORAL CONTRIBUCIÓN A LAS METODOLOGÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES HETEROGÉNEAS Autor Luis Bellido Triana Ingeniero de Telecomunicación Codirectores Encarnación Pastor Martín Doctora en Informática David Fernández Cambronero Doctor Ingeniero de Telecomunicación Año 2004

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3 TESIS DOCTORAL CONTRIBUCIÓN A LAS METODOLOGÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE SERVICIO EN REDES HETEROGÉNEAS TRIBUNAL CALIFICADOR Presidente: Vocales: Secretario: Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis Doctoral en, el día de de CALIFICACIÓN:

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5 A Amy, Luis y Daniel, a mis padres y a Alex.

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7 RESUMEN Actualmente, existe en nuestra sociedad una demanda por conocer la calidad en los servicios de telecomunicaciones, ligada principalmente a la defensa de los derechos de los usuarios de estos servicios. Esto es debido en gran medida a la evolución experimentada por los servicios de telecomunicaciones en los últimos años, en los que se ha pasado de un modelo de servicio centrado en la telefonía, hacia nuevos y diversos modelos y arquitecturas funcionales de provisión basadas en redes multiservicio, que hacen más necesario el control sobre la calidad de servicio (QoS) que se ofrece, en un mercado con una gran diversidad de proveedores. Al mismo tiempo, el modelo del servicio ofrecido a los usuarios está cambiando. Concretamente, el servicio de acceso a Internet, desde el punto de vista del usuario, es en realidad un punto de acceso para la utilización de múltiples servicios, como correo electrónico, navegación por web, o videoconferencia. Estos servicios, a su vez, pueden ser el soporte de otro tipo de servicios de valor añadido, como banca, educación o juegos on-line. Este modelo de servicio compuesto, puede hacer que el enfoque empleado en la evaluación de la calidad de servicio seguido en los servicios tradicionales sea inapropiado. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es, precisamente, contribuir a la evaluación de la calidad en los servicios ofrecidos sobre redes IP. La contribución se ha concretado en una metodología para la evaluación y el seguimiento de la calidad que permite obtener información comparable, pertinente y actualizada, destinada a los usuarios finales, sobre la calidad de los servicios ofrecidos por los distintos proveedores. La metodología incluye en primer lugar la definición de una clasificación de servicios y un conjunto de modelos conceptuales de QoS relacionados con su evaluación. La meta perseguida es la ubicación de los componentes subjetivos y objetivos relacionados con la evaluación y la concreción del enfoque necesario en cada caso de aplicación de la metodología. Seguidamente, se propone un sistema genérico de evaluación y seguimiento de QoS basado en la combinación de la evaluación subjetiva de la calidad percibida, la consolidación de medidas de la QoS realizadas por proveedores y usuarios y una información adecuada al usuario sobre la QoS ofrecida por los proveedores, que le permita mejorar su satisfacción en el uso de los servicios. Por último, se analizan en detalle los subsistemas encargados de las medidas realizadas por proveedores y usuarios y el subsistema encargado de proporcionar la información al usuario, proponiendo soluciones en distintos niveles que faciliten la implantación de un sistema de evaluación para los servicios de acceso a Internet.

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9 ABSTRACT Nowadays, there is an increasing demand in our society for access to information about the quality offered in telecommunication services. This demand is mainly linked to the protection of the users rights. This is mostly due to the changes that telecommunication services have experienced over the last years, evolving from a service model focused on the telephony to new and diverse business models and functional architectures based on multi-service networks. These changes give rise to the need of controlling the quality of service (QoS) offered in a market with several different providers. At the same time, the model of the service provided to the users is changing. As a matter of fact, if we consider the Internet Access service from the users point of view, it is not just a service, but an access point to different services, such as , web or videoconference. These services can also be considered as the basic components of other value added services, such as e-commerce, e-learning or games on-line. This complex service model indicates the need of a new approach, which is different from the approach followed for traditional telecommunication services, on the evaluation of the QoS for current and future IP network based services. Thus, the objective of this Thesis is to contribute to the evaluation of the quality of IP network-based services. The contribution consists of a methodology for evaluating and monitoring the QoS in order to obtain objective and comparable information, targeted at the users, about the quality of the services offered by different providers. The methodology includes firstly the definition of a classification of services and a set of conceptual models related to QoS evaluation. The goal is the location of the different subjective and objective components related to QoS evaluation, and the specification of the focalization needed for different applications of the methodology. Subsequently, a generic system for evaluating and monitoring QoS is proposed. The system is founded on the combination of the subjective evaluation of perceived quality, consolidation of measures from providers and users and the delivery of adequate information about QoS offered by different providers, which make it possible for each user to improve his or her level of satisfaction. Lastly, user and provider measurement subsystems and the subsystem delivering QoS evaluation information to the users are analyzed and solutions at different levels in these systems are proposed to facilitate the deployment of the evaluation system for the Internet Access service.

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11 AGRADECIMIENTOS En primer lugar debo dar las gracias muy especialmente a mis codirectores de Tesis, Encarna Pastor y David Fernández. Su trabajo, apoyo y valiosa orientación han hecho posible la finalización de este trabajo. También quisiera expresar mi más sincera gratitud a Julio Berrocal por la confianza y el apoyo demostrados, así como al resto de los miembros del Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos, en particular a los integrantes de los grupos de Redes y Tráfico, por crear un excelente ambiente de trabajo. Gracias a Francisco González, mi compañero de despacho, por sus valiosas indicaciones acerca de diversos aspectos de la Tesis, así como a Jorge López de Vergara y a David López con quienes he compartido sesiones de trabajo que han contribuido a ampliar mis conocimientos sobre la evaluación de la calidad de servicio, lo que sin duda ha ayudado a mejorar el contenido de la Tesis. Mi agradecimiento también a Enrique Vázquez y a Ana Belén García cuyos comentarios sobre algunas de las ideas que planteaba acerca de la Tesis fueron de gran ayuda. Gracias también a Gabriel Huecas por sus consejos y esfuerzo invertido en la coordinación del doctorado del Departamento. Asimismo quiero agradecer a Angelines Villar su trabajo, dedicación y ayuda prestada en todo lo referente a los trámites de la Tesis. Por último, gracias a mi familia, y en especial a Amy, por su apoyo, comprensión y cariño, que me han servido para no rendirme en el prolongado y en ocasiones difícil periodo de tiempo que he estado dedicado a la realización de esta Tesis.

