IETF: Update MLRsearch draft 70/33070/22
authorVratko Polak <vrpolak@cisco.com>
Mon, 12 Jul 2021 17:52:26 +0000 (19:52 +0200)
committerMaciek Konstantynowicz <mkonstan@cisco.com>
Mon, 12 Jul 2021 18:18:37 +0000 (18:18 +0000)
Change-Id: I591b76b72868697242cfbece8f569dc82128ed85
Signed-off-by: Vratko Polak <vrpolak@cisco.com>
docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-00.md [deleted file]
docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-01.md [new file with mode: 0644]
resources/libraries/python/MLRsearch/MultipleLossRatioSearch.py
resources/libraries/python/MLRsearch/PerDurationDatabase.py
resources/libraries/python/MLRsearch/WidthArithmetics.py

diff --git a/docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-00.md b/docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-00.md
deleted file mode 100644 (file)
index 05bc41f..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,556 +0,0 @@
----
-title: Multiple Loss Ratio Search for Packet Throughput (MLRsearch)
-# abbrev: MLRsearch
-docname: draft-ietf-bmwg-mlrsearch-00
-date: 2021-02-05
-
-ipr: trust200902
-area: ops
-wg: Benchmarking Working Group
-kw: Internet-Draft
-cat: info
-
-coding: us-ascii
-pi:    # can use array (if all yes) or hash here
-#  - toc
-#  - sortrefs
-#  - symrefs
-  toc: yes
-  sortrefs:   # defaults to yes
-  symrefs: yes
-
-author:
-      -
-        ins: M. Konstantynowicz
-        name: Maciek Konstantynowicz
-        org: Cisco Systems
-        role: editor
-        email: mkonstan@cisco.com
-      -
-        ins: V. Polak
-        name: Vratko Polak
-        org: Cisco Systems
-        role: editor
-        email: vrpolak@cisco.com
-
-normative:
-  RFC2544:
-  RFC8174:
-
-informative:
-  FDio-CSIT-MLRsearch:
-    target: https://docs.fd.io/csit/rls2001/report/introduction/methodology_data_plane_throughput/methodology_mlrsearch_tests.html
-    title: "FD.io CSIT Test Methodology - MLRsearch"
-    date: 2020-02
-  PyPI-MLRsearch:
-    target: https://pypi.org/project/MLRsearch/0.3.0/
-    title: "MLRsearch 0.3.0, Python Package Index"
-    date: 2020-02
-
---- abstract
-
-This document proposes changes to [RFC2544], specifically to packet
-throughput search methodology, by defining a new search algorithm
-referred to as Multiple Loss Ratio search (MLRsearch for short). Instead
-of relying on binary search with pre-set starting offered load, it
-proposes a novel approach discovering the starting point in the initial
-phase, and then searching for packet throughput based on defined packet
-loss ratio (PLR) input criteria and defined final trial duration time.
-One of the key design principles behind MLRsearch is minimizing the
-total test duration and searching for multiple packet throughput rates
-(each with a corresponding PLR) concurrently, instead of doing it
-sequentially.
-
-The main motivation behind MLRsearch is the new set of challenges and
-requirements posed by NFV (Network Function Virtualization),
-specifically software based implementations of NFV data planes. Using
-[RFC2544] in the experience of the authors yields often not repetitive
-and not replicable end results due to a large number of factors that are
-out of scope for this draft. MLRsearch aims to address this challenge
-in a simple way of getting the same result sooner, so more repetitions
-can be done to describe the replicability.
-
---- middle
-
-# Terminology
-
-* Frame size: size of an Ethernet Layer-2 frame on the wire, including
-  any VLAN tags (dot1q, dot1ad) and Ethernet FCS, but excluding Ethernet
-  preamble and inter-frame gap. Measured in bytes.
-* Packet size: same as frame size, both terms used interchangeably.
-* Device Under Test (DUT): In software networking, "device" denotes a
-  specific piece of software tasked with packet processing. Such device
-  is surrounded with other software components (such as operating system
-  kernel). It is not possible to run devices without also running the
-  other components, and hardware resources are shared between both. For
-  purposes of testing, the whole set of hardware and software components
-  is called "system under test" (SUT). As SUT is the part of the whole
-  test setup performance of which can be measured by [RFC2544] methods,
-  this document uses SUT instead of [RFC2544] DUT. Device under test
-  (DUT) can be re-introduced when analysing test results using whitebox
-  techniques, but this document sticks to blackbox testing.
-* System Under Test (SUT): System under test (SUT) is a part of the
-  whole test setup whose performance is to be benchmarked. The complete
-  test setup contains other parts, whose performance is either already
-  established, or not affecting the benchmarking result.
-* Bi-directional throughput tests: involve packets/frames flowing in
-  both transmit and receive directions over every tested interface of
-  SUT/DUT. Packet flow metrics are measured per direction, and can be
-  reported as aggregate for both directions and/or separately
-  for each measured direction. In most cases bi-directional tests
-  use the same (symmetric) load in both directions.
-* Uni-directional throughput tests: involve packets/frames flowing in
-  only one direction, i.e. either transmit or receive direction, over
-  every tested interface of SUT/DUT. Packet flow metrics are measured
-  and are reported for measured direction.
-* Packet Loss Ratio (PLR): ratio of packets received relative to packets
-  transmitted over the test trial duration, calculated using formula:
-  PLR = ( pkts_transmitted - pkts_received ) / pkts_transmitted.
-  For bi-directional throughput tests aggregate PLR is calculated based
-  on the aggregate number of packets transmitted and received.
-* Packet Throughput Rate: maximum packet offered load DUT/SUT forwards
-  within the specified Packet Loss Ratio (PLR). In many cases the rate
-  depends on the frame size processed by DUT/SUT. Hence packet
-  throughput rate MUST be quoted with specific frame size as received by
-  DUT/SUT during the measurement. For bi-directional tests, packet
-  throughput rate should be reported as aggregate for both directions.
-  Measured in packets-per-second (pps) or frames-per-second (fps),
-  equivalent metrics.
-* Bandwidth Throughput Rate: a secondary metric calculated from packet
-  throughput rate using formula: bw_rate = pkt_rate * (frame_size +
-  L1_overhead) * 8, where L1_overhead for Ethernet includes preamble (8
-  Bytes) and inter-frame gap (12 Bytes). For bi-directional tests,
-  bandwidth throughput rate should be reported as aggregate for both
-  directions. Expressed in bits-per-second (bps).
-* Non Drop Rate (NDR): maximum packet/bandwith throughput rate sustained
-  by DUT/SUT at PLR equal zero (zero packet loss) specific to tested
-  frame size(s). MUST be quoted with specific packet size as received by
-  DUT/SUT during the measurement. Packet NDR measured in
-  packets-per-second (or fps), bandwidth NDR expressed in
-  bits-per-second (bps).
-* Partial Drop Rate (PDR): maximum packet/bandwith throughput rate
-  sustained by DUT/SUT at PLR greater than zero (non-zero packet loss)
-  specific to tested frame size(s). MUST be quoted with specific packet
-  size as received by DUT/SUT during the measurement. Packet PDR
-  measured in packets-per-second (or fps), bandwidth PDR expressed in
-  bits-per-second (bps).
-* Maximum Receive Rate (MRR): packet/bandwidth rate regardless of PLR
-  sustained by DUT/SUT under specified Maximum Transmit Rate (MTR)
-  packet load offered by traffic generator. MUST be quoted with both
-  specific packet size and MTR as received by DUT/SUT during the
-  measurement. Packet MRR measured in packets-per-second (or fps),
-  bandwidth MRR expressed in bits-per-second (bps).
-* Trial: a single measurement step. See [RFC2544] section 23.
-* Trial duration: amount of time over which packets are transmitted
-  in a single measurement step.
-
-# MLRsearch Background
-
-Multiple Loss Ratio search (MLRsearch) is a packet throughput search
-algorithm suitable for deterministic systems (as opposed to
-probabilistic systems). MLRsearch discovers multiple packet throughput
-rates in a single search, with each rate associated with a distinct
-Packet Loss Ratio (PLR) criteria.
-
-For cases when multiple rates need to be found, this property makes
-MLRsearch more efficient in terms of time execution, compared to
-traditional throughput search algorithms that discover a single packet
-rate per defined search criteria (e.g. a binary search specified by
-[RFC2544]). MLRsearch reduces execution time even further by relying on
-shorter trial durations of intermediate steps, with only the final
-measurements conducted at the specified final trial duration. This
-results in the shorter overall search execution time when compared to a
-traditional binary search, while guaranteeing the same results for
-deterministic systems.
-
-In practice two rates with distinct PLRs are commonly used for packet
-throughput measurements of NFV systems: Non Drop Rate (NDR) with PLR=0
-and Partial Drop Rate (PDR) with PLR>0. The rest of this document
-describes MLRsearch for NDR and PDR. If needed, MLRsearch can be
-adapted to discover more throughput rates with different pre-defined
-PLRs.
-
-Similarly to other throughput search approaches like binary search,
-MLRsearch is effective for SUTs/DUTs with PLR curve that is continuously
-flat or increasing with growing offered load. It may not be as
-effective for SUTs/DUTs with abnormal PLR curves.
-
-MLRsearch relies on traffic generator to qualify the received packet
-stream as error-free, and invalidate the results if any disqualifying
-errors are present e.g. out-of-sequence frames.
-
-MLRsearch can be applied to both uni-directional and bi-directional
-throughput tests.
-
-For bi-directional tests, MLRsearch rates and ratios are aggregates of
-both directions, based on the following assumptions:
-
-* Traffic transmitted by traffic generator and received by SUT/DUT
-  has the same packet rate in each direction,
-  in other words the offered load is symmetric.
-* SUT/DUT packet processing capacity is the same in both directions,
-  resulting in the same packet loss under load.
-
-# MLRsearch Overview
-
-The main properties of MLRsearch:
-
-* MLRsearch is a duration aware multi-phase multi-rate search algorithm:
-  * Initial Phase determines promising starting interval for the search.
-  * Intermediate Phases progress towards defined final search criteria.
-  * Final Phase executes measurements according to the final search
-    criteria.
-  * Final search criteria are defined by following inputs:
-    * PLRs associated with NDR and PDR.
-    * Final trial duration.
-    * Measurement resolution.
-* Initial Phase:
-  * Measure MRR over initial trial duration.
-  * Measured MRR is used as an input to the first intermediate phase.
-* Multiple Intermediate Phases:
-  * Trial duration:
-    * Start with initial trial duration in the first intermediate phase.
