C-Docs: New structure
[csit.git] / docs / report / introduction / methodology_data_plane_throughput / methodology_plrsearch.rst
diff --git a/docs/report/introduction/methodology_data_plane_throughput/methodology_plrsearch.rst b/docs/report/introduction/methodology_data_plane_throughput/methodology_plrsearch.rst
deleted file mode 100644 (file)
index a128674..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,429 +0,0 @@
-.. _plrsearch:
-
-PLRsearch
-^^^^^^^^^
-
-Motivation for PLRsearch
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
-Network providers are interested in throughput a system can sustain.
-
-`RFC 2544`_ assumes loss ratio is given by a deterministic function of
-offered load. But NFV software systems are not deterministic enough.
-This makes deterministic algorithms (such as `binary search`_ per RFC 2544
-and MLRsearch with single trial) to return results,
-which when repeated show relatively high standard deviation,
-thus making it harder to tell what "the throughput" actually is.
-
-We need another algorithm, which takes this indeterminism into account.
-
-Generic Algorithm
-~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
-Detailed description of the PLRsearch algorithm is included in the IETF
-draft `draft-vpolak-bmwg-plrsearch-02`_ that is in the process
-of being standardized in the IETF Benchmarking Methodology Working Group (BMWG).
-
-Terms
-`````
-
-The rest of this page assumes the reader is familiar with the following terms
-defined in the IETF draft:
-
-+ Trial Order Independent System
-+ Duration Independent System
-+ Target Loss Ratio
-+ Critical Load
-+ Offered Load regions
-
-  + Zero Loss Region
-  + Non-Deterministic Region
-  + Guaranteed Loss Region
-
-+ Fitting Function
-
-  + Stretch Function
-  + Erf Function
-
-+ Bayesian Inference
-
-  + Prior distribution
-  + Posterior Distribution
-
-+ Numeric Integration
-
-  + Monte Carlo
-  + Importance Sampling
-
-FD.io CSIT Implementation Specifics
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
-The search receives min_rate and max_rate values, to avoid measurements
-at offered loads not supporeted by the traffic generator.
-
-The implemented tests cases use bidirectional traffic.
-The algorithm stores each rate as bidirectional rate (internally,
-the algorithm is agnostic to flows and directions,
-it only cares about aggregate counts of packets sent and packets lost),
-but debug output from traffic generator lists unidirectional values.
-
-Measurement Delay
-`````````````````
-
-In a sample implemenation in FD.io CSIT project, there is roughly 0.5
-second delay between trials due to restrictons imposed by packet traffic
-generator in use (T-Rex).
-
-As measurements results come in, posterior distribution computation takes
-more time (per sample), although there is a considerable constant part
-(mostly for inverting the fitting functions).
-
-Also, the integrator needs a fair amount of samples to reach the region
-the posterior distribution is concentrated at.
-
-And of course, the speed of the integrator depends on computing power
-of the CPU the algorithm is able to use.
-
-All those timing related effects are addressed by arithmetically increasing
-trial durations with configurable coefficients
-(currently 5.1 seconds for the first trial,
-each subsequent trial being 0.1 second longer).
-
-Rounding Errors and Underflows
-``````````````````````````````
-
-In order to avoid them, the current implementation tracks natural logarithm
-(instead of the original quantity) for any quantity which is never negative.
-Logarithm of zero is minus infinity (not supported by Python),
-so special value "None" is used instead.
-Specific functions for frequent operations (such as "logarithm
-of sum of exponentials") are defined to handle None correctly.
-
-Fitting Functions
-`````````````````
-
-Current implementation uses two fitting functions, called "stretch" and "erf".
-In general, their estimates for critical rate differ,
-which adds a simple source of systematic error,
-on top of randomness error reported by integrator.
-Otherwise the reported stdev of critical rate estimate
-is unrealistically low.
-
-Both functions are not only increasing, but also convex
-(meaning the rate of increase is also increasing).
-
-Both fitting functions have several mathematically equivalent formulas,
-each can lead to an arithmetic overflow or underflow in different sub-terms.