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13 CONTENIDO CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS INTRODUCCIÓN Y MOTIVACIÓN ENTORNO DE LA TESIS DOCTORAL OBJETIVOS DE LA TESIS DOCTORAL ESTRUCTURA DE LA MEMORIA... 7 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE INTRODUCCIÓN MARCO DE ESTUDIO CALIDAD DE SERVICIO PERCIBIDA Métodos de evaluación de calidad de un servicio Estándares en telecomunicaciones Servicios en Redes IP CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO DE LA RED Según UIT-T Según IETF Otras iniciativas RESUMEN Y CONCLUSIONES CAPÍTULO 3 CALIDAD PERCIBIDA Y FUNCIONAMIENTO DE LA RED INTRODUCCIÓN INICIATIVAS TRABAJOS DE ORGANISMOS DE ESTANDARIZACIÓN CONCLUSIONES CAPÍTULO 4 METODOLOGÍA DE EVALUACIÓN DE QOS INTRODUCCIÓN MODELO DE PROVISIÓN Y FACTORES DE QOS ESCENARIO GENERAL DE EVALUACIÓN Y SEGUIMIENTO DE QOS MEDIDAS E INFORMES DE PROVEEDOR Selección de criterios Granularidad de las medidas Procedimiento de obtención de medidas i

14 4.4.4 Agregación de medidas Publicación MEDIDAS DE USUARIO Descripción general Selección de criterios y tipos de medidas Participación del usuario Localización de funcionalidades en Panelistas Selección del destino de las medidas Tareas de medida y resultados EVALUACIÓN DE LA QOS DESDE LA PERSPECTIVA DE USUARIO Introducción Modelo de información del sistema CONCLUSIONES CAPÍTULO 5 SISTEMA DE INTERMEDIACIÓN INTRODUCCIÓN PLATAFORMA GENÉRICA DE INTERMEDIACIÓN MODELO GENÉRICO DE SERVICIOS COMPLEJOS Peticiones Ofertas ADOPCIÓN DE LA PLATAFORMA GENÉRICA EN EL ESCENARIO DE QOS CONCLUSIONES CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES INTRODUCCIÓN RESUMEN DE RESULTADOS CONTRIBUCIONES DE LA TESIS VÍAS DE INVESTIGACIÓN FUTURAS LISTA DE ACRÓNIMOS BIBLIOGRAFÍA ii

15 LISTA DE FIGURAS FIG. 1. MODELO CONCEPTUAL DE QOS EN SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES FIG. 2. CLASIFICACIÓN DE LOS SERVICIOS DE INTERNET FIG. 3. MARCO DE MÉTRICAS DE CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO DE LA RED FIG. 4. CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO Y MANTENIMIENTO DE RED EN UIT-T FIG. 5. MODELO DE REFERENCIA Y ÁMBITO DE Y FIG. 6. RED DE REFERENCIA DE M FIG. 7. MODELO DE REFERENCIA DE IPFIX FIG. 8. POSIBLES ESCENARIOS Y DISPOSITIVOS DE IPFIX FIG. 9. FUNCIONES DE UTILIDAD SEGÚN EL TIPO DE APLICACIÓN FIG. 10. MATRIZ PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LOS CRITERIOS DE QOS FIG. 11. MODELO DE CATEGORÍAS QOS DE G.1010 CENTRADAS EN EL USUARIO FIG. 12. RELACIÓN ENTRE SERVQUAL Y FACTORES DE QOS EN TELECOMUNICACIONES FIG. 13: DIAGRAMA DE CASOS DE USO DEL ESCENARIO DE EVALUACIÓN DE QOS FIG. 14. GAPS EN LA SELECCIÓN DE UN PARÁMETRO DE CALIDAD DE FUNCIONAMIENTO DE RED FIG. 15. FASES DE ESPECIFICACIÓN DE PARÁMETROS DE MEDIDA FIG. 16. PUNTOS DE MEDIDA EN ESCENARIO DE ADSL FIG. 17. SISTEMA DE MEDIDAS DE USUARIO FIG. 18. VISTA DE ALTO NIVEL DEL MODELO DEL SISTEMA DE EVALUACIÓN DE QOS FIG. 19. COMPOSICIÓN DEL SERVICIO DE ACCESO A INTERNET FIG. 20. DIAGRAMA DE CLASES DE MEDIDAS DE QOS FIG. 21. INTERMEDIARIO PARA EVALUACIÓN DE SERVICIOS FIG. 22. SERVICIOS COMPLEJOS Y SIMPLES EN SMART-EC FIG. 23. ESCENARIO DE EVALUACIÓN DE QOS ADAPTADO A LA PLATAFORMA SMART-EC FIG. 24. CORRESPONDENCIA ENTRE SERVICIOS Y PARÁMETROS DE QOS FIG. 25. DEFINICIÓN DE ATRIBUTOS EN LA ONTOLOGÍA DE SMART-EC FIG. 26. DEFINICIÓN DEL SERVICIO DE ACCESO A INTERNET EN LA ONTOLOGÍA DE SMART-EC iii

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17 LISTA DE TABLAS TABLA 1. ESQUEMA DE CLASIFICACIÓN DE SERVICIOS TABLA 2: DEFINICIONES DE CLASES DE QOS IP Y OBJETIVOS DE FUNCIONAMIENTO DE LA RED TABLA 3. DIRECTRIZ PARA LAS CLASES QOS IP TABLA 4. TERMINOLOGÍA DE M TABLA 5. MÉTODOS DE MEDIDA PARA DISTINTOS CRITERIOS DE QOS TABLA 6. ESPECIFICACIÓN DE VALORES DE ATRIBUTOS v