-    * Converge geometrically towards the final trial duration.
-  * Track two values for NDR and two for PDR:
-    * The values are called lower_bound and upper_bound.
-    * Each value comes from a specific trial measurement:
-      * Most recent for that transmit rate.
-      * As such the value is associated with that measurement's duration
-        and loss.
-    * A bound can be valid or invalid:
-      * Valid lower_bound must conform with PLR search criteria.
-      * Valid upper_bound must not conform with PLR search criteria.
-      * Example of invalid NDR lower_bound is if it has been measured
-        with non-zero loss.
-      * Invalid bounds are not real boundaries for the searched value:
-        * They are needed to track interval widths.
-      * Valid bounds are real boundaries for the searched value.
-      * Each non-initial phase ends with all bounds valid.
-      * Bound can become invalid if it re-measured at a longer trial
-        duration in a sub-sequent phase.
-  * Search:
-    * Start with a large (lower_bound, upper_bound) interval width, that
-      determines measurement resolution.
-    * Geometrically converge towards the width goal of the phase.
-    * Each phase halves the previous width goal.
-      * First measurement of the next phase will be internal search
-        which always gives a valid bound and brings the width to the new goal.
-      * Only one bound then needs to be re-measured with new duration.
-  * Use of internal and external searches:
-    * External search:
-      * Measures at transmit rates outside the (lower_bound,
-        upper_bound) interval.
-      * Activated when a bound is invalid, to search for a new valid
-        bound by multiplying (for example doubling) the interval width.
-      * It is a variant of "exponential search".
-    * Internal search:
-      * A "binary search" that measures at transmit rates within the
-        (lower_bound, upper_bound) valid interval, halving the interval
-        width.
-* Final Phase:
-  * Executed with the final test trial duration, and the final width
-    goal that determines resolution of the overall search.
-* Intermediate Phases together with the Final Phase are called
-  Non-Initial Phases.
-
-The main benefits of MLRsearch vs. binary search include:
-
-* In general MLRsearch is likely to execute more trials overall, but
-  likely less trials at a set final trial duration.
-* In well behaving cases, e.g. when results do not depend on trial
-  duration, it greatly reduces (>50%) the overall duration compared to a
-  single PDR (or NDR) binary search over duration, while finding
-  multiple drop rates.
-* In all cases MLRsearch yields the same or similar results to binary
-  search.
-* Note: both binary search and MLRsearch are susceptible to reporting
-  non-repeatable results across multiple runs for very bad behaving
-  cases.
-
-Caveats:
-
-* Worst case MLRsearch can take longer than a binary search e.g. in case of
-  drastic changes in behaviour for trials at varying durations.
-
-# Sample Implementation
-
-Following is a brief description of a sample MLRsearch implementation,
-which is a simlified version of the existing implementation.
-
-## Input Parameters
-
-1. **maximum_transmit_rate** - Maximum Transmit Rate (MTR) of packets to
-   be used by external traffic generator implementing MLRsearch,
-   limited by the actual Ethernet link(s) rate, NIC model or traffic
-   generator capabilities.
-2. **minimum_transmit_rate** - minimum packet transmit rate to be used for
-   measurements. MLRsearch fails if lower transmit rate needs to be
-   used to meet search criteria.
-3. **final_trial_duration** - required trial duration for final rate
-   measurements.
-4. **initial_trial_duration** - trial duration for initial MLRsearch phase.
-5. **final_relative_width** - required measurement resolution expressed as
-   (lower_bound, upper_bound) interval width relative to upper_bound.
-6. **packet_loss_ratio** - maximum acceptable PLR search criterion for
-   PDR measurements.
-7. **number_of_intermediate_phases** - number of phases between the initial
-   phase and the final phase. Impacts the overall MLRsearch duration.
-   Less phases are required for well behaving cases, more phases
-   may be needed to reduce the overall search duration for worse behaving cases.
-
-## Initial Phase
-
-1. First trial measures at configured maximum transmit rate (MTR) and
-   discovers maximum receive rate (MRR).
-   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
-   * IN: offered_transmit_rate = maximum_transmit_rate.
-   * DO: single trial.
-   * OUT: measured loss ratio.
-   * OUT: MRR = measured receive rate.
-   If loss ratio is zero, MRR is set below MTR so that interval width is equal
-   to the width goal of the first intermediate phase.
-2. Second trial measures at MRR and discovers MRR2.
-   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
-   * IN: offered_transmit_rate = MRR.
-   * DO: single trial.
-   * OUT: measured loss ratio.
-   * OUT: MRR2 = measured receive rate.
-   If loss ratio is zero, MRR2 is set above MRR so that interval width is equal
-   to the width goal of the first intermediate phase.
-   MRR2 could end up being equal to MTR (for example if both measurements so far
-   had zero loss), which was already measured, step 3 is skipped in that case.
-3. Third trial measures at MRR2.
-   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
-   * IN: offered_transmit_rate = MRR2.
-   * DO: single trial.
-   * OUT: measured loss ratio.
-
-## Non-Initial Phases
-
-1. Main loop:
-   1. IN: trial_duration for the current phase. Set to
-      initial_trial_duration for the first intermediate phase; to
-      final_trial_duration for the final phase; or to the element of
-      interpolating geometric sequence for other intermediate phases.
-      For example with two intermediate phases, trial_duration of the
-      second intermediate phase is the geometric average of
-      initial_trial_duration and final_trial_duration.
-   2. IN: relative_width_goal for the current phase. Set to
-      final_relative_width for the final phase; doubled for each
-      preceding phase. For example with two intermediate phases, the
-      first intermediate phase uses quadruple of final_relative_width
-      and the second intermediate phase uses double of
-      final_relative_width.
-   3. IN: ndr_interval, pdr_interval from the previous main loop
-      iteration or the previous phase. If the previous phase is the
-      initial phase, both intervals are formed by a (correctly ordered)
-      pair of MRR2 and MRR. Note that the initial phase is likely
-      to create intervals with invalid bounds.
-   4. DO: According to the procedure described in point 2., either exit
-      the phase (by jumping to 1.7.), or calculate new transmit rate to
-      measure with.
-   5. DO: Perform the trial measurement at the new transmit rate and
-      trial_duration, compute its loss ratio.
-   6. DO: Update the bounds of both intervals, based on the new
-      measurement. The actual update rules are numerous, as NDR external
-      search can affect PDR interval and vice versa, but the result
-      agrees with rules of both internal and external search. For
-      example, any new measurement below an invalid lower_bound becomes
-      the new lower_bound, while the old measurement (previously acting
-      as the invalid lower_bound) becomes a new and valid upper_bound.
-      Go to next iteration (1.3.), taking the updated intervals as new
-      input.
-   7. OUT: current ndr_interval and pdr_interval. In the final phase
-      this is also considered to be the result of the whole search. For
-      other phases, the next phase loop is started with the current
-      results as an input.
-2. New transmit rate (or exit) calculation (for point 1.4.):
-   1. If there is an invalid bound then prepare for external search:
-      * IF the most recent measurement at NDR lower_bound transmit
-        rate had the loss higher than zero, then the new transmit rate
-        is NDR lower_bound decreased by two NDR interval widths.
-      * Else, IF the most recent measurement at PDR lower_bound
-        transmit rate had the loss higher than PLR, then the new
-        transmit rate is PDR lower_bound decreased by two PDR interval
-        widths.
-      * Else, IF the most recent measurement at NDR upper_bound
-        transmit rate had no loss, then the new transmit rate is NDR
-        upper_bound increased by two NDR interval widths.
-      * Else, IF the most recent measurement at PDR upper_bound
-        transmit rate had the loss lower or equal to PLR, then the new
-        transmit rate is PDR upper_bound increased by two PDR interval
-        widths.
-   2. Else, if interval width is higher than the current phase goal:
-      * IF NDR interval does not meet the current phase width
-        goal, prepare for internal search. The new transmit rate is a
-        in the middle of NDR lower_bound and NDR upper_bound.
-      * IF PDR interval does not meet the current phase width
-        goal, prepare for internal search. The new transmit rate is a
-        in the middle of PDR lower_bound and PDR upper_bound.
-   3. Else, if some bound has still only been measured at a lower
-      duration, prepare to re-measure at the current duration (and the
-      same transmit rate). The order of priorities is:
-      * NDR lower_bound,
-      * PDR lower_bound,
-      * NDR upper_bound,
-      * PDR upper_bound.
-   4. Else, do not prepare any new rate, to exit the phase.
-      This ensures that at the end of each non-initial phase
-      all intervals are valid, narrow enough, and measured
-      at current phase trial duration.
-
-# FD.io CSIT Implementation
-
-The only known working implementation of MLRsearch is in
-the open-source code running in Linux Foundation
-FD.io CSIT project [FDio-CSIT-MLRsearch] as part of
-a Continuous Integration / Continuous Development (CI/CD) framework.
-
-MLRsearch is also available as a Python package in [PyPI-MLRsearch].
-
-## Additional details
-
-This document so far has been describing a simplified version of
-MLRsearch algorithm. The full algorithm as implemented in CSIT contains
-additional logic, which makes some of the details (but not general
-ideas) above incorrect. Here is a short description of the additional
-logic as a list of principles, explaining their main differences from
-(or additions to) the simplified description, but without detailing
-their mutual interaction.
-
-1. Logarithmic transmit rate.
-   * In order to better fit the relative width goal, the interval
-     doubling and halving is done differently.
-   * For example, the middle of 2 and 8 is 4, not 5.
-2. Optimistic maximum rate.
-   * The increased rate is never higher than the maximum rate.
-   * Upper bound at that rate is always considered valid.
-3. Pessimistic minimum rate.
-   * The decreased rate is never lower than the minimum rate.