-Overflows can be eliminated by using different exact formulas
-for different argument ranges.
-Underflows can be avoided by using approximate formulas
-in affected argument ranges, such ranges have their own formulas to compute.
-At the end, both fitting function implementations
-contain multiple "if" branches, discontinuities are a possibility
-at range boundaries.
-
-Prior Distributions
-```````````````````
-
-The numeric integrator expects all the parameters to be distributed
-(independently and) uniformly on an interval (-1, 1).
-
-As both "mrr" and "spread" parameters are positive and not dimensionless,
-a transformation is needed. Dimentionality is inherited from max_rate value.
-
-The "mrr" parameter follows a `Lomax distribution`_
-with alpha equal to one, but shifted so that mrr is always greater than 1
-packet per second.
-
-The "stretch" parameter is generated simply as the "mrr" value
-raised to a random power between zero and one;
-thus it follows a `reciprocal distribution`_.
-
-Integrator
-``````````
-
-After few measurements, the posterior distribution of fitting function
-arguments gets quite concentrated into a small area.
-The integrator is using `Monte Carlo`_ with `importance sampling`_
-where the biased distribution is `bivariate Gaussian`_ distribution,
-with deliberately larger variance.
-If the generated sample falls outside (-1, 1) interval,
-another sample is generated.
-
-The center and the covariance matrix for the biased distribution
-is based on the first and second moments of samples seen so far
-(within the computation). The center is used directly,
-covariance matrix is scaled up by a heurictic constant (8.0 by default).
-The following additional features are applied
-designed to avoid hyper-focused distributions.
-
-Each computation starts with the biased distribution inherited
-from the previous computation (zero point and unit covariance matrix
-is used in the first computation), but the overal weight of the data
-is set to the weight of the first sample of the computation.
-Also, the center is set to the first sample point.
-When additional samples come, their weight (including the importance correction)
-is compared to sum of the weights of data seen so far (within the iteration).
-If the new sample is more than one e-fold more impactful, both weight values
-(for data so far and for the new sample) are set to (geometric) average
-of the two weights.
-
-This combination showed the best behavior, as the integrator usually follows
-two phases. First phase (where inherited biased distribution
-or single big sample are dominating) is mainly important
-for locating the new area the posterior distribution is concentrated at.
-The second phase (dominated by whole sample population)
-is actually relevant for the critical rate estimation.
-
-Offered Load Selection
-``````````````````````
-
-First two measurements are hardcoded to happen at the middle of rate interval
-and at max_rate. Next two measurements follow MRR-like logic,
-offered load is decreased so that it would reach target loss ratio
-if offered load decrease lead to equal decrease of loss rate.
-
-The rest of measurements start directly in between
-erf and stretch estimate average.
-There is one workaround implemented, aimed at reducing the number of consequent
-zero loss measurements (per fitting function). The workaround first stores
-every measurement result which loss ratio was the targed loss ratio or higher.
-Sorted list (called lossy loads) of such results is maintained.
-
-When a sequence of one or more zero loss measurement results is encountered,
-a smallest of lossy loads is drained from the list.
-If the estimate average is smaller than the drained value,
-a weighted average of this estimate and the drained value is used
-as the next offered load. The weight of the estimate decreases exponentially
-with the length of consecutive zero loss results.
-
-This behavior helps the algorithm with convergence speed,
-as it does not need so many zero loss result to get near critical region.
-Using the smallest (not drained yet) of lossy loads makes it sure
-the new offered load is unlikely to result in big loss region.
-Draining even if the estimate is large enough helps to discard
-early measurements when loss hapened at too low offered load.
-Current implementation adds 4 copies of lossy loads and drains 3 of them,
-which leads to fairly stable behavior even for somewhat inconsistent SUTs.
-
-Caveats
-```````
-
-As high loss count measurements add many bits of information,
-they need a large amount of small loss count measurements to balance them,
-making the algorithm converge quite slowly. Typically, this happens
-when few initial measurements suggest spread way bigger then later measurements.
-The workaround in offered load selection helps,
-but more intelligent workarounds could get faster convergence still.