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19 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Introducción y motivación Durante más de tres décadas la calidad de servicio (QoS) en las redes de datos ha sido motivo de apasionados debates, dando lugar a distintas implementaciones de QoS para distintos tipos de redes. Con la llegada de IP como protocolo de red que permite abarcar redes de cualquier tecnología, en los últimos diez o quince años se ha dedicado un esfuerzo considerable al desarrollo de arquitecturas de QoS para redes IP. A pesar de ello, en la Internet de hoy en día no se ha generalizado la aplicación de ninguna de estas soluciones de QoS, que permitirían proporcionar distintos niveles de calidad a distintos tipos de tráfico, sino que se proporciona a todo el tráfico por igual el servicio denominado best effort. Por otro lado, el impacto de la aparición de servicios de telecomunicaciones, como el servicio de acceso a Internet 1 o la telefonía móvil, en la forma en que las personas se comunican y acceden a la información, y la apertura del mercado, que hace posible que los servicios sean ofrecidos por un gran número de proveedores, ha despertado el interés en la sociedad respecto a la calidad de servicio ofrecida. Por ejemplo, en Europa, la Directiva de Servicio Universal [DSU02] desarrolla 1 Se definirá servicio de acceso a Internet, informalmente, como el servicio contratado por los usuarios residenciales para lo que comúnmente se denomina conectarse a Internet, utilizado también muchas veces por profesionales o pequeñas y medianas empresas.

20 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO 1 una serie de artículos dirigidos a defender los derechos de los usuarios en relación con las redes y los servicios de comunicaciones electrónicas. En lo relativo a la calidad de servicio, la Directiva faculta a los estados miembros para exigir a las empresas que prestan servicios de comunicaciones electrónicas la publicación de información comparable, pertinente y actualizada sobre la calidad de sus servicios, destinada a los usuarios finales. De lo anterior se podría desprender una paradoja, debido principalmente a los distintos sentidos que tiene el término QoS: a pesar de que no hay ninguna solución extendida para el soporte de QoS en Internet es necesario informar de la QoS de los servicios de Internet. En el mundo de las telecomunicaciones, el uso del término QoS suele venir ligado a las técnicas y procedimientos utilizados para dar un tratamiento preferente a unas clases de tráfico frente a otras, con el objetivo de cumplir unos requisitos mínimos en parámetros como el retardo o el ancho de banda. De esta forma, dicho término se usa a menudo de forma muy restrictiva, distinguiendo entre servicios con QoS y servicios sin QoS. Es en este sentido en el que se puede afirmar que no hay soluciones extendidas para el soporte de QoS. Sin embargo, en un sentido más amplio del término, no cabe duda de que el actual servicio best effort de Internet está proporcionando una determinada QoS en cualquier caso. Hacia este sentido más amplio del término QoS, que denomina no sólo una técnica o un procedimiento, es al que apuntan algunas definiciones de QoS, como la de UIT-T [E.800]: efecto global de las prestaciones de un servicio que determinan el grado de satisfacción de un usuario al utilizar dicho servicio. Esta definición, que comprende muchas áreas de trabajo, recoge uno de los objetivos que deben considerarse al utilizar el término QoS: la satisfacción subjetiva de los usuarios (calidad percibida). En el caso de los servicios de telecomunicaciones, no cabe duda de que una buena parte de la satisfacción del usuario tendrá relación con el funcionamiento de la red. Es por ello que en otros trabajos la definición de QoS se centra en la red, como en el caso del IETF [RFC2386]: conjunto de requisitos del servicio que 2

21 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS debe cumplir la red en el transporte de un flujo. En este caso, la definición está centrada en lo que [I.350] denomina calidad de funcionamiento de la red. Es en esta definición de QoS centrada en la red en la que se enmarcan las distintas soluciones de QoS para las redes IP, como Servicios Integrados (Intserv), Servicios Diferenciados (Diffserv), MPLS o GMPLS. A pesar de ello, al como se ha mencionado anteriormente, en la Internet de hoy en día no se ha generalizado la aplicación de ninguna de estas soluciones de QoS, con lo cual a menudo el método empleado para intentar mantener un nivel adecuado de prestaciones es el sobredimensionado de la capacidad de las redes. Sin embargo, esta opción no siempre resulta adecuada para proporcionar QoS, lo cual resulta sobre todo evidente si se analiza el caso de las redes de acceso, en las que motivos técnicos y económicos hacen inviable esa solución. Todo ello aumenta la necesidad de proporcionar una información adecuada sobre la QoS que se está ofreciendo por parte de los proveedores de servicios de Internet, independientemente del soporte explícito que la red pueda estar dando para lograr una determinada QoS. Se debe tener en cuenta que la información sobre QoS que se proporciona sobre un servicio debe ser comprensible para el usuario, utilizando parámetros que para él sean útiles y relevantes. I.350 recoge la necesidad de disponer tanto de parámetros de QoS perceptibles por el usuario como de calidad de funcionamiento de la red, y de establecer claramente la correspondencia de valores en los casos en que no exista una relación simple de uno a uno entre ellos. En el caso de los servicios de telefonía o telefonía móvil, los organismos de estandarización han sido capaces de establecer una correspondencia entre calidad percibida y calidad de funcionamiento de la red. Si nos centramos en el servicio de comunicación de voz, el modelo E [G.107] permite evaluar cómo afectan los parámetros de los sistemas de transmisión a la calidad de la conversación telefónica y como consecuencia, permite asegurar que los usuarios están satisfechos con las características de transmisión extremo a extremo. 3