-   * If a lower bound at that rate is invalid, a phase stops refining
-     the interval further (until it gets re-measured).
-4. Conservative interval updates.
-   * Measurements above the current upper bound never update a valid upper
-     bound, even if drop ratio is low.
-   * Measurements below the current lower bound always update any lower
-     bound if drop ratio is high.
-5. Ensure sufficient interval width.
-   * Narrow intervals make external search take more time to find a
-     valid bound.
-   * If the new transmit increased or decreased rate would result in
-     width less than the current goal, increase/decrease more.
-   * This can happen if the measurement for the other interval
-     makes the current interval too narrow.
-   * Similarly, take care the measurements in the initial phase create
-     wide enough interval.
-6. Timeout for bad cases.
-   * The worst case for MLRsearch is when each phase converges to
-     intervals way different than the results of the previous phase.
-   * Rather than suffer total search time several times larger than pure
-     binary search, the implemented tests fail themselves when the
-     search takes too long (given by argument *timeout*).
-7. Pessimistic external search.
-   * Valid bound becoming invalid on re-measurement with higher duration
-     is frequently a sign of SUT behaving in non-deterministic way
-     (from blackbox point of view). If the final width interval goal
-     is too narrow compared to width of rate region where SUT
-     is non-deterministic, it is quite likely that there will be multiple
-     invalid bounds before the external search finds a valid one.
-   * In this case, external search can be sped up by increasing interval width
-     more rapidly. As only powers of two ensure the subsequent internal search
-     will not result in needlessly narrow interval, a parameter *doublings*
-     is introduced to control the pessimism of external search.
-     For example three doublings result in interval width being multiplied
-     by eight in each external search iteration.
-
-### FD.io CSIT Input Parameters
-
-1. **maximum_transmit_rate** - Typical values: 2 * 14.88 Mpps for 64B
-   10GE link rate, 2 * 18.75 Mpps for 64B 40GE NIC (specific model).
-2. **minimum_transmit_rate** - Value: 2 * 10 kpps (traffic generator
-   limitation).
-3. **final_trial_duration** - Value: 30 seconds.
-4. **initial_trial_duration** - Value: 1 second.
-5. **final_relative_width** - Value: 0.005 (0.5%).
-6. **packet_loss_ratio** - Value: 0.005 (0.5%).
-7. **number_of_intermediate_phases** - Value: 2.
-   The value has been chosen based on limited experimentation to date.
-   More experimentation needed to arrive to clearer guidelines.
-8. **timeout** - Limit for the overall search duration (for one search).
-   If MLRsearch oversteps this limit, it immediatelly declares the test failed,
-   to avoid wasting even more time on a misbehaving SUT.
-   Value: 600 (seconds).
-9. **doublings** - Number of dublings when computing new interval width
-   in external search.
-   Value: 2 (interval width is quadroupled).
-   Value of 1 is best for well-behaved SUTs, but value of 2 has been found
-   to decrease overall search time for worse-behaved SUT configurations,
-   contributing more to the overall set of different SUT configurations tested.
-
-## Example MLRsearch Run
-
-The following table shows data from a real test run in CSIT
-(using the default input values as above).
-The first column is the phase, the second is the trial measurement performed
-(aggregate bidirectional offered load in megapackets per second,
-and trial duration in seconds).
-Each of last four columns show one bound as updated after the measurement
-(duration truncated to save space).
-Loss ratio is not shown, but invalid bounds are marked with a plus sign.
-
-| Phase |   Trial    | NDR lower | NDR upper | PDR lower | PDR upper |
-| ----: | ---------: | --------: | --------: | --------: | --------: |
-| init. | 37.50 1.00 |    N/A    |  37.50 1. |    N/A    |  37.50 1. |
-| init. | 10.55 1.00 | +10.55 1. |  37.50 1. | +10.55 1. |  37.50 1. |
-| init. | 9.437 1.00 | +9.437 1. |  10.55 1. | +9.437 1. |  10.55 1. |
-| int 1 | 6.053 1.00 |  6.053 1. |  9.437 1. |  6.053 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 7.558 1.00 |  7.558 1. |  9.437 1. |  7.558 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 8.446 1.00 |  8.446 1. |  9.437 1. |  8.446 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 8.928 1.00 |  8.928 1. |  9.437 1. |  8.928 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 9.179 1.00 |  8.928 1. |  9.179 1. |  9.179 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 9.052 1.00 |  9.052 1. |  9.179 1. |  9.179 1. |  9.437 1. |
-| int 1 | 9.307 1.00 |  9.052 1. |  9.179 1. |  9.179 1. |  9.307 1. |
-| int 2 | 9.115 5.48 |  9.115 5. |  9.179 1. |  9.179 1. |  9.307 1. |
-| int 2 | 9.243 5.48 |  9.115 5. |  9.179 1. |  9.243 5. |  9.307 1. |
-| int 2 | 9.179 5.48 |  9.115 5. |  9.179 5. |  9.243 5. |  9.307 1. |
-| int 2 | 9.307 5.48 |  9.115 5. |  9.179 5. |  9.243 5. | +9.307 5. |
-| int 2 | 9.687 5.48 |  9.115 5. |  9.179 5. |  9.307 5. |  9.687 5. |
-| int 2 | 9.495 5.48 |  9.115 5. |  9.179 5. |  9.307 5. |  9.495 5. |
-| int 2 | 9.401 5.48 |  9.115 5. |  9.179 5. |  9.307 5. |  9.401 5. |
-| final | 9.147 30.0 |  9.115 5. |  9.147 30 |  9.307 5. |  9.401 5. |
-| final | 9.354 30.0 |  9.115 5. |  9.147 30 |  9.307 5. |  9.354 30 |
-| final | 9.115 30.0 | +9.115 30 |  9.147 30 |  9.307 5. |  9.354 30 |
-| final | 8.935 30.0 |  8.935 30 |  9.115 30 |  9.307 5. |  9.354 30 |
-| final | 9.025 30.0 |  9.025 30 |  9.115 30 |  9.307 5. |  9.354 30 |
-| final | 9.070 30.0 |  9.070 30 |  9.115 30 |  9.307 5. |  9.354 30 |
-| final | 9.307 30.0 |  9.070 30 |  9.115 30 |  9.307 30 |  9.354 30 |
-
-# IANA Considerations
-
-No requests of IANA.
-
-# Security Considerations
-
-Benchmarking activities as described in this memo are limited to
-technology characterization of a DUT/SUT using controlled stimuli in a
-laboratory environment, with dedicated address space and the constraints
-specified in the sections above.
-
-The benchmarking network topology will be an independent test setup and
-MUST NOT be connected to devices that may forward the test traffic into
-a production network or misroute traffic to the test management network.
-
-Further, benchmarking is performed on a "black-box" basis, relying
-solely on measurements observable external to the DUT/SUT.
-
-Special capabilities SHOULD NOT exist in the DUT/SUT specifically for
-benchmarking purposes.  Any implications for network security arising
-from the DUT/SUT SHOULD be identical in the lab and in production
-networks.
-
-# Acknowledgements
-
-Many thanks to Alec Hothan of OPNFV NFVbench project for thorough
-review and numerous useful comments and suggestions.
-
---- back
diff --git a/docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-01.md b/docs/ietf/draft-ietf-bmwg-mlrsearch-01.md
new file mode 100644 (file)
index 0000000..f904722
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,685 @@
+---
+title: Multiple Loss Ratio Search for Packet Throughput (MLRsearch)
+# abbrev: MLRsearch
+docname: draft-ietf-bmwg-mlrsearch-01
+date: 2021-07-12
+
+ipr: trust200902
+area: ops
+wg: Benchmarking Working Group
+kw: Internet-Draft
+cat: info
+
+coding: us-ascii
+pi:    # can use array (if all yes) or hash here
+#  - toc
+#  - sortrefs
+#  - symrefs
+  toc: yes
+  sortrefs:   # defaults to yes
+  symrefs: yes
+
+author:
+      -
+        ins: M. Konstantynowicz
+        name: Maciek Konstantynowicz
+        org: Cisco Systems
+        role: editor
+        email: mkonstan@cisco.com
+      -
+        ins: V. Polak
+        name: Vratko Polak
+        org: Cisco Systems
+        role: editor
+        email: vrpolak@cisco.com
+
+normative:
+  RFC2544:
+
+informative:
+  FDio-CSIT-MLRsearch:
+    target: https://docs.fd.io/csit/rls2101/report/introduction/methodology_data_plane_throughput/methodology_mlrsearch_tests.html
+    title: "FD.io CSIT Test Methodology - MLRsearch"
+    date: 2021-02
+  PyPI-MLRsearch:
+    target: https://pypi.org/project/MLRsearch/0.4.0/
+    title: "MLRsearch 0.4.0, Python Package Index"
+    date: 2021-04
+
+--- abstract
+
+This document proposes changes to [RFC2544], specifically to packet
+throughput search methodology, by defining a new search algorithm
+referred to as Multiple Loss Ratio search (MLRsearch for short). Instead
+of relying on binary search with pre-set starting offered load, it
+proposes a novel approach discovering the starting point in the initial
+phase, and then searching for packet throughput based on defined packet
+loss ratio (PLR) input criteria and defined final trial duration time.
+One of the key design principles behind MLRsearch is minimizing the
+total test duration and searching for multiple packet throughput rates
+(each with a corresponding PLR) concurrently, instead of doing it
+sequentially.
+
+The main motivation behind MLRsearch is the new set of challenges and
+requirements posed by NFV (Network Function Virtualization),
+specifically software based implementations of NFV data planes. Using
+[RFC2544] in the experience of the authors yields often not repetitive
+and not replicable end results due to a large number of factors that are
+out of scope for this draft. MLRsearch aims to address this challenge
+in a simple way of getting the same result sooner, so more repetitions
+can be done to describe the replicability.
+
+--- middle
+
+# Terminology
+
+* Frame size: size of an Ethernet Layer-2 frame on the wire, including
+  any VLAN tags (dot1q, dot1ad) and Ethernet FCS, but excluding Ethernet
+  preamble and inter-frame gap. Measured in bytes (octets).
+* Packet size: same as frame size, both terms used interchangeably.
+* Device Under Test (DUT): In software networking, "device" denotes a
+  specific piece of software tasked with packet processing. Such device
+  is surrounded with other software components (such as operating system
+  kernel). It is not possible to run devices without also running the
+  other components, and hardware resources are shared between both. For
+  purposes of testing, the whole set of hardware and software components
+  is called "system under test" (SUT). As SUT is the part of the whole
+  test setup performance of which can be measured by [RFC2544] methods,
+  this document uses SUT instead of [RFC2544] DUT. Device under test
+  (DUT) can be re-introduced when analysing test results using whitebox
+  techniques, but this document sticks to blackbox testing.
+* System Under Test (SUT): System under test (SUT) is a part of the
+  whole test setup whose performance is to be benchmarked. The complete
+  test setup contains other parts, whose performance is either already
+  established, or not affecting the benchmarking result.
+* Bi-directional throughput tests: involve packets/frames flowing in