-
-Some systems evidently do not follow the assumption of repeated measurements
-having the same average loss rate (when the offered load is the same).
-The idea of estimating the trend is not implemented at all,
-as the observed trends have varied characteristics.
-
-Probably, using a more realistic fitting functions
-will give better estimates than trend analysis.
-
-Bottom Line
-~~~~~~~~~~~
-
-The notion of Throughput is easy to grasp, but it is harder to measure
-with any accuracy for non-deterministic systems.
-
-Even though the notion of critical rate is harder to grasp than the notion
-of throughput, it is easier to measure using probabilistic methods.
-
-In testing, the difference between througput measurements and critical
-rate measurements is usually small, see :ref:`soak vs ndr comparison`.
-
-In pactice, rules of thumb such as "send at max 95% of purported throughput"
-are common. The correct benchmarking analysis should ask "Which notion is
-95% of throughput an approximation to?" before attempting to answer
-"Is 95% of critical rate safe enough?".
-
-Algorithmic Analysis
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
-Motivation
-``````````
-
-While the estimation computation is based on hard probability science;
-the offered load selection part of PLRsearch logic is pure heuristics,
-motivated by what would a human do based on measurement and computation results.
-
-The quality of any heuristic is not affected by soundness of its motivation,
-just by its ability to achieve the intended goals.
-In case of offered load selection, the goal is to help the search to converge
-to the long duration estimates sooner.
-
-But even those long duration estimates could still be of poor quality.
-Even though the estimate computation is Bayesian (so it is the best it could be
-within the applied assumptions), it can still of poor quality when compared
-to what a human would estimate.
-
-One possible source of poor quality is the randomnes inherently present
-in Monte Carlo numeric integration, but that can be supressed
-by tweaking the time related input parameters.
-
-The most likely source of poor quality then are the assumptions.
-Most importantly, the number and the shape of fitting functions;
-but also others, such as trial order independence and duration independence.
-
-The result can have poor quality in basically two ways.
-One way is related to location. Both upper and lower bounds
-can be overestimates or underestimates, meaning the entire estimated interval
-between lower bound and upper bound lays above or below (respectively)
-of human-estimated interval.
-The other way is related to the estimation interval width.
-The interval can be too wide or too narrow, compared to human estimation.
-
-An estimate from a particular fitting function can be classified
-as an overestimate (or underestimate) just by looking at time evolution
-(without human examining measurement results). Overestimates
-decrease by time, underestimates increase by time (assuming
-the system performance stays constant).
-
-Quality of the width of the estimation interval needs human evaluation,
-and is unrelated to both rate of narrowing (both good and bad estimate intervals
-get narrower at approximately the same relative rate) and relatative width
-(depends heavily on the system being tested).
-
-Graphical Examples
-``````````````````
-
-The following pictures show the upper (red) and lower (blue) bound,
-as well as average of Stretch (pink) and Erf (light green) estimate,
-and offered load chosen (grey), as computed by PLRsearch,
-after each trial measurement within the 30 minute duration of a test run.
-
-Both graphs are focusing on later estimates. Estimates computed from
-few initial measurements are wildly off the y-axis range shown.
-
-The following analysis will rely on frequency of zero loss measurements
-and magnitude of loss ratio if nonzero.
-
-The offered load selection strategy used implies zero loss measurements
-can be gleaned from the graph by looking at offered load points.
-When the points move up farther from lower estimate, it means
-the previous measurement had zero loss. After non-zero loss,
-the offered load starts again right between (the previous values of)
-the estimate curves.
-
-The very big loss ratio results are visible as noticeable jumps
-of both estimates downwards. Medium and small loss ratios are much harder
-to distinguish just by looking at the estimate curves,
-the analysis is based on raw loss ratio measurement results.
-
-The following descriptions should explain why the graphs seem to signal
-low quality estimate at first sight, but a more detailed look
-reveals the quality is good (considering the measurement results).
-
-L2 patch
-________
-
-Both fitting functions give similar estimates, the graph shows
-"stochasticity" of measurements (estimates increase and decrease
-within small time regions), and an overall trend of decreasing estimates.
