FIX: Report - plots
[csit.git] / docs / report / vpp_performance_tests / documentation / mlr_search.rst
1 .. _mlrsearch_algorithm:
2
3 MLRsearch Algorithm
4 ===================
5
6 Multiple Loss Rate search (MLRsearch) is a new search algorithm
7 implemented in FD.io CSIT project. MLRsearch discovers multiple packet
8 throughput rates in a single search, with each rate associated with a
9 distinct Packet Loss Ratio (PLR) criteria.
10
11 Two throughput measurements used in FD.io CSIT are Non-Drop Rate (NDR,
12 with zero packet loss, PLR=0) and Partial Drop Rate (PDR, with packet
13 loss rate not greater than the configured non-zero PLR). MLRsearch
14 discovers NDR and PDR in a single pass reducing required execution time
15 compared to separate binary searches for NDR and PDR. MLRsearch reduces
16 execution time even further by relying on shorter trial durations
17 of intermediate steps, with only the final measurements
18 conducted at the specified final trial duration.
19 This results in the shorter overall search
20 execution time when compared to a standard NDR/PDR binary search,
21 while guaranteeing the same or similar results.
22
23 If needed, MLRsearch can be easily adopted to discover more throughput rates
24 with different pre-defined PLRs.
25
26 .. Note:: All throughput rates are *always* bi-directional
27    aggregates of two equal (symmetric) uni-directional packet rates
28    received and reported by an external traffic generator.
29
30 Overview
31 ---------
32
33 The main properties of MLRsearch:
34
35 - MLRsearch is a duration aware multi-phase multi-rate search algorithm.
36
37   - Initial phase determines promising starting interval for the search.
38   - Intermediate phases progress towards defined final search criteria.
39   - Final phase executes measurements according to the final search
40     criteria.
41
42 - *Initial phase*:
43
44   - Uses link rate as a starting transmit rate and discovers the Maximum
45     Receive Rate (MRR) used as an input to the first intermediate phase.
46
47 - *Intermediate phases*:
48
49   - Start with initial trial duration (in the first phase) and converge
50     geometrically towards the final trial duration (in the final phase).
51   - Track two values for NDR and two for PDR.
52
53     - The values are called (NDR or PDR) lower_bound and upper_bound.
54     - Each value comes from a specific trial measurement
55       (most recent for that transmit rate),
56       and as such the value is associated with that measurement's duration and loss.
57     - A bound can be invalid, for example if NDR lower_bound
58       has been measured with nonzero loss.
59     - Invalid bounds are not real boundaries for the searched value,
60       but are needed to track interval widths.
61     - Valid bounds are real boundaries for the searched value.
62     - Each non-initial phase ends with all bounds valid.
63
64   - Start with a large (lower_bound, upper_bound) interval width and
65     geometrically converge towards the width goal (measurement resolution)
66     of the phase. Each phase halves the previous width goal.
67   - Use internal and external searches:
68
69     - External search - measures at transmit rates outside the (lower_bound,
70       upper_bound) interval. Activated when a bound is invalid,
71       to search for a new valid bound by doubling the interval width.
72       It is a variant of `exponential search`_.
73     - Internal search - `binary search`_, measures at transmit rates within the
74       (lower_bound, upper_bound) valid interval, halving the interval width.
75
76 - *Final phase* is executed with the final test trial duration, and the final
77   width goal that determines resolution of the overall search.
78   Intermediate phases together with the final phase are called non-initial phases.
79
80 The main benefits of MLRsearch vs. binary search include:
81
82 - In general MLRsearch is likely to execute more search trials overall, but
83   less trials at a set final duration.
84 - In well behaving cases it greatly reduces (>50%) the overall duration
85   compared to a single PDR (or NDR) binary search duration,
86   while finding multiple drop rates.
87 - In all cases MLRsearch yields the same or similar results to binary search.
88 - Note: both binary search and MLRsearch are susceptible to reporting
89   non-repeatable results across multiple runs for very bad behaving
90   cases.
91
92 Caveats:
93
94 - Worst case MLRsearch can take longer than a binary search e.g. in case of
95   drastic changes in behaviour for trials at varying durations.
96
97 Search Implementation
98 ---------------------
99
100 Following is a brief description of the current MLRsearch
101 implementation in FD.io CSIT.