+  both transmit and receive directions over every tested interface of
+  SUT/DUT. Packet flow metrics are measured per direction, and can be
+  reported as aggregate for both directions and/or separately
+  for each measured direction. In most cases bi-directional tests
+  use the same (symmetric) load in both directions.
+* Uni-directional throughput tests: involve packets/frames flowing in
+  only one direction, i.e. either transmit or receive direction, over
+  every tested interface of SUT/DUT. Packet flow metrics are measured
+  and are reported for measured direction.
+* Packet Loss Ratio (PLR): ratio of packets received relative to packets
+  transmitted over the test trial duration, calculated using formula:
+  PLR = ( pkts_transmitted - pkts_received ) / pkts_transmitted.
+  For bi-directional throughput tests aggregate PLR is calculated based
+  on the aggregate number of packets transmitted and received.
+* Effective loss ratio: A corrected value of measured packet loss ratio
+  chosen to avoid difficulties if SUT exhibits decreasing loss
+  with increasing load. Maximum of packet loss ratios measured at the same
+  duration on all loads smaller than (and including) the current one.
+* Target loss ratio: A packet loss ratio value acting as an imput for search.
+  The search is finding tight enough lower and upper bound in intended load,
+  so that the lower bound has smaller or equal loss ratio, and upper bound
+  has strictly larger loss ratio. For the tighterst upper bound,
+  the effective loss ratio is the same as packet loss ratio.
+  For the tightest lower bound, the effective loss ratio can be higher
+  than the packet loss ratio, but still not larger than the target loss ratio.
+* Packet Throughput Rate: maximum packet offered load DUT/SUT forwards
+  within the specified Packet Loss Ratio (PLR). In many cases the rate
+  depends on the frame size processed by DUT/SUT. Hence packet
+  throughput rate MUST be quoted with specific frame size as received by
+  DUT/SUT during the measurement. For bi-directional tests, packet
+  throughput rate should be reported as aggregate for both directions.
+  Measured in packets-per-second (pps) or frames-per-second (fps),
+  equivalent metrics.
+* Bandwidth Throughput Rate: a secondary metric calculated from packet
+  throughput rate using formula: bw_rate = pkt_rate * (frame_size +
+  L1_overhead) * 8, where L1_overhead for Ethernet includes preamble (8
+  octets) and inter-frame gap (12 octets). For bi-directional tests,
+  bandwidth throughput rate should be reported as aggregate for both
+  directions. Expressed in bits-per-second (bps).
+* Non Drop Rate (NDR): maximum packet/bandwith throughput rate sustained
+  by DUT/SUT at PLR equal zero (zero packet loss) specific to tested
+  frame size(s). MUST be quoted with specific packet size as received by
+  DUT/SUT during the measurement. Packet NDR measured in
+  packets-per-second (or fps), bandwidth NDR expressed in
+  bits-per-second (bps).
+* Partial Drop Rate (PDR): maximum packet/bandwith throughput rate
+  sustained by DUT/SUT at PLR greater than zero (non-zero packet loss)
+  specific to tested frame size(s). MUST be quoted with specific packet
+  size as received by DUT/SUT during the measurement. Packet PDR
+  measured in packets-per-second (or fps), bandwidth PDR expressed in
+  bits-per-second (bps).
+* Maximum Receive Rate (MRR): packet/bandwidth rate regardless of PLR
+  sustained by DUT/SUT under specified Maximum Transmit Rate (MTR)
+  packet load offered by traffic generator. MUST be quoted with both
+  specific packet size and MTR as received by DUT/SUT during the
+  measurement. Packet MRR measured in packets-per-second (or fps),
+  bandwidth MRR expressed in bits-per-second (bps).
+* Trial: a single measurement step. See [RFC2544] section 23.
+* Trial duration: amount of time over which packets are transmitted
+  in a single measurement step.
+
+# MLRsearch Background
+
+Multiple Loss Ratio search (MLRsearch) is a packet throughput search
+algorithm suitable for deterministic systems (as opposed to
+probabilistic systems). MLRsearch discovers multiple packet throughput
+rates in a single search, each rate is associated with a distinct
+Packet Loss Ratio (PLR) criterion.
+
+For cases when multiple rates need to be found, this property makes
+MLRsearch more efficient in terms of time execution, compared to
+traditional throughput search algorithms that discover a single packet
+rate per defined search criteria (e.g. a binary search specified by
+[RFC2544]). MLRsearch reduces execution time even further by relying on
+shorter trial durations of intermediate steps, with only the final
+measurements conducted at the specified final trial duration. This
+results in the shorter overall search execution time when compared to a
+traditional binary search, while guaranteeing the same results for
+deterministic systems.
+
+In practice two rates with distinct PLRs are commonly used for packet
+throughput measurements of NFV systems: Non Drop Rate (NDR) with PLR=0
+and Partial Drop Rate (PDR) with PLR>0. The rest of this document
+describes MLRsearch with NDR and PDR pair as an example.
+
+Similarly to other throughput search approaches like binary search,
+MLRsearch is effective for SUTs/DUTs with PLR curve that is
+non-decreasing with growing offered load. It may not be as
+effective for SUTs/DUTs with abnormal PLR curves, although
+it will always converge to some value.
+
+MLRsearch relies on traffic generator to qualify the received packet
+stream as error-free, and invalidate the results if any disqualifying
+errors are present e.g. out-of-sequence frames.
+
+MLRsearch can be applied to both uni-directional and bi-directional
+throughput tests.
+
+For bi-directional tests, MLRsearch rates and ratios are aggregates of
+both directions, based on the following assumptions:
+
+* Traffic transmitted by traffic generator and received by SUT/DUT
+  has the same packet rate in each direction,
+  in other words the offered load is symmetric.
+* SUT/DUT packet processing capacity is the same in both directions,
+  resulting in the same packet loss under load.
+
+MLRsearch can be applied even without those assumptions,
+but in that case the aggregate loss ratio is less useful as a metric.
+
+MLRsearch can be used for network transactions consisting of more than
+just one packet, or anything else that has intended load as input
+and loss ratio as output (duration as input is optional).
+This text uses mostly packet-centric language.
+
+# MLRsearch Overview
+
+The main properties of MLRsearch:
+
+* MLRsearch is a duration aware multi-phase multi-rate search algorithm:
+  * Initial Phase determines promising starting interval for the search.
+  * Intermediate Phases progress towards defined final search criteria.
+  * Final Phase executes measurements according to the final search
+    criteria.
+  * Final search criteria are defined by following inputs:
+    * Target PLRs (e.g. 0.0 and 0.005 when searching for NDR and PDR).
+    * Final trial duration.
+    * Measurement resolution.
+* Initial Phase:
+  * Measure MRR over initial trial duration.
+  * Measured MRR is used as an input to the first intermediate phase.
+* Multiple Intermediate Phases:
+  * Trial duration:
+    * Start with initial trial duration in the first intermediate phase.
+    * Converge geometrically towards the final trial duration.
+  * Track all previous trial measurement results:
+    * Duration, offered load and loss ratio are tracked.
+    * Effective loss ratios are tracked.
+      * While in practice, real loss ratios can decrease with increasing load,
+        effective loss ratios never decrease. This is achieved by sorting
+        results by load, and using the effective loss ratio of the previous load
+        if the current loss ratio is smaller than that.
+    * The algorithm queries the results to find best lower and upper bounds.
+      * Effective loss ratios are always used.
+    * The phase ends if all target loss ratios have tight enough bounds.
+  * Search:
+    * Iterate over target loss ratios in increasing order.
+    * If both upper and lower bound are in measurement results for this duration,
+      apply bisect until the bounds are tight enough,
+      and continue with next loss ratio.
+    * If a bound is missing for this duration, but there exists a bound
+      from the previous duration (compatible with the other bound
+      at this duration), re-measure at the current duration.
+    * If a bound in one direction (upper or lower) is missing for this duration,
+      and the previous duration does not have a compatible bound,
+      compute the current "interval size" from the second tightest bound
+      in the other direction (lower or upper respectively)
+      for the current duration, and choose next offered load for external search.
+    * The logic guarantees that a measurement is never repeated with both
+      duration and offered load being the same.
+    * The logic guarantees that measurements for higher target loss ratio
+      iterations (still within the same phase duration) do not affect validity
+      and tightness of bounds for previous target loss ratio iterations
+      (at the same duration).
+  * Use of internal and external searches:
+    * External search:
+      * It is a variant of "exponential search".
+      * The "interval size" is multiplied by a configurable constant
+        (powers of two work well with the subsequent internal search).
+    * Internal search:
+      * A variant of binary search that measures at offered load between
+        the previously found bounds.
+      * The interval does not need to be split into exact halves,
+        if other split can get to the target width goal faster.
+        * The idea is to avoid returning interval narrower than the current
+          width goal. See sample implementation details, below.
+* Final Phase:
+  * Executed with the final test trial duration, and the final width
+    goal that determines resolution of the overall search.
+* Intermediate Phases together with the Final Phase are called
+  Non-Initial Phases.
+* The returned bounds stay within prescribed min_rate and max_rate.
+  * When returning min_rate or max_rate, the returned bounds may be invalid.
+    * E.g. upper bound at max_rate may come from a measurement
+      with loss ratio still not higher than the target loss ratio.
+
+The main benefits of MLRsearch vs. binary search include:
+
+* In general MLRsearch is likely to execute more trials overall, but
+  likely less trials at a set final trial duration.
+* In well behaving cases, e.g. when results do not depend on trial
+  duration, it greatly reduces (>50%) the overall duration compared to a
+  single PDR (or NDR) binary search over duration, while finding
+  multiple drop rates.
+* In all cases MLRsearch yields the same or similar results to binary
+  search.
+* Note: both binary search and MLRsearch are susceptible to reporting