22 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO 1 Sin embargo, en el caso de los servicios de acceso a Internet, existen importantes dificultades en establecer la relación entre la calidad percibida y calidad de funcionamiento de la red. En primer lugar, existe una dificultad asociada al carácter flexible y multiservicio de Internet. El servicio de acceso a Internet ofrece la posibilidad de utilizar múltiples aplicaciones, desde un terminal remoto basado en texto, pasando por navegación web o correo electrónico, hasta complejas aplicaciones multimedia interactivas [Bellido96], [Fernández96], a lo que hay que sumar futuras aplicaciones imposibles de imaginar hoy en día. La calidad percibida del servicio de acceso a Internet dependerá por tanto de la calidad percibida en el uso de las distintas aplicaciones. En ese sentido faltan resultados de investigación concluyentes sobre el nivel de satisfacción de los usuarios en cada una de las aplicaciones individuales que se utilizan en Internet, y sobre cómo las distintas percepciones individuales inciden en la calidad percibida global del servicio de acceso a Internet. Por otro lado, las distintas aplicaciones dependen para su funcionamiento de variables como la capacidad de transferencia o ancho de banda de la comunicación, el retardo que sufren los paquetes, la variación del retardo o la pérdida de paquetes. Se puede anticipar que en la influencia que estos parámetros de calidad de funcionamiento de la red tienen en la calidad percibida por el usuario intervienen múltiples factores. Por ejemplo, la pérdida de paquetes puede afectar de forma sustancial a la calidad de funcionamiento de las aplicaciones, tanto de forma directa (por ejemplo, en VoIP puede dar lugar a un glitch en una conversación telefónica) como indirecta (la pérdida de paquetes afecta de forma negativa a la capacidad de transferencia obtenida por los protocolos de transporte). Si además se considera la forma de medir los parámetros de calidad de funcionamiento en el servicio de acceso a Internet, el problema reside en que en los parámetros de red pueden intervenir en algunos casos varios transportes de información interrelacionados e intercambios de información en protocolos a 4

23 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS distintos niveles, tanto en la red como extremo a extremo. Todo ello en una red que, además, está basada en la interconexión de redes de distintas tecnologías, operadas por distintos proveedores y con el paradigma de servicio best effort. Es por todo ello que la evaluación de la calidad de servicio en redes IP es un ámbito de investigación activo, constituyendo uno de los aspectos principales hacia los que se enfoca este trabajo. 1.2 Entorno de la Tesis Doctoral El entorno genérico de la Tesis Doctoral es el de la evaluación de la QoS en los servicios de telecomunicaciones. De forma más concreta, el estudio se centrará en la evaluación de la QoS en los servicios basados en redes IP, especialmente en los actuales servicios de acceso a Internet. La evaluación de la QoS en este ámbito comprende muchas áreas de trabajo: nivel de satisfacción del usuario en la utilización del servicio, parámetros de calidad del servicio relacionados con dicha satisfacción (retardo, pérdida de paquetes, etc.), parámetros técnicos de la red de soporte (tasas de fallo de bit o de bloque, probabilidad de congestión, etc.), aspectos no funcionales de la calidad (demora en la provisión del servicio o en la atención a quejas, corrección en la facturación, etc.), parámetros de QoS en los contratos y mecanismos de verificación y, en general, procedimientos de medida en todas estas áreas. El enfoque de la Tesis se centrará en los aspectos más directamente relacionados con la Ingeniería de Telecomunicación, en este caso en la evaluación de la calidad a partir del funcionamiento de la red. Por tanto, el estudio explícito de los aspectos no funcionales de la calidad, relacionados más directamente con la gestión de la relación con los clientes Customer Relationship Management (CRM), quedan fuera del ámbito de la Tesis. Además, con el objetivo de centrar el ámbito de la Tesis, se ha partido del principio de que la evaluación de la QoS debe ofrecer información que sea 5

24 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO 1 comprensible para el usuario, utilizando parámetros que para él sean útiles y relevantes. Por tanto, el estudio se centrará en la determinación de la calidad de los servicios basados en redes IP, a partir de parámetros de calidad de servicio relacionados con la satisfacción del usuario, abstrayendo la influencia que sobre dicha calidad puedan tener los parámetros técnicos de la red de soporte o los aspectos no funcionales de la prestación del servicio. 1.3 Objetivos de la Tesis Doctoral El objetivo general de la Tesis Doctoral es proponer soluciones para la evaluación de la calidad en los servicios ofrecidos sobre redes IP. En la búsqueda de estas soluciones se considera como condición fundamental la obtención de información verificable que sea comprensible, útil y relevante para el usuario. Para alcanzar el objetivo general de la Tesis se ha planteado la definición de una metodología con los siguientes objetivos parciales: Creación de un marco general para la identificación y ubicación de los componentes conceptuales y funcionales relacionados con la evaluación de la calidad de los servicios ofrecidos sobre redes IP, tomando como referencia los actuales servicios de acceso a Internet. Propuesta de un sistema de evaluación para los servicios de acceso a Internet, centrado en la determinación de la calidad a partir de parámetros del servicio relacionados con la satisfacción de los usuarios, y que permita a estos obtener información verificable, comprensible, útil y relevante sobre los servicios ofrecidos por los distintos proveedores. La evolución desde los servicios tradicionales de telecomunicaciones, centrados en la telefonía, hacia nuevos modelos de negocio y arquitecturas funcionales de provisión basados en redes multiservicio, está dando lugar a que la evaluación de la calidad para servicios de Internet y nuevos servicios basados en 6

25 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS redes IP sea un ámbito de investigación activo. Esta Tesis pretende contribuir a este esfuerzo de investigación a través de sus aportaciones. 1.4 Estructura de la memoria La memoria de esta Tesis se ha estructurado de la siguiente manera. En el Capítulo 2 se presenta el estado del arte en el ámbito en que se desarrolla este trabajo. Se presta especial atención a las metodologías de evaluación de la percepción de calidad de servicio por los usuarios, así como a las metodologías relacionadas con la evaluación de la calidad de funcionamiento de las redes IP. En el Capítulo 3 se analizan y discuten los trabajos que relacionan calidad percibida con calidad de funcionamiento de la red y se identifica la necesidad de una evaluación y seguimiento de la calidad de forma continua y sus requisitos básicos. En el Capítulo 4 se propone una metodología para la evaluación y seguimiento de la calidad en los servicios ofrecidos sobre redes IP. El modelo propuesto se basa en la combinación de la evaluación subjetiva de la calidad percibida, la consolidación de medidas de la QoS realizadas por proveedores y usuarios y la información adecuada al usuario sobre la QoS ofrecida por los proveedores para incrementar su satisfacción en el uso de los servicios. En el Capítulo 5 se aborda la adopción de una plataforma de intermediación electrónica como punto de partida para la implementación del componente del sistema para evaluación de QoS desde la perspectiva de usuario, a partir de la información de medidas de QoS de los proveedores. Por último, en el Capítulo 6 se recogen las conclusiones del trabajo realizado, se describen las principales contribuciones del trabajo realizado y se enumeran las posibles vías de investigación abiertas. 7