102
103 Input Parameters
104 ````````````````
105
106 #. *maximum_transmit_rate* - maximum packet transmit rate to be used by
107    external traffic generator, limited by either the actual Ethernet
108    link rate or traffic generator NIC model capabilities. Sample
109    defaults: 2 * 14.88 Mpps for 64B 10GE link rate,
110    2 * 18.75 Mpps for 64B 40GE NIC maximum rate.
111 #. *minimum_transmit_rate* - minimum packet transmit rate to be used for
112    measurements. MLRsearch fails if lower transmit rate needs to be
113    used to meet search criteria. Default: 2 * 10 kpps (could be higher).
114 #. *final_trial_duration* - required trial duration for final rate
115    measurements. Default: 30 sec.
116 #. *initial_trial_duration* - trial duration for initial MLRsearch phase.
117    Default: 1 sec.
118 #. *final_relative_width* - required measurement resolution expressed as
119    (lower_bound, upper_bound) interval width relative to upper_bound.
120    Default: 0.5%.
121 #. *packet_loss_ratio* - maximum acceptable PLR search criteria for
122    PDR measurements. Default: 0.5%.
123 #. *number_of_intermediate_phases* - number of phases between the initial
124    phase and the final phase. Impacts the overall MLRsearch duration.
125    Less phases are required for well behaving cases, more phases
126    may be needed to reduce the overall search duration for worse behaving cases.
127    Default (2). (Value chosen based on limited experimentation to date.
128    More experimentation needed to arrive to clearer guidelines.)
129
130 Initial phase
131 `````````````
132
133 1. First trial measures at maximum rate and discovers MRR.
134
135    a. *in*: trial_duration = initial_trial_duration.
136    b. *in*: offered_transmit_rate = maximum_transmit_rate.
137    c. *do*: single trial.
138    d. *out*: measured loss ratio.
139    e. *out*: mrr = measured receive rate.
140
141 2. Second trial measures at MRR and discovers MRR2.
142
143    a. *in*: trial_duration = initial_trial_duration.
144    b. *in*: offered_transmit_rate = MRR.
145    c. *do*: single trial.
146    d. *out*: measured loss ratio.
147    e. *out*: mrr2 = measured receive rate.
148
149 3. Third trial measures at MRR2.
150
151    a. *in*: trial_duration = initial_trial_duration.
152    b. *in*: offered_transmit_rate = MRR2.
153    c. *do*: single trial.
154    d. *out*: measured loss ratio.
155
156 Non-initial phases
157 ``````````````````
158
159 1. Main loop:
160
161    a. *in*: trial_duration for the current phase.
162       Set to initial_trial_duration for the first intermediate phase;
163       to final_trial_duration for the final phase;
164       or to the element of interpolating geometric sequence
165       for other intermediate phases.
166       For example with two intermediate phases, trial_duration
167       of the second intermediate phase is the geometric average
168       of initial_strial_duration and final_trial_duration.
169    b. *in*: relative_width_goal for the current phase.
170       Set to final_relative_width for the final phase;
171       doubled for each preceding phase.
172       For example with two intermediate phases,
173       the first intermediate phase uses quadruple of final_relative_width
174       and the second intermediate phase uses double of final_relative_width.
175    c. *in*: ndr_interval, pdr_interval from the previous main loop iteration
176       or the previous phase.
177       If the previous phase is the initial phase, both intervals have
178       lower_bound = MRR2, uper_bound = MRR.
179       Note that the initial phase is likely to create intervals with invalid bounds.
180    d. *do*: According to the procedure described in point 2,
181       either exit the phase (by jumping to 1.g.),
182       or prepare new transmit rate to measure with.
183    e. *do*: Perform the trial measurement at the new transmit rate
184       and trial_duration, compute its loss ratio.
185    f. *do*: Update the bounds of both intervals, based on the new measurement.
186       The actual update rules are numerous, as NDR external search
187       can affect PDR interval and vice versa, but the result
188       agrees with rules of both internal and external search.
189       For example, any new measurement below an invalid lower_bound
190       becomes the new lower_bound, while the old measurement
191       (previously acting as the invalid lower_bound)
192       becomes a new and valid upper_bound.