-
-On the first look, the final interval looks fairly narrow,
-especially compared to the region the estimates have travelled
-during the search. But the look at the frequency of zero loss results shows
-this is not a case of overestimation. Measurements at around the same
-offered load have higher probability of zero loss earlier
-(when performed farther from upper bound), but smaller probability later
-(when performed closer to upper bound). That means it is the performance
-of the system under test that decreases (slightly) over time.
-
-With that in mind, the apparent narrowness of the interval
-is not a sign of low quality, just a consequence of PLRsearch assuming
-the performance stays constant.
-
-.. only:: latex
-
-    .. raw:: latex
-
-        \begin{figure}[H]
-            \centering
-                \graphicspath{{../_tmp/src/introduction/methodology_data_plane_throughput/}}
-                \includegraphics[width=0.90\textwidth]{PLR_patch}
-                \label{fig:PLR_patch}
-        \end{figure}
-
-.. only:: html
-
-    .. figure:: PLR_patch.svg
-        :alt: PLR_patch
-        :align: center
-
-Vhost
-_____
-
-This test case shows what looks like a quite broad estimation interval,
-compared to other test cases with similarly looking zero loss frequencies.
-Notable features are infrequent high-loss measurement results
-causing big drops of estimates, and lack of long-term convergence.
-
-Any convergence in medium-sized intervals (during zero loss results)
-is reverted by the big loss results, as they happen quite far
-from the critical load estimates, and the two fitting functions
-extrapolate differently.
-
-In other words, human only seeing estimates from one fitting function
-would expect narrower end interval, but human seeing the measured loss ratios
-agrees that the interval should be wider than that.
-
-.. only:: latex
-
-    .. raw:: latex
-
-        \begin{figure}[H]
-            \centering
-                \graphicspath{{../_tmp/src/introduction/methodology_data_plane_throughput/}}
-                \includegraphics[width=0.90\textwidth]{PLR_vhost}
-                \label{fig:PLR_vhost}
-        \end{figure}
-
-.. only:: html
-
-    .. figure:: PLR_vhost.svg
-        :alt: PLR_vhost
-        :align: center
-
-Summary
-_______
-
-The two graphs show the behavior of PLRsearch algorithm applied to soaking test
-when some of PLRsearch assumptions do not hold:
-
-+ L2 patch measurement results violate the assumption
-  of performance not changing over time.
-+ Vhost measurement results violate the assumption
-  of Poisson distribution matching the loss counts.
-
-The reported upper and lower bounds can have distance larger or smaller
-than a first look by a human would expect, but a more closer look reveals
-the quality is good, considering the circumstances.
-
-The usefullness of the critical load estimate is of questionable value
-when the assumptions are violated.
-
-Some improvements can be made via more specific workarounds,
-for example long term limit of L2 patch performance could be estmated
-by some heuristic.
-
-Other improvements can be achieved only by asking users
-whether loss patterns matter. Is it better to have single digit losses
-distributed fairly evenly over time (as Poisson distribution would suggest),
-or is it better to have short periods of medium losses
-mixed with long periods of zero losses (as happens in Vhost test)
-with the same overall loss ratio?
-
-.. _draft-vpolak-bmwg-plrsearch-02: https://tools.ietf.org/html/draft-vpolak-bmwg-plrsearch-02
-.. _plrsearch draft: https://tools.ietf.org/html/draft-vpolak-bmwg-plrsearch-00
-.. _RFC 2544: https://tools.ietf.org/html/rfc2544
-.. _Lomax distribution: https://en.wikipedia.org/wiki/Lomax_distribution
-.. _reciprocal distribution: https://en.wikipedia.org/wiki/Reciprocal_distribution
-.. _Monte Carlo: https://en.wikipedia.org/wiki/Monte_Carlo_integration
-.. _importance sampling: https://en.wikipedia.org/wiki/Importance_sampling
-.. _bivariate Gaussian: https://en.wikipedia.org/wiki/Multivariate_normal_distribution
-.. _binary search: https://en.wikipedia.org/wiki/Binary_search_algorithm