+  non-repeatable results across multiple runs for very bad behaving
+  cases.
+
+Caveats:
+
+* Worst case MLRsearch can take longer than a binary search, e.g. in case of
+  drastic changes in behaviour for trials at varying durations.
+  * Re-measurement at higher duration can trigger a long external search.
+    That never happens in binary search, which uses the final duration
+    from the start.
+
+# Sample Implementation
+
+Following is a brief description of a sample MLRsearch implementation,
+which is a simplified version of the existing implementation.
+
+## Input Parameters
+
+1. **max_rate** - Maximum Transmit Rate (MTR) of packets to
+   be used by external traffic generator implementing MLRsearch,
+   limited by the actual Ethernet link(s) rate, NIC model or traffic
+   generator capabilities.
+2. **min_rate** - minimum packet transmit rate to be used for
+   measurements. MLRsearch fails if lower transmit rate needs to be
+   used to meet search criteria.
+3. **final_trial_duration** - required trial duration for final rate
+   measurements.
+4. **initial_trial_duration** - trial duration for initial MLRsearch phase.
+5. **final_relative_width** - required measurement resolution expressed as
+   (lower_bound, upper_bound) interval width relative to upper_bound.
+6. **packet_loss_ratios** - list of maximum acceptable PLR search criteria.
+7. **number_of_intermediate_phases** - number of phases between the initial
+   phase and the final phase. Impacts the overall MLRsearch duration.
+   Less phases are required for well behaving cases, more phases
+   may be needed to reduce the overall search duration for worse behaving cases.
+
+## Initial Phase
+
+1. First trial measures at configured maximum transmit rate (MTR) and
+   discovers maximum receive rate (MRR).
+   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
+   * IN: offered_transmit_rate = maximum_transmit_rate.
+   * DO: single trial.
+   * OUT: measured loss ratio.
+   * OUT: MRR = measured receive rate.
+   Received rate is computed as intended load multiplied by pass ratio
+   (which is one minus loss ratio). This is useful when loss ratio is computed
+   from a different metric than intended load. For example, intended load
+   can be in transactions (multiple packets each), but loss ratio is computed
+   on level of packets, not transactions.
+
+   * Example: If MTR is 10 transactions per second, and each transaction has
+     10 packets, and receive rate is 90 packets per second, then loss rate
+     is 10%, and MRR is computed to be 9 transactions per second.
+
+   If MRR is too close to MTR, MRR is set below MTR so that interval width
+   is equal to the width goal of the first intermediate phase.
+   If MRR is less than min_rate, min_rate is used.
+2. Second trial measures at MRR and discovers MRR2.
+   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
+   * IN: offered_transmit_rate = MRR.
+   * DO: single trial.
+   * OUT: measured loss ratio.
+   * OUT: MRR2 = measured receive rate.
+   If MRR2 is less than min_rate, min_rate is used.
+   If loss ratio is less or equal to the smallest target loss ratio,
+   MRR2 is set to a value above MRR, so that interval width is equal
+   to the width goal of the first intermediate phase.
+   MRR2 could end up being equal to MTR (for example if both measurements so far
+   had zero loss), which was already measured, step 3 is skipped in that case.
+3. Third trial measures at MRR2.
+   * IN: trial_duration = initial_trial_duration.
+   * IN: offered_transmit_rate = MRR2.
+   * DO: single trial.
+   * OUT: measured loss ratio.
+   * OUT: MRR3 = measured receive rate.
+   If MRR3 is less than min_rate, min_rate is used.
+   If step 3 is not skipped, the first trial measurement is forgotten.
+   This is done because in practice (if MRR2 is above MRR), external search
+   from MRR and MRR2 is likely to lead to a faster intermediate phase
+   than a bisect between MRR2 and MTR.
+
+## Non-Initial Phases
+
+1. Main phase loop:
+   1. IN: trial_duration for the current phase. Set to
+      initial_trial_duration for the first intermediate phase; to
+      final_trial_duration for the final phase; or to the element of
+      interpolating geometric sequence for other intermediate phases.
+      For example with two intermediate phases, trial_duration of the
+      second intermediate phase is the geometric average of
+      initial_trial_duration and final_trial_duration.
+   2. IN: relative_width_goal for the current phase. Set to
+      final_relative_width for the final phase; doubled for each
+      preceding phase. For example with two intermediate phases, the
+      first intermediate phase uses quadruple of final_relative_width
+      and the second intermediate phase uses double of
+      final_relative_width.
+   3. IN: Measurement results from the previous phase (previous duration).
+   4. Internal target ratio loop:
+      1. IN: Target loss ratio for this iteration of ratio loop.
+      2. IN: Measurement results from all previous ratio loop iterations
+         of current phase (current duration).
+      3. DO: According to the procedure described in point 2:
+         1. either exit the phase (by jumping to 1.5),
+         2. or exit loop iteration (by continuing with next target loss ratio,
+            jumping to 1.4.1),
+         3. or calculate new transmit rate to measure with.
+      4. DO: Perform the trial measurement at the new transmit rate and
+         current trial duration, compute its loss ratio.
+      5. DO: Add the result and go to next iteration (1.4.1),
+         including the added trial result in 1.4.2.
+   5. OUT: Measurement results from this phase.
+   6. OUT: In the final phase, bounds for each target loss ratio
+      are extracted and returned.
+      1. If a valid bound does not exist, use min_rate or max_rate.
+2. New transmit rate (or exit) calculation (for point 1.4.3):
+   1. If the previous duration has the best upper and lower bound,
+      select the middle point as the new transmit rate.
+      1. See 2.5.3. below for the exact splitting logic.
+      2. This can be a no-op if interval is narrow enough already,
+         in that case continue with 2.2.
+      3. Discussion, assuming the middle point is selected and measured:
+         1. Regardless of loss rate measured, the result becomes
+            either best upper or best lower bound at current duration.
+         2. So this condition is satisfied at most once per iteration.
+         3. This also explains why previous phase has double width goal:
+            1. We avoid one more bisection at previous phase.
+            2. At most one bound (per iteration) is re-measured
+               with current duration.
+            3. Each re-measurement can trigger an external search.
+            4. Such surprising external searches are the main hurdle
+               in achieving low overal search durations.
+            5. Even without 1.1, there is at most one external search
+               per phase and target loss ratio.
+            6. But without 1.1 there can be two re-measurements,
+               each coming with a risk of triggering external search.
+   2. If the previous duration has one bound best, select its transmit rate.
+      In deterministic case this is the last measurement needed this iteration.
+   3. If only upper bound exists in current duration results:
+      1. This can only happen for the smallest target loss ratio.
+      2. If the upper bound was measured at min_rate,
+         exit the whole phase early (not investigating other target loss ratios).
+      3. Select new transmit rate using external search:
+         1. For computing previous interval size, use:
+            1. second tightest bound at current duration,
+            2. or tightest bound of previous duration,
+               if compatible and giving a more narrow interval,
+            3. or target interval width if none of the above is available.
+            4. In any case increase to target interval width if smaller.
+         2. Quadruple the interval width.
+         3. Use min_rate if the new transmit rate is lower.
+   4. If only lower bound exists in current duration results:
+      1. If the lower bound was measured at max_rate,
+         exit this iteration (continue with next lowest target loss ratio).
+      2. Select new transmit rate using external search:
+         1. For computing previous interval size, use:
+            1. second tightest bound at current duration,
+            2. or tightest bound of previous duration,
+               if compatible and giving a more narrow interval,
+            3. or target interval width if none of the above is available.
+            4. In any case increase to target interval width if smaller.
+         2. Quadruple the interval width.
+         3. Use max_rate if the new transmit rate is higher.
+   5. The only remaining option is both bounds in current duration results.
+      1. This can happen in two ways, depending on how the lower bound
+         was chosen.
+         1. It could have been selected for the current loss ratio,
+            e.g. in re-measurement (2.2) or in initial bisect (2.1).
+         2. It could have been found as an upper bound for the previous smaller
+            target loss ratio, in which case it might be too low.
+         3. The algorithm does not track which one is the case,
+            as the decision logic works well regardless.
+      2. Compute "extending down" candidate transmit rate exactly as in 2.3.
+      3. Compute "bisecting" candidate transmit rate:
+         1. Compute the current interval width from the two bounds.
+         2. Express the width as a (float) multiple of the target width goal
+            for this phase.
+         3. If the multiple is not higher than one, it means the width goal
+            is met. Exit this iteration and continue with next higher
+            target loss ratio.
+         4. If the multiple is two or less, use half of that
+            for new width if the lower subinterval.
+         5. Round the multiple up to nearest even integer.
+         6. Use half of that for new width if the lower subinterval.
+         7. Example: If lower bound is 2.0 and upper bound is 5.0, and width
+            goal is 1.0, the new candidate transmit rate will be 4.0.
+            This can save a measurement when 4.0 has small loss.
+            Selecting the average (3.5) would never save a measurement,
+            giving more narrow bounds instead.
+      4. If either candidate computation want to exit the iteration,
+         do as bisecting candidate computation says.
+      5. The remaining case is both candidates wanting to measure at some rate.
+         Use the higher rate. This prefers external search down narrow enough
+         interval, competing with perfectly sized lower bisect subinterval.
+
+# FD.io CSIT Implementation
+
+The only known working implementation of MLRsearch is in
+the open-source code running in Linux Foundation