193       Go to next iteration (1.c.), taking the updated intervals as new input.
194    g. *out*: current ndr_interval and pdr_interval.
195       In the final phase this is also considered
196       to be the result of the whole search.
197       For other phases, the next phase loop is started
198       with the current results as an input.
199
200 2. New transmit rate (or exit) calculation (for 1.d.):
201
202    - If there is an invalid bound then prepare for external search:
203
204      - *If* the most recent measurement at NDR lower_bound transmit rate
205        had the loss higher than zero, then
206        the new transmit rate is NDR lower_bound
207        decreased by two NDR interval widths.
208      - Else, *if* the most recent measurement at PDR lower_bound
209        transmit rate had the loss higher than PLR, then
210        the new transmit rate is PDR lower_bound
211        decreased by two PDR interval widths.
212      - Else, *if* the most recent measurement at NDR upper_bound
213        transmit rate had no loss, then
214        the new transmit rate is NDR upper_bound
215        increased by two NDR interval widths.
216      - Else, *if* the most recent measurement at PDR upper_bound
217        transmit rate had the loss lower or equal to PLR, then
218        the new transmit rate is PDR upper_bound
219        increased by two PDR interval widths.
220    - If interval width is higher than the current phase goal:
221
222      - Else, *if* NDR interval does not meet the current phase width goal,
223        prepare for internal search. The new transmit rate is
224        (NDR lower bound + NDR upper bound) / 2.
225      - Else, *if* PDR interval does not meet the current phase width goal,
226        prepare for internal search. The new transmit rate is
227        (PDR lower bound + PDR upper bound) / 2.
228    - Else, *if* some bound has still only been measured at a lower duration,
229      prepare to re-measure at the current duration (and the same transmit rate).
230      The order of priorities is:
231
232      - NDR lower_bound,
233      - PDR lower_bound,
234      - NDR upper_bound,
235      - PDR upper_bound.
236    - *Else*, do not prepare any new rate, to exit the phase.
237      This ensures that at the end of each non-initial phase
238      all intervals are valid, narrow enough, and measured
239      at current phase trial duration.
240
241 Implementation Deviations
242 -------------------------
243
244 This document so far has been describing a simplified version of MLRsearch algorithm.
245 The full algorithm as implemented contains additional logic,
246 which makes some of the details (but not general ideas) above incorrect.
247 Here is a short description of the additional logic as a list of principles,
248 explaining their main differences from (or additions to) the simplified description,
249 but without detailing their mutual interaction.
250
251 1. *Logarithmic transmit rate.*
252    In order to better fit the relative width goal,
253    the interval doubling and halving is done differently.
254    For example, the middle of 2 and 8 is 4, not 5.
255 2. *Optimistic maximum rate.*
256    The increased rate is never higher than the maximum rate.
257    Upper bound at that rate is always considered valid.
258 3. *Pessimistic minimum rate.*
259    The decreased rate is never lower than the minimum rate.
260    If a lower bound at that rate is invalid,
261    a phase stops refining the interval further (until it gets re-measured).
262 4. *Conservative interval updates.*
263    Measurements above current upper bound never update a valid upper bound,
264    even if drop ratio is low.
265    Measurements below current lower bound always update any lower bound
266    if drop ratio is high.
267 5. *Ensure sufficient interval width.*
268    Narrow intervals make external search take more time to find a valid bound.
269    If the new transmit increased or decreased rate would result in width
270    less than the current goal, increase/decrease more.
271    This can happen if the measurement for the other interval
272    makes the current interval too narrow.
273    Similarly, take care the measurements in the initial phase
274    create wide enough interval.
275 6. *Timeout for bad cases.*
276    The worst case for MLRsearch is when each phase converges to intervals
277    way different than the results of the previous phase.
278    Rather than suffer total search time several times larger
279    than pure binary search, the implemented tests fail themselves
280    when the search takes too long (given by argument *timeout*).
281
282 .. _binary search: https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_search
283 .. _exponential search: https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_search
284 .. _estimation of standard deviation: https://en.wikipedia.org/wiki/Unbiased_estimation_of_standard_deviation
285 .. _simplified error propagation formula: https://en.wikipedia.org/wiki/Propagation_of_uncertainty#Simplification