of Ethernet TraÆc
Patrik Carlsson
Karlskrona, December2003
Department of Telecommunicationsand Signal Processing
Blekinge Instituteof Technology
BlekingeInstituteofTechnology
LicentiateSeriesNo. 2003:09
ISSN1650-2140
ISBN 91-7295-031-5
Published2003
PrintedbyKaserntryckerietAB
Karlskrona2003
1932{2003
Abstract
Ethernetisoneofthemostcommonlinklayertechnologies,usedinlocalarea
networks,wirelessnetworksand wideareanetworks. There ishoweveralackof
traÆcmodelsforEthernetthatisusablein performanceanalysis.
In this thesis we describe an Ethernet traÆc model. The model aims at
matching multiple momentsofthe bitrate atseveral timescales. Tomatchthe
model parameters to measured traÆc, four methods havebeen developed and
tested on real traÆc traces. Once a model has been created, it can be used
directlyin a uid owperformanceanalysis.
Ourresultsshowthat, asthenumberofsourcespresentonanEthernetlink
grows,themodelbecomesbetterandlesscomplex.
Keywords
EthernetTraÆcModel,Multi-Timescale,Multifractal,BitRate,Moments,Fluid
FlowAnalysis,ModelMatching,Measurement.
Acknowledgments
First of all I would like to thank Professor Arne A. Nilsson, for accepting
me as aPhD student. I would also like to thank Dr.-Ing. Markus Fiedlerfor
plantingtheseedthat inspiredmeto startthisjourney. DocentA. Popescufor
the discussions that wehad, and my colleagues at the University during these
years. Withoutyouthejourneywouldnothavebeenthesame.
I wouldalsoliketothankmyfamily,withoutyoursupportIwouldnothave
madeit.
Patrik Carlsson
Karlskrona, November2003
Abstract vii
Acknowledgments ix
1 Introduction 1
1.1 IEEE802.3{Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 RecentFeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.3 ComputersandEthernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 TraÆcMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 ActiveMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 PassiveMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3 TimestampAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.4 EthernetMeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 TraÆcModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1 GeneticAlgorithms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2 SimulatedAnnealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3 ComparisonofGAandSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 TheNextStep{FluidFlowAnalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 State of the art 23 2.1 BellcoreTraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Network Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 TraÆcModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Measurements and MomentEstimation 29
3.1 Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
MeasurementPoint. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 BitrateEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.1 FractionalBits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 TimestampAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 MomentEstimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Truncation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Normalization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Process Description 39 4.1 Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2 Sub-processAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 MomentAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.2 NumericalProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 TheProcess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.1 Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.3 Gradient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5 Process MatchingMethods 53 5.1 ManualMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 GeneticAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.1 FitnessFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.2 BoundaryValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2.3 Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 SimulatedAnnealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.1 CostFunction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.2 BoundaryValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.3 Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 HeuristicMethod1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5 HeuristicMethod2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.6 Matchingin Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6.1 NumberofTimescales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6.2 NumberofSub-Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.6.4 MatchingProblems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Resultsand Discussions 75 6.1 BellcoreTraces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.2 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 InternetAccessLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2.2 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3 ADSLLink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3.2 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4 DiscussionofMeasurementEquipment . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.5 ObservationonMeasuredtraces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.6 DiscussiononMatchingMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7 Conclusions and Outlook 105 A KroneckerAlgebra and MatrixConstruction 107 B Derivation of Momentsand their limits 109 B.1 FirstMomentAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
B.2 SecondMomentAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
B.3 ThirdMomentAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Bibliography 123
1.1 LANcomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Exampleofanactivemeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Threewaysto attachapacketmonitor . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 10/100Base-Twiretap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Comparisionoftimestampaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Constraintsonamodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 GATerminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Fluid owfunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 CDFframesizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 CDFinterarrivaltimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1 Filestructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Captureheaderstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Measuementpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 Bitrateestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.5 Fractionalbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.6 Timestampinaccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.7 Exampleofmeasurementerror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8 Estimationofbitrates atdi erenttimescales. . . . . . . . . . . . . 36
4.1 Statediagramfora2-stateMMRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Exampleofoutputfromasub-process. . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3 Sub-processwithsub-process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Sub-processwithoutnumericalproblems . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Sub-processwith xedoutputratesandvaryingtransitionrates. . 46
4.6 Sub-processwith xedtransitionratesandvaryingoutputrates. . 47
4.7 Sub-processwithasymmetricaltransitionrates. . . . . . . . . . . . 48
4.8 Processbasedonthreesub-processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.9 Exampleofathree slopeprocess. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 Arti cialprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2 Fitnessfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3 GAmatchingexample,arti caldata, defaultbounds . . . . . . . . 59
5.4 GAmatchingexample,arti caldata, tightbounds . . . . . . . . . 61
5.5 SAmatching example,arti caldata,defaultbounds . . . . . . . . 63
5.6 SAmatching example,arti caldata,tightbounds . . . . . . . . . 65
5.7 HM1matchingexample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.8 HM2matchingexample. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.1 BellcorepOCt89 rstthreemoments. . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2 BellcoreOCt89Ext4 rstthreemoments . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3 BCpOct89model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 BCOct89Ext4model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.5 MeasurementsetupfortheIALscenario . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.6 IAL-1-IN rstthreemoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.7 IAL-1-NI rstthreemoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.8 IAL-1-INmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.9 IAL-1-NImodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.10 MeasurementsetupfortheADSLscenario. . . . . . . . . . . . . . 90
6.11 ADSL8RM rstthreemoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.12 ADSL8MR rstthreemoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.13 ADSL8RMmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.14 ADSL8MRmodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.15 Comparisionbetweentimestampaccuracies . . . . . . . . . . . . . 98
6.16 BetterBCpOct89model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
6.17 BetterIAL-1-NImodel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
B.1 Statediagramfora2-stateMarkovModulatedRateProcess. . . .109
