© 2000 Paulo Adeodato Avaliação de Desempenho de Sistemas Análise de Resultados de Simulação Paulo Adeodato Departamento de Informática Universidade Federal.

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1 © 2000 Paulo Adeodato Avaliação de Desempenho de Sistemas Análise de Resultados de Simulação Paulo Adeodato Departamento de Informática Universidade Federal de Pernambuco

2 © 2000 Paulo Adeodato Conteúdo * Introdução * Técnicas de Verificação do Modelo * Técnicas de Validação do Modelo * Remoção de Transientes * Critério de Parada: Estimativa da Variância

3 © 2000 Paulo Adeodato Introdução Passos no desenvolvimento do modelo: Verificação do Modelo: assegura que o modelo está corretamente implementado Validação do Modelo: assegura que o modelo é representativo do sistema real Remoção de Transientes: elimina observações iniciais (transitórias) para garantir que o sistema atingiu o regime estável (permanente) Critério de Parada: determina quanto deve durar a simulação

4 © 2000 Paulo Adeodato Verificação x Validação do Modelo Verificação do modelo: Depuração (debugging) do programa Atividade do programador Validação do modelo: Modelo = Mundo Real ? Atividade do modelador Resultam em quatro possibilidades: 1. Não-verificado, Inválido 2. Não-verificado, Válido 3. Verificado, Inválido 4. Verificado, Válido

5 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo Simulações são programas longos e nelas se aplicam técnicas gerais de programação: de desenvolvimento, depuração e manutenção de programas de modularidade em procedimentos e interfaces de estruturação top-down Simulações são programas que tratam de processos estocásticos que dificultam a verificação ampla e algumas restrições facilitam o processo restrições a casos determinísticos restrições às mesmas sementes para os geradores de números aleatórios

6 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-1 1. Projeto Modular Top Down 2. Medidas Antibugs 3. Varrida Estruturada 4. Modelos Determinísticos 5. Execução de Casos Simplificados 6. Trace 7. Apresentação de Gráficos On-Line 8. Teste de Continuidade 9. Testes Degenerativos 10. Testes de Consistência 11. Independência das Sementes

7 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-2 1. Projeto Modular Top Down Dividir para Conquistar: Modularidade Módulos = Subrotinas, Subprogramas, Procedimentos. Módulos têm interfaces bem definidas. Podem ser desenvolvidos, depurados e mantidos independente- mente. Projeto Top-down  estrutura hierárquica  Módulos e sub- módulos (decomposição recursiva do problema)

8 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-3 2. Medidas Antibugs: Inclusão de verificações  Probabilidades = 1 Jobs remanescentes = Gerados - Servidos Contagens de packets, nós e conexões gerados e destruídos 3. Varrida Estruturada: Explique o código a outra pessoa ou grupo de pessoas. Funciona pela simples explicação a terceiros 4. Modelos Determinísticos: Uso de valores constantes em vez de aleatórios

9 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-4 5. Execução de Casos Simplificados: restringir a simulação a casos analisáveis na teoria Apenas um pacote Apenas uma fonte Apenas um nó intermediário 6. Trace = Lista de eventos e variáveis ordenada no tempo Diversos níveis de detalhes: t Trace de eventos t Trace de procedimentos t Trace de variáveis O usuário seleciona o nível de detalhes Inclui chave de ligar e desligar

10 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-5 7. Apresentação de Gráficos On-Line Torna a simulação interessante Ajuda a vender os resultados Mais compreensível do que o trace 8. Teste de Continuidade Se baseia no fato de que pequena mudança na entrada deve produzir pequena mudança na saída (diferente de sistemas dinâmicos com bifurcação) Executar para diferentes valores de parâmetros de entrada

11 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Verificação do Modelo-6 Teste de Continuidade (continuação) AntesDepois

12 © 2000 Paulo Adeodato Outras Técnicas de