docs/cpta/methodology/index.rst

   1 .. _trending_methodology:
   2
   3 Trending Methodology
   4 ====================
   5
   6 Overview
   7 --------
   8
   9 This document describes a high-level design of a system for continuous
  10 performance measuring, trending and change detection for FD.io VPP SW
  11 data plane. It builds upon the existing FD.io CSIT framework with
  12 extensions to its throughput testing methodology, CSIT data analytics
  13 engine (PAL – Presentation-and-Analytics-Layer) and associated Jenkins
  14 jobs definitions.
  15
  16 Proposed design replaces existing CSIT performance trending jobs and
  17 tests with new Performance Trending (PT) CSIT module and separate
  18 Performance Analysis (PA) module ingesting results from PT and
  19 analysing, detecting and reporting any performance anomalies using
  20 historical trending data and statistical metrics. PA does also produce
  21 trending dashboard and graphs with summary and drill-down views across
  22 all specified tests that can be reviewed and inspected regularly by
  23 FD.io developers and users community.
  24
  25 Performance Tests
  26 -----------------
  27
  28 Performance trending is currently relying on the Maximum Receive Rate
  29 (MRR) tests. MRR tests measure the packet forwarding rate under the
  30 maximum load offered by traffic generator over a set trial duration,
  31 regardless of packet loss. Maximum load for specified Ethernet frame
  32 size is set to the bi-directional link rate.
  33
  34 Current parameters for performance trending MRR tests:
  35
  36 - Ethernet frame sizes: 64B (78B for IPv6 tests) for all tests, IMIX for
  37   selected tests (vhost, memif); all quoted sizes include frame CRC, but
  38   exclude per frame transmission overhead of 20B (preamble, inter frame
  39   gap).
  40
  41 - Maximum load offered: 10GE and 40GE link (sub-)rates depending on NIC
  42   tested, with the actual packet rate depending on frame size,
  43   transmission overhead and traffic generator NIC forwarding capacity.
  44
  45   - For 10GE NICs the maximum packet rate load is 2* 14.88 Mpps for 64B,
  46     a 10GE bi-directional link rate.
  47   - For 40GE NICs the maximum packet rate load is 2* 18.75 Mpps for 64B,
  48     a 40GE bi-directional link sub-rate limited by TG 40GE NIC used,
  49     XL710.
  50
  51 - Trial duration: 10sec.
  52 - Execution frequency: twice a day, every 12 hrs (02:00, 14:00 UTC).
  53
  54 Note: MRR tests should be reporting bi-directional link rate (or NIC
  55 rate, if lower) if tested VPP configuration can handle the packet rate
  56 higher than bi-directional link rate, e.g. large packet tests and/or
  57 multi-core tests. In other words MRR = min(VPP rate, bi-dir link rate,
  58 NIC rate).
  59
  60 Trend Analysis
  61 --------------
  62
  63 All measured performance trend data is treated as time-series data that
  64 can be modelled using normal distribution. After trimming the outliers,
  65 the median and deviations from median are used for detecting performance
  66 change anomalies following the three-sigma rule of thumb (a.k.a.
  67 68-95-99.7 rule).
  68
  69 Metrics
  70 ````````````````
  71
  72 Following statistical metrics are used as performance trend indicators
  73 over the rolling window of last <N> sets of historical measurement data:
  74
  75 - Q1, Q2, Q3 : Quartiles, three points dividing a ranked data set
  76   of <N> values into four equal parts, Q2 is the median of the data.
  77 - IQR = Q3 - Q1 : Inter Quartile Range, measure of variability, used
  78   here to calculate and eliminate outliers.
  79 - Outliers : extreme values that are at least (1.5 * IQR) below Q1.
  80
  81   - Note: extreme values that are at least (1.5 * IQR) above Q3 are not
  82     considered outliers, and are likely to be classified as
  83     progressions.
  84
  85 - TMA : Trimmed Moving Average, average across the data set of <N>
  86   values without the outliers. Used here to calculate TMSD.
  87 - TMSD : Trimmed Moving Standard Deviation, standard deviation over the
  88   data set of <N> values without the outliers,
  89   requires calculating TMA. Used for anomaly detection.
  90 - TMM : Trimmed Moving Median, median across the data set of <N> values
  91   excluding the outliers. Used as a trending value and as a reference
  92   for anomaly detection.
  93
  94 Outlier Detection
  95 `````````````````
  96
  97 Outlier evaluation of test result of value <X> follows the definition
  98 from previous section:
  99
 100   ::
 101
 102   Outlier Evaluation Formula      Evaluation Result
 103   ====================================================
 104   X < (Q1 - 1.5 * IQR)            Outlier
 105   X >= (Q1 - 1.5 * IQR)           Valid (For Trending)
 106
 107 Anomaly Detection
 108 `````````````````
 109
 110 To verify compliance of test result of valid value <X> against defined
 111 trend metrics and detect anomalies, three simple evaluation formulas are
 112 used:
 113
 114   ::
 115
 116         Anomaly                                   Compliance        Evaluation
 117   Evaluation Formula                            Confidence Level      Result
 118   =============================================================================
 119   (TMM - 3 * TMSD) <= X <= (TMM + 3 * TMSD)         99.73%            Normal
 120   X < (TMM - 3 * TMSD)                              Anomaly         Regression
 121   X > (TMM + 3 * TMSD)                              Anomaly         Progression
 122
 123 TMM is used for the central trend reference point instead of TMA as it
 124 is more robust to anomalies.