+FD.io CSIT project [FDio-CSIT-MLRsearch] as part of
+a Continuous Integration / Continuous Development (CI/CD) framework.
+
+MLRsearch is also available as a Python package in [PyPI-MLRsearch].
+
+## Additional details
+
+This document so far has been describing a simplified version of
+MLRsearch algorithm. The full algorithm as implemented in CSIT contains
+additional logic, which makes some of the details (but not general
+ideas) above incorrect. Here is a short description of the additional
+logic as a list of principles, explaining their main differences from
+(or additions to) the simplified description, but without detailing
+their mutual interaction.
+
+1. Logarithmic transmit rate.
+   * In order to better fit the relative width goal, the interval
+     doubling and halving is done differently.
+   * For example, the middle of 2 and 8 is 4, not 5.
+2. Timeout for bad cases.
+   * The worst case for MLRsearch is when each phase converges to
+     intervals way different than the results of the previous phase.
+   * Rather than suffer total search time several times larger than pure
+     binary search, the implemented tests fail themselves when the
+     search takes too long (given by argument *timeout*).
+3. Intended count.
+   * The number of packets to send during the trial should be equal to
+     the intended load multiplied by the duration.
+     * Also multiplied by a coefficient, if loss ratio is calculated
+       from a different metric.
+       * Example: If a successful transaction uses 10 packets,
+         load is given in transactions per second, byt loss ratio is calculated
+         from packets, the coefficient to get intended count of packets is 10.
+   * But in practice that does not work.
+     * It could result in a fractional number of packets,
+     * so it has to be rounded in a way traffic generator chooses,
+     * which may depend on the number of traffic flows
+       and traffic generator worker threads.
+4. Attempted count. As the real number of intended packets is not known exactly,
+   the computation uses the number of packets traffic generator reports as sent.
+   Unless overriden by the next point.
+5. Duration stretching.
+   * In some cases, traffic generator may get overloaded,
+     causing it to take significantly longer (than duration) to send all packets.
+   * The implementation uses an explicit stop,
+     * causing lower attempted count in those cases.
+   * The implementation tolerates some small difference between
+     attempted count and intended count.
+     * 10 microseconds worth of traffic is sufficient for our tests.
+   * If the difference is higher, the unsent packets are counted as lost.
+     * This forces the search to avoid the regions of high duration stretching.
+     * The final bounds describe the performance of not just SUT,
+       but of the whole system, including the traffic generator.
+6. Excess packets.
+   * In some test (e.g. using TCP flows) Traffic generator reacts to packet loss
+     by retransmission. Usually, such packet loss is already affecting loss ratio.
+     If a test also wants to treat retransmissions due to heavily delayed packets
+     also as a failure, this is once again visible as a mismatch between
+     the intended count and the attempted count.
+   * The CSIT implementation simply looks at absolute value of the difference,
+     so it offes the same small tolerance before it start marking a "loss".
+7. For result processing, we use lower bounds and ignore upper bounds.
+
+### FD.io CSIT Input Parameters
+
+1. **max_rate** - Typical values: 2 * 14.88 Mpps for 64B
+   10GE link rate, 2 * 18.75 Mpps for 64B 40GE NIC (specific model).
+2. **min_rate** - Value: 2 * 9001 pps (we reserve 9000 pps
+   for latency measurements).
+3. **final_trial_duration** - Value: 30.0 seconds.
+4. **initial_trial_duration** - Value: 1.0 second.
+5. **final_relative_width** - Value: 0.005 (0.5%).
+6. **packet_loss_ratios** - Value: 0.0, 0.005 (0.0% for NDR, 0.5% for PDR).
+7. **number_of_intermediate_phases** - Value: 2.
+   The value has been chosen based on limited experimentation to date.
+   More experimentation needed to arrive to clearer guidelines.
+8. **timeout** - Limit for the overall search duration (for one search).
+   If MLRsearch oversteps this limit, it immediatelly declares the test failed,
+   to avoid wasting even more time on a misbehaving SUT.
+   Value: 600.0 (seconds).
+9. **expansion_coefficient** - Width multiplier for external search.
+   Value: 4.0 (interval width is quadroupled).
+   Value of 2.0 is best for well-behaved SUTs, but value of 4.0 has been found
+   to decrease overall search time for worse-behaved SUT configurations,
+   contributing more to the overall set of different SUT configurations tested.
+
+
+## Example MLRsearch Run
+
+
+The following list describes a search from a real test run in CSIT
+(using the default input values as above).
+
+* Initial phase, trial duration 1.0 second.
+
+Measurement 1, intended load 18750000.0 pps (MTR),
+measured loss ratio 0.7089514628479618 (valid upper bound for both NDR and PDR).
+
+Measurement 2, intended load 5457160.071600716 pps (MRR),
+measured loss ratio 0.018650817320118702 (new tightest upper bounds).
+
+Measurement 3, intended load 5348832.933500009 pps (slightly less than MRR2
+in preparation for first intermediate phase target interval width),
+measured loss ratio 0.00964383362905351 (new tightest upper bounds).
+
+* First intermediate phase starts, trial duration still 1.0 seconds.
+
+Measurement 4, intended load 4936605.579021453 pps (no lower bound,
+performing external search downwards, for NDR),
+measured loss ratio 0.0 (valid lower bound for both NDR and PDR).
+
+Measurement 5, intended load 5138587.208637197 pps (bisecting for NDR),
+measured loss ratio 0.0 (new tightest lower bounds).
+
+Measurement 6, intended load 5242656.244044665 pps (bisecting),
+measured loss ratio 0.013523745379347257 (new tightest upper bounds).
+
+* Both intervals are narrow enough.
+* Second intermediate phase starts, trial duration 5.477225575051661 seconds.
+
+Measurement 7, intended load 5190360.904111567 pps (initial bisect for NDR),
+measured loss ratio 0.0023533920869969953 (NDR upper bound, PDR lower bound).
+
+Measurement 8, intended load 5138587.208637197 pps (re-measuring NDR lower bound),
+measured loss ratio 1.2080222912800403e-06 (new tightest NDR upper bound).
+
+* The two intervals have separate bounds from now on.
+
+Measurement 9, intended load 4936605.381062318 pps (external NDR search down),
+measured loss ratio 0.0 (new valid NDR lower bound).
+
+Measurement 10, intended load 5036583.888432355 pps (NDR bisect),
+measured loss ratio 0.0 (new tightest NDR lower bound).
+
+Measurement 11, intended load 5087329.903232804 pps (NDR bisect),
+measured loss ratio 0.0 (new tightest NDR lower bound).
+
+* NDR interval is narrow enough, PDR interval not ready yet.
+
+Measurement 12, intended load 5242656.244044665 pps (re-measuring PDR upper bound),
+measured loss ratio 0.0101174866190136 (still valid PDR upper bound).
+
+* Also PDR interval is narrow enough, with valid bounds for this duration.
+* Final phase starts, trial duration 30.0 seconds.
+
+Measurement 13, intended load 5112894.3238511775 pps (initial bisect for NDR),
+measured loss ratio 0.0 (new tightest NDR lower bound).
+
+Measurement 14, intended load 5138587.208637197 (re-measuring NDR upper bound),
+measured loss ratio 2.030389804256833e-06 (still valid PDR upper bound).
+
+* NDR interval is narrow enough, PDR interval not yet.
+
+Measurement 15, intended load 5216443.04126728 pps (initial bisect for PDR),
+measured loss ratio 0.005620871287975237 (new tightest PDR upper bound).
+
+Measurement 16, intended load 5190360.904111567 (re-measuring PDR lower bound),
+measured loss ratio 0.0027629971184465604 (still valid PDR lower bound).
+
+* PDR interval is also narrow enough.
+* Returning bounds:
+* NDR_LOWER = 5112894.3238511775 pps; NDR_UPPER = 5138587.208637197 pps;
+* PDR_LOWER = 5190360.904111567 pps; PDR_UPPER = 5216443.04126728 pps.
+
+# IANA Considerations
+
+No requests of IANA.
+
+# Security Considerations
+
+Benchmarking activities as described in this memo are limited to
+technology characterization of a DUT/SUT using controlled stimuli in a
+laboratory environment, with dedicated address space and the constraints
+specified in the sections above.
+
+The benchmarking network topology will be an independent test setup and
+MUST NOT be connected to devices that may forward the test traffic into
+a production network or misroute traffic to the test management network.
+
+Further, benchmarking is performed on a "black-box" basis, relying
+solely on measurements observable external to the DUT/SUT.
+
+Special capabilities SHOULD NOT exist in the DUT/SUT specifically for
+benchmarking purposes.Any implications for network security arising
+from the DUT/SUT SHOULD be identical in the lab and in production
+networks.
+
+# Acknowledgements
+
+Many thanks to Alec Hothan of OPNFV NFVbench project for thorough
+review and numerous useful comments and suggestions.
+
+--- back
index dd21444..0e6c8cf 100644 (file)
@@ -330,6 +330,7 @@ class MultipleLossRatioSearch:
         cur_lo1, cur_hi1, pre_lo, pre_hi, cur_lo2, cur_hi2 = bounds
         pre_lo_improves = self.improves(pre_lo, cur_lo1, cur_hi1)
         pre_hi_improves = self.improves(pre_hi, cur_lo1, cur_hi1)
         cur_lo1, cur_hi1, pre_lo, pre_hi, cur_lo2, cur_hi2 = bounds
         pre_lo_improves = self.improves(pre_lo, cur_lo1, cur_hi1)
         pre_hi_improves = self.improves(pre_hi, cur_lo1, cur_hi1)
+        # TODO: Detect also the other case for initial bisect, see below.
         if pre_lo_improves and pre_hi_improves:
             # We allowed larger width for previous phase
             # as single bisect here guarantees only one re-measurement.
         if pre_lo_improves and pre_hi_improves:
             # We allowed larger width for previous phase
             # as single bisect here guarantees only one re-measurement.
@@ -342,6 +343,10 @@ class MultipleLossRatioSearch:
             self.debug(f"Re-measuring lower bound for {ratio}, tr: {new_tr}")
             return new_tr
         if pre_hi_improves:
             self.debug(f"Re-measuring lower bound for {ratio}, tr: {new_tr}")
             return new_tr
         if pre_hi_improves:
+            # This can also happen when we did not do initial bisect
+            # for this ratio yet, but the previous duration lower bound
+            # for this ratio got already re-measured as previous duration
+            # upper bound for previous ratio.
             new_tr = pre_hi.target_tr
             self.debug(f"Re-measuring upper bound for {ratio}, tr: {new_tr}")
             return new_tr
             new_tr = pre_hi.target_tr
             self.debug(f"Re-measuring upper bound for {ratio}, tr: {new_tr}")
             return new_tr
@@ -397,7 +402,7 @@ class MultipleLossRatioSearch:
 