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27 Capítulo 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 Introducción En este Capítulo se proporciona una visión general del estado de las principales áreas relacionadas con el ámbito de la Tesis, haciendo especial énfasis en aquellos conceptos que han servido de partida para el desarrollo de la misma. En el apartado 2.2, se describe el modelo conceptual utilizado para ubicar los aspectos de calidad de servicio, y así realizar una clasificación de los servicios de telecomunicaciones y sus componentes que faciliten el estudio. Dentro de este marco, el estudio se centra primero en los trabajos relacionados con la evaluación del nivel de satisfacción de los usuarios, que se presentan en el apartado 2.3. A continuación, el apartado 2.4 estudia los aspectos de evaluación de la calidad de funcionamiento de la red. Finalmente el apartado 2.5 presenta un resumen de las principales implicaciones que los conceptos considerados en este Capítulo tienen en el resto del trabajo de la Tesis. 2.2 Marco de estudio Con el objetivo de acotar el ámbito de la presente Tesis, se ha buscado definir los aspectos de la calidad de servicio que se van a abordar, así como realizar una clasificación de los servicios y sus componentes que faciliten su estudio. Estos intentos de precisión, que se deben considerar como parte de la contribución de la

28 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 Tesis, se presentan aquí con el objetivo de fijar un marco de estudio que sea útil en la ubicación de las definiciones y parámetros de calidad de servicio presentes en los estándares y propuestas que conforman el estado del arte. Los resultados se han propuesto para su publicación en [Bellido04]. Principios de medida M É T R I C A S Especif. de medidas Parámetros y métodos por nivel por servicio CALIDAD DE SERVICIO PERCIBIDA SLAs PRESTACIONES FUNCIONALES DE RED PARÁMETROS TÉCNICOS DE RED DE SOPORTE DE QOS PREST. NO FUNC. Formatos y métodos de comprobación Parámetros Técnicos de Red 1er nivel Parámetros Técnicos de Red 2do nivel Parámetros de provisión y gestión del servicio Fig. 1. Modelo conceptual de QoS en servicios de telecomunicaciones En primer lugar se ha definido un procedimiento que permita situar las definiciones y parámetros de calidad de servicio en un modelo de distintos niveles y perspectivas. La Fig. 1 representa el modelo conceptual. A continuación se describen brevemente cada uno de los componentes del modelo: Calidad de servicio percibida: en este nivel se especifican los parámetros de cada servicio que el usuario percibe y puede comprobar y que determinan su mayor o menor satisfacción con el servicio percibido, por ejemplo: éxito en la conexión, calidad del audio o el vídeo, velocidad de transferencia de ficheros, disponibilidad/fiabilidad del servicio, etc. 10

29 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE Prestaciones funcionales de red: este nivel se corresponde con especificaciones técnicas de la red cuyo cumplimiento implica que la calidad de servicio percibida es la adecuada, por ejemplo: pérdidas de paquetes, retardo extremo a extremo, etc. En general, estos parámetros son comprobados por los operadores de red y prestadores de servicio, deben reportarse en un formato comparable y publicarse de forma que sean entendibles por los usuarios. Service Level Agreement (SLA): determina el grado de definición de los contratos entre el usuario y el proveedor de servicio, los métodos de control de cumplimiento de dichos contratos, las penalizaciones en que se incurre por su incumplimiento, etc. Los SLAs pueden ser individuales, como los que un cliente de negocio puede establecer con un proveedor, o genéricos, en los que el proveedor ofrece un servicio genérico a un gran número de usuarios. En cualquiera de los dos casos, los SLAs deben hacer explícitas las condiciones de calidad del servicio contratado, así como los mecanismos de verificación. Parámetros técnicos de red de soporte: son parámetros internos de la red que determinan el comportamiento de las prestaciones funcionales y que especifican la calidad del transporte (tasas de fallo de bit, de bloque) o de conmutación/encaminamiento: probabilidad de congestión. Estos parámetros son de exclusiva responsabilidad de los operadores de red o servicio y dependientes de las tecnologías empleadas. Prestaciones no funcionales: los parámetros definen los aspectos de provisión, gestión y mantenimiento del servicio que básicamente reflejan el nivel de satisfacción que el cliente recibe en su relación con el proveedor, por ejemplo, tiempo de demora en aprovisionar el servicio, tiempo de demora en atención a las quejas, precisión y corrección en la facturación, etc. 11

30 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 Métricas: en las que se distinguen dos niveles de definición: un nivel general, en que se definen parámetros, métodos de medida y muestreo y métodos de agregación de medidas; y otro particular para cada uno de los niveles anteriormente enunciados, que especifica para cada parámetro de calidad o prestación la definición de los valores, umbrales y procedimientos de medida. Para completar este modelo conceptual se ha considerado necesario disponer también de un esquema de clasificación de servicios y sus componentes a la hora de abordar el problema de la evaluación de la QoS. Gran parte de los parámetros que normalmente se utilizan para estimarla se concentran en medir las características de un determinado transporte de información. Sin embargo, en la QoS de un servicio de telecomunicaciones intervendrán en algunos casos varios transportes de información interrelacionados, intercambios de información en protocolos a distintos niveles, tanto en la red como extremo a extremo. Los escenarios de las redes de siguiente generación confirman la tendencia hacia esquemas de servicios complejos [Fernández00]. El esquema de clasificación de servicios, de los que se van a derivar los componentes de los servicios compuestos se resume en la Fig. 2 que es un particularización para los servicios Internet. El esquema presenta un primer nivel de clasificación con los Servicios Portadores: principalmente es el servicio de transporte de datos, centrado en el acceso a Internet y soportado por distintas tecnologías: dialup, ADSL, cablemódem, GPRS, etc. El servicio de transporte de datos lo suelen proporcionar operadores de red, que llevan los datos del usuario hasta el ISP. Servicios Básicos: proporcionados principalmente por los ISPs, engloban las aplicaciones básicas que los usuarios utilizan en Internet: correo, navegación, P2P, etc. Algunos de estos servicios son de los denominados de infraestructura, es decir, servicios que proporcionan funcionalidades 12