 125
 126 Trend Compliance
 127 ````````````````
 128
 129 Trend compliance metrics are targeted to provide an indication of trend
 130 changes over a short-term (i.e. weekly) and a long-term (i.e.
 131 quarterly), comparing the last trend value, TMM[last], to one from week
 132 ago, TMM[last - 1week] and to the maximum of trend values over last
 133 quarter except last week, max(TMM[(last - 3mths)..(last - 1week)]),
 134 respectively. This results in following trend compliance calculations:
 135
 136   ::
 137
 138        Trend
 139   Compliance Metric     Change Formula    V(alue)      R(eference)
 140   =============================================================================================
 141   Short-Term Change     ((V - R) / R)     TMM[last]    TMM[last - 1week]
 142   Long-Term Change      ((V - R) / R)     TMM[last]    max(TMM[(last - 3mths)..(last - 1week)])
 143
 144 Trend Presentation
 145 ------------------
 146
 147 Performance Dashboard
 148 `````````````````````
 149
 150 Dashboard tables list a summary of per test-case VPP MRR performance
 151 trend and trend compliance metrics and detected number of anomalies.
 152
 153 Separate tables are generated for tested VPP worker-thread-core
 154 combinations (1t1c, 2t2c, 4t4c). Test case names are linked to
 155 respective trending graphs for ease of navigation thru the test data.
 156
 157 Trendline Graphs
 158 ````````````````
 159
 160 Trendline graphs show per test case measured MRR throughput values with
 161 associated trendlines. The graphs are constructed as follows:
 162
 163 - X-axis represents performance trend job build Id (csit-vpp-perf-mrr-
 164   daily-master-build).
 165 - Y-axis represents MRR throughput in Mpps.
 166 - Markers to indicate anomaly classification:
 167
 168   - Outlier - gray circle around MRR value point.
 169   - Regression - red circle.
 170   - Progression - green circle.
 171
 172 In addition the graphs show dynamic labels while hovering over graph
 173 data points, representing (trend job build Id, MRR value) and the actual
 174 vpp build number (b<XXX>) tested.
 175
 176
 177 Jenkins Jobs
 178 ------------
 179
 180 Performance Trending (PT)
 181 `````````````````````````
 182
 183 CSIT PT runs regular performance test jobs measuring and collecting MRR
 184 data per test case. PT is designed as follows:
 185
 186 #. PT job triggers:
 187
 188   - Periodic e.g. daily.
 189   - On-demand gerrit triggered.
 190
 191 #. Measurements and data calculations per test case:
 192
 193   - MRR Max Received Rate
 194
 195     - Measured: Unlimited tolerance of packet loss.
 196     - Send packets at link rate, count total received packets, divide
 197        by test trial period.
 198
 199 #. Archive MRR per test case.
 200 #. Archive all counters collected at MRR.
 201
 202 Performance Analysis (PA)
 203 `````````````````````````
 204
 205 CSIT PA runs performance analysis including trendline calculation, trend
 206 compliance and anomaly detection using specified trend analysis metrics
 207 over the rolling window of last <N> sets of historical measurement data.
 208 PA is defined as follows:
 209
 210 #. PA job triggers:
 211
 212   - By PT job at its completion.
 213   - On-demand gerrit triggered.
 214
 215 #. Download and parse archived historical data and the new data:
 216
 217   - Download RF output.xml files from latest PT job and compressed
 218      archived data.
 219
 220   - Parse out the data filtering test cases listed in PA specification
 221      (part of CSIT PAL specification file).
 222
 223   - Evalute new data from latest PT job against the rolling window of
 224      <N> sets of historical data for trendline calculation, anomaly
 225      detection and short-term trend compliance. And against long-term
 226      trendline metrics for long-term trend compliance.
 227
 228 #. Calculate trend metrics for the rolling window of <N> sets of
 229    historical data:
 230
 231   - Calculate quartiles Q1, Q2, Q3.
 232   - Trim outliers using IQR.
 233   - Calculate TMA and TMSD.
 234   - Calculate normal trending range per test case based on TMM and
 235      TMSD.
 236
 237 #. Evaluate new test data against trend metrics:
 238
 239   - If within the range of (TMA +/- 3*TMSD) => Result = Pass,
 240      Reason = Normal. (to be updated base on the final Jenkins code).
 241   - If below the range => Result = Fail, Reason = Regression.
 242   - If above the range => Result = Pass, Reason = Progression.
 243
 244 #. Generate and publish results
 245
 246   - Relay evaluation result to job result. (to be updated base on the
 247      final Jenkins code).
 248   - Generate a new set of trend summary dashboard and graphs.
 249   - Publish trend dashboard and graphs in html format on
 250      https://docs.fd.io/.