         If no second tightest (nor previous) upper bound is available,
         the behavior is governed by second_needed argument.
 
         If no second tightest (nor previous) upper bound is available,
         the behavior is governed by second_needed argument.
-        If true, return None, if false, start from width goal.
+        If true, return None. If false, start from width goal.
         This is useful, as if a bisect is possible,
         we want to give it a chance.
 
         This is useful, as if a bisect is possible,
         we want to give it a chance.
 
@@ -414,6 +419,9 @@ class MultipleLossRatioSearch:
         """
         state = self.state
         old_tr = cur_hi1.target_tr
         """
         state = self.state
         old_tr = cur_hi1.target_tr
+        if state.min_rate >= old_tr:
+            self.debug(u"Extend down hits min rate.")
+            return None
         next_bound = cur_hi2
         if self.improves(pre_hi, cur_hi1, cur_hi2):
             next_bound = pre_hi
         next_bound = cur_hi2
         if self.improves(pre_hi, cur_hi1, cur_hi2):
             next_bound = pre_hi
@@ -427,9 +435,6 @@ class MultipleLossRatioSearch:
             old_tr, old_width, self.expansion_coefficient
         )
         new_tr = max(new_tr, state.min_rate)
             old_tr, old_width, self.expansion_coefficient
         )
         new_tr = max(new_tr, state.min_rate)
-        if new_tr >= old_tr:
-            self.debug(u"Extend down hits max rate.")
-            return None
         return new_tr
 