31 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE que el usuario no utiliza directamente, pero que son fundamentales para el soporte del resto de servicios básicos, como el DNS o DHCP. Se ha considerado también como Servicio Básico la funcionalidad de transporte de datagramas correspondientes a una conexión TCP o envío de datagramas UDP extremo a extremo, bajo la denominación de servicio IP portador. Servicios de Valor Añadido. Son servicios que se construyen a partir de uno o más Servicios Básicos y que se considera que aportan algún valor añadido sobre estos. Engloba comercio electrónico [Bellido02], teleeducación [Pastor95], juegos en red, e-administración, etc. SLA SVA SLA SB SLA SP e-commerce e-admin e-games DNS web Dial-up ADSL Cable... Servicios de PSSI* Valor Añadido Servicios ISP/ P2P... Básicos ASP GPRS... Servicios Oper. Portadores Red * PSSI: Prestadores de Servicios de la Sociedad de la Información Fig. 2. Clasificación de los servicios de Internet A partir de la clasificación de los servicios actuales en Internet, se ha creado una clasificación global común para cubrir los nuevos servicios de telecomunicaciones. Para ello ha sido necesario: Identificar los nuevos servicios de audio y vídeo que formarán parte de los servicios integrados sobre las futuras redes de conmutación de paquetes Revisar los servicios de datos de Internet. Se han identificado nuevos servicios, como el servicio de Difusión o Datacasting (Servicios Básicos) o los Web Services [W3C04a] (formarían parte de una infraestructura para Servicios de Valor Añadido). Incorporar la consideración de movilidad como una característica básica de los nuevos servicios de telecomunicaciones. 13

32 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 En la Tabla 1, se presenta una primera extensión de la clasificación cubriendo los nuevos servicios de telecomunicaciones, que se ha utilizado como punto de partida del estudio del estado del arte de la evaluación de la QoS. Tabla 1. Esquema de clasificación de servicios Clase de Servicio Audio Digital Servicio Básico de Datos Servicio de Valor Añadido Servicio Portador de Datos Vídeo Digital Audio bajo demanda Audio calidad estudio Audio sub-estándar Correo Difusión de datos Infraestructura de servicios básicos IP portador E-administración E-commerce E-games ADSL Cablemódem Dial-up Difusión de vídeo alta definición Difusión de vídeo estándar Difusión de vídeo sub-estándar Videoconferencia Servicios Difusión de audio Telefonía Mensajería Navegación P2P Transferencia de ficheros E-learning Infraestructura de SVA GPRS Otros Videotelefonía VoD alta definición VoD estándar VoD sub-estándar El modelo conceptual definido nos permite la clasificación y estudio de la normativa e iniciativas de investigación que constituyen el estado del arte desde el punto de vista de la calidad de servicio. El enfoque general de la Tesis de evaluación de QoS para facilitar información de QoS sobre los servicios en redes IP a los usuarios, nos ha llevado a centrar el estudio en primer lugar en el nivel de calidad de servicio percibida, con el objetivo de comprender mejor las necesidades de los usuarios y cómo evaluar su grado de satisfacción, y en segundo lugar en el nivel de prestaciones funcionales de la red con el objetivo de profundizar en los aspectos de evaluación de la calidad de servicio que ofrece la red. En el Capítulo 3 se discutirá en detalle la relación entre la calidad de funcionamiento de la red y calidad de servicio percibida. 14

33 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE 2.3 Calidad de servicio percibida Métodos de evaluación de calidad de un servicio En el ámbito de la economía, se han desarrollado distintos métodos con el fin de detectar el grado de satisfacción de los clientes respecto a un servicio y, por tanto, su percepción de la calidad del mismo. Se pueden agrupar en los siguientes tipos [Noel03], [Villalobos00]: Modelos objetivos: A través de indicadores tales como el número de quejas. La validez de estos modelos es limitada. Modelos subjetivos: Basados en la percepción del individuo de su propia satisfacción. La evaluación basada en modelos subjetivos tiene como principales desventajas un coste elevado, consumo de tiempo y dificultad de realización. Modelos fisiológicos: Midiendo reacciones involuntarias del cuerpo. A continuación se presentan los modelos subjetivos más reconocidos. SERVQUAL Fue definido por Parasuraman, Berry y Zeithaml [Parasurama88]. Consiste en un conjunto de entrevistas y encuestas. Se aplicó como ejemplo con diferentes compañías que proporcionaban servicios. Los resultados llevaron a definir que el significado de calidad de servicio para los clientes consistía en la magnitud de discrepancia entre las expectativas de los usuarios respecto de un servicio y la percepción que ellos tenían de este. Se definen varios posibles desajustes en la cadena de provisión de un servicio: 1. Diferencia entre las expectativas del cliente y la percepción de dichas expectativas por el que proporciona el servicio. 15