     def _extend_up(self, cur_lo1, cur_lo2, pre_lo):
         return new_tr
 
     def _extend_up(self, cur_lo1, cur_lo2, pre_lo):
@@ -446,6 +451,9 @@ class MultipleLossRatioSearch:
         """
         state = self.state
         old_tr = cur_lo1.target_tr
         """
         state = self.state
         old_tr = cur_lo1.target_tr
+        if state.max_rate <= old_tr:
+            self.debug(u"Extend up hits max rate.")
+            return None
         next_bound = cur_lo2
         if self.improves(pre_lo, cur_lo2, cur_lo1):
             next_bound = pre_lo
         next_bound = cur_lo2
         if self.improves(pre_lo, cur_lo2, cur_lo1):
             next_bound = pre_lo
@@ -455,9 +463,6 @@ class MultipleLossRatioSearch:
             old_width = max(old_width, state.width_goal)
         new_tr = multiple_step_up(old_tr, old_width, self.expansion_coefficient)
         new_tr = min(new_tr, state.max_rate)
             old_width = max(old_width, state.width_goal)
         new_tr = multiple_step_up(old_tr, old_width, self.expansion_coefficient)
         new_tr = min(new_tr, state.max_rate)
-        if new_tr <= old_tr:
-            self.debug(u"Extend up hits max rate.")
-            return None
         return new_tr
 
     def _bisect(self, lower_bound, upper_bound):
         return new_tr
 
     def _bisect(self, lower_bound, upper_bound):
index b069dd9..afdf486 100644 (file)
@@ -25,7 +25,7 @@ class PerDurationDatabase:
     so the logic is quite simple.
 
     Several utility methods are added, accomplishing tasks useful for MLRsearch
     so the logic is quite simple.
 
     Several utility methods are added, accomplishing tasks useful for MLRsearch
-    (to be called by MeasurementDatabade).
+    (to be called by MeasurementDatabase).
     """
 
     def __init__(self, duration, measurements):
     """
 
     def __init__(self, duration, measurements):
@@ -61,6 +61,8 @@ class PerDurationDatabase:
         """Sort by target_tr, fail on detecting duplicate target_tr.
 
         Also set effective loss ratios.
         """Sort by target_tr, fail on detecting duplicate target_tr.
 
         Also set effective loss ratios.
+
+        :raises ValueError: If duration does not match or if TR duplicity.
         """
         measurements = self.measurements
         measurements.sort(key=lambda measurement: measurement.target_tr)
         """
         measurements = self.measurements
         measurements.sort(key=lambda measurement: measurement.target_tr)
index 81decfd..21316c5 100644 (file)
@@ -54,10 +54,12 @@ def halve_relative_width(relative_width, goal_width):
     fallback_width = 1.0 - math.sqrt(1.0 - relative_width)
     # Wig means Width In Goals.
     wig = math.log(1.0 - relative_width) / math.log(1.0 - goal_width)
     fallback_width = 1.0 - math.sqrt(1.0 - relative_width)
     # Wig means Width In Goals.
     wig = math.log(1.0 - relative_width) / math.log(1.0 - goal_width)
-    cwig = math.ceil(wig)
-    if wig <= 2.0 or cwig != math.ceil(wig * ROUNDING_CONSTANT):
+    cwig = 2.0 * math.ceil(wig / 2.0)
+    fwig = 2.0 * math.ceil(wig * ROUNDING_CONSTANT / 2.0)
+    if wig <= 2.0 or cwig != fwig:
+        # Avoid too uneven splits.
         return fallback_width
         return fallback_width
-    coefficient = cwig // 2
+    coefficient = cwig / 2
     new_width = multiply_relative_width(goal_width, coefficient)
     return new_width
 
     new_width = multiply_relative_width(goal_width, coefficient)
     return new_width