34 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 2. Diferencia entre la percepción de las expectativas y la forma de traducirlo en especificaciones de calidad. 3. Diferencia entre la calidad de servicio especificada y la realmente entregada. 4. Diferencia entre el servicio prestado y el prometido al cliente. Aquí conviene destacar los problemas de prometer más de lo que se anuncia o publicita, y por otro lado el posible impacto en la percepción de la calidad si no se informa a los usuarios de las acciones dirigidas a mejorar la calidad. 5. Diferencia entre las características del servicio percibido por el usuario y las expectativas que dicho usuario tenía del servicio. La hipótesis es que esta diferencia es función de las anteriores. El método SERVQUAL trata de medir la percepción y expectativas de los usuarios a través de una encuesta de 22 preguntas que se centran en cinco dimensiones que se consideran comunes a todos los servicios: Elementos tangibles: Instalaciones físicas, equipamiento y apariencia del personal. Fiabilidad: Realización del servicio prometido de forma eficaz. Respuesta: Capacidad de atender a los clientes con una pronta respuesta a sus consultas. Garantía: Incluye competencia, cortesía, credibilidad y seguridad. Empatía: Formada por la capacidad del cliente de usar el servicio cuando quiera (acceso), la habilidad de informarle con su propio lenguaje (comunicación) y el conocimiento del consumidor y de sus necesidades. 16

35 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE Las veintidós sentencias se redactan y presentan en una doble escala para valorar por un lado las expectativas (lo que debe ser) y por otro la percepción (lo que es) del cliente. La principal contribución de este estudio es que proporciona un modelo conceptual claro de la calidad de servicio, además de proporcionar una base sólida para investigaciones futuras. Una de sus desventajas es que existen servicios cuyas dimensiones no coinciden exactamente con las cinco comentadas. Se han realizado varias versiones de este modelo para tratar de adaptarlo a cada uno de esos servicios. Entre estas cabe destacar IS-SERVQUAL [Pitt95], definido para sistemas de información. SERVPERF Este modelo [Cronin92] consta de una sola escala basada en la percepción del usuario. La calidad se mide como la suma de cada uno de los elementos de la encuesta. La diferencia con el método anterior es que no tiene en cuenta las expectativas del usuario por lo que, aunque es capaz de medir la calidad de un servicio, no puede establecer en qué elementos es prioritario mejorar la calidad. No es lo mismo una calidad baja en un aspecto que es esencial para el usuario que en uno que define con importancia baja. Por ello se ha desarrollado también como variante un método con dos escalas sencillas, que evalúan tanto la percepción del servicio como la importancia y necesidad de las distintas cualidades del mismo. SASSER, OLSEN Y WICKOFF Plantean que el usuario no sólo tiene en cuenta las características del servicio base que ofrece una empresa, sino que también influyen en su percepción los servicios periféricos [Sasser78]. 17

36 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 Además establecen que los clientes tienden a ajustarse a uno de los siguientes comportamientos: Se centran en el atributo que consideran más importante. Dan una mayor importancia a una característica, pero mantienen el resto por encima de un mínimo. Utilizan un modelo compensatorio en el que unos atributos pueden empeorar siempre que otros mejoren. GRÖNROSS Diferencia tres aspectos que condicionan la percepción de la calidad de servicio por un cliente [Grönross94]. Son: Las características técnicas del servicio. La calidad funcional o relacional. Es decir, la forma de proporcionar el servicio. La imagen de la empresa. Considera que la calidad funcional es la que tiene una mayor importancia, sobre todo cuando las características técnicas superan un mínimo. Define los siguientes criterios que afectan a la calidad de servicio: pericia profesional, actitud y conducta, cercanía y flexibilidad, fiabilidad, soporte a situaciones de error (normalización) e imagen de marca Estándares en telecomunicaciones UIT-T ha desarrollado modelos subjetivos para evaluar la percepción de usuario de la calidad de servicio, dentro del ámbito de las comunicaciones de voz y aplicaciones multimedia. Los primeros estándares se desarrollaron centrándose en 18

37 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE la conmutación de circuitos, pero en la actualidad se aplican ampliamente en los servicios de voz sobre IP. La recomendación [P.800] define la metodología y pruebas para calcular la nota media de opinión (Mean Opinion Score - MOS) para servicios de audio (telefonía). MOS se basa en la realización de una valoración subjetiva de la calidad de voz. Es un proceso subjetivo por el que un conjunto de hombres y mujeres valoran la calidad de servicio de distintas muestras de voz transmitidas a través de distintos medios. Las puntuaciones varían en una escala de cinco valores (Excelente = 5, Buena = 4, Regular = 3, Mediocre = 2, Mala = 1) y se ponderan para obtener una tasa de puntuación media. La recomendación [P.862] proporciona un modelo psico-acústico basado en la señal (PESQ) que permite generar una predicción de MOS comparando la señal de voz de referencia transmitida con la señal degradada que se recibe. El modelo tiene en cuenta los efectos de la compresión de voz y de los parámetros de la red IP (por ejemplo, pérdida de paquetes y jitter o variación del retardo), además de los tradicionales de redes de conmutación de circuitos como ruido o eco. No incluye el efecto del retardo de transmisión total, ya que es un modelo para comunicación de voz unidireccional. El uso de la metodología MOS se amplia a aplicaciones multimedia (videoconferencia, también aplicable a vídeo bajo demanda) en las recomendaciones [P.910], para comunicaciones en un sentido, no interactivas de audio, y [P.911], para comunicaciones en un sentido, no interactivas de audio y vídeo y audio respectivamente. La recomendación [P.920] amplía el uso de MOS a la comunicación de audio y vídeo interactiva (videoconferencia, videotelefonía). Su objetivo es definir métodos de evaluación interactivos para cuantificar la repercusión de las perturbaciones de la codificación, del retardo de la transmisión y de las degradaciones de transmisión (por ejemplo, pérdida de paquetes, pérdida de células, errores de canal digital) en las comunicaciones audiovisuales punto a punto o multipunto. 19

38 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 La validez de una metodología MOS para el servicio Internet no está clara. [Watson98] razona que los métodos recomendados por la UIT para medir la calidad subjetiva no son adecuados para medir la calidad de servicios y aplicaciones más nuevas. Por ello, propone un método que contempla la naturaleza multidimensional del audio y vídeo percibidos Servicios en Redes IP La calidad percibida por el usuario de los servicios Internet no puede predecirse a partir de medidas objetivas, sino que existe la necesidad de buscar métodos fiables y válidos para medir la calidad subjetiva y enlazarlos a los factores objetivos que se pueden aplicar a los servicios de red [Lozano03]. El planteamiento seguido para evaluar la calidad percibida de los usuarios de Internet suele consistir en la adaptación de los métodos subjetivos presentados en el apartado Para ello es conveniente conocer primero las características específicas que tiene la interacción de los usuarios en el entorno de Internet. Interacción de los usuarios A través de Internet, los usuarios acceden a distintos tipos de servicios, y para cada uno de ellos, las expectativas del servicio son distintas, y por consiguiente, tanto la obtención de un determinado nivel de calidad como la evaluación de la calidad obtenida, dependerán del servicio considerado. La finalidad con que se haga uso de un servicio [Bouch99] influye también en las expectativas del usuario. Un usuario que utiliza el correo electrónico de la manera habitual, valorará la fiabilidad. Sin embargo, si por ejemplo lo utiliza para intentar concertar una cita con otra persona en diez minutos, la rapidez adquiere una importancia mayor. También hay diferencia entre lo que buscan un comprador y un no comprador en una tienda de Internet [Jun02]. Algunos autores han determinado que usuarios con distinta experiencia requieren distintas características [Bouch00], [Bouch99], [Saaksjarvi94]. En el caso de servicios en redes IP, usuarios noveles tratan de establecer un paralelismo 20

39 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE con servicios del mundo real. Conceptos como la distancia entre dos ordenadores en el mundo real pueden condicionar sus expectativas en la red. Por otra parte, es evidente que la calidad percibida por el usuario de un servicio en una red IP dependerá de todos los elementos que se encuentran en la cadena de entrega: El dispositivo del usuario. Por ejemplo: un PC con un navegador web. Las características de la red. En cuanto a su capacidad frente a los picos de tráfico. El ordenador donde funciona la aplicación en caso de ser centralizada. Por ejemplo: Memoria, velocidad de la CPU. La propia aplicación o servicio. Por ejemplo: La velocidad en generar las páginas web dinámicas, el consumo de memoria o la lentitud en el acceso a la base de datos. Adaptación de los modelos Para la realización de estudios en el ámbito de las redes de paquetes IP, se requiere estudiar si los modelos presentados son válidos o si es posible adaptarlos para que lo sean. El modelo que se ha aplicado de forma más habitual en los estudios realizados en estas redes es SERVQUAL. La principal crítica a este modelo parte de que las cinco dimensiones que establecieron sus autores no coinciden de forma exacta en todos los servicios. En algunos casos es necesario añadir dimensiones adicionales, o eliminar una existente. No obstante, existen diversos estudios [Cody99], [Iwaarden03], cuya finalidad ha sido constatar la validez de este modelo para su aplicación en los sistemas de información o incluso en servicios concretos como la navegación web o las Extranets. 21

40 ESTADO DEL ARTE CAPÍTULO 2 Iwaarden y Wiele [Iwaarden03] investigan si el modelo SERVQUAL es aplicable a los sitios web. Para ello tratan de establecer una relación entre las dimensiones del modelo y las características técnicas de la navegación web: Los elementos tangibles se relacionarían con el aspecto visual del sitio web. Al no existir un contacto directo entre el cliente y el empleado, la interacción pasa a depender de las páginas. La fiabilidad estaría relacionada con la capacidad de cumplir lo que se promete en su momento. Un sitio web no debería crear falsas expectativas o vender productos que luego no cumplan las características. La respuesta se representaría como la velocidad de acceso y descarga de las páginas. Existe un compromiso entre este punto y el diseño. La garantía consistiría en proporcionar en la web todo lo que el usuario busca, y darle seguridad respecto al uso y confidencialidad de la información que proporciona (personal o tarjetas). La empatía se ve limitada al no existir interacción humana en el servicio. En algunos casos se ha tratado de crear algún sistema de atención virtual. Los autores olvidan incorporar otras características a la lista, como la personalización de los sitios dentro de la empatía o el soporte dentro de la respuesta. Otros artículos lo harán. Cody y Hope [Cody99] tratan de adaptar el modelo SERVQUAL para su uso en Extranet. Establece la relación entre los parámetros SERVQUAL y los de las Extranet: La fiabilidad se refleja en sistemas de back-up para asegurar la disponibilidad, e información actualizada. La respuesta se relaciona con el ancho de banda para descargar las páginas y en la contestación a las sugerencias y correos de los usuarios. 22

41 CAPÍTULO 2 ESTADO DEL ARTE La garantía como seguridad de las transacciones en la red. La empatía se muestra en forma de perfiles de usuario y personalización. Los elementos tangibles contemplan las presentaciones de las páginas y la facilidad de navegación. Yang y Jun [Jun02] modifican el modelo SERVQUAL para añadir nuevas dimensiones y adaptarlos a sitios de comercio electrónico con las siguientes conclusiones: Las dimensiones de calidad de servicio percibidas por compradores y vendedores no es la misma. Para los compradores se detectan la fiabilidad, acceso, facilidad de uso, personalización, seguridad y credibilidad. Para los no compradores se observan seguridad, respuesta, facilidad de uso, fiabilidad, disponibilidad, personalización y acceso. Las dimensiones presentadas por Yang y Jun parecen ser en realidad subdivisiones de las definidas en SERVQUAL. Estudios realizados La mayor parte de los experimentos presentados a continuación utilizan el modelo SERVQUAL para establecer la importancia de las dimensiones en distintos servicios. Alguno profundiza para llegar a extraer parámetros objetivos de alguna de esas dimensiones subjetivas. Saaksjarvi y Saarinen [Saaksjarvi94] evalúan la calidad de los servicios en los sistemas de información. Para ello tratan de contemplar las dimensiones incluidas en SERVQUAL. Sin embargo, dejan a un lado las expectativas para centrarse únicamente en la percepción de los usuarios. Su conclusión establece que es necesario contemplar en los estudios de calidad de los sistemas de información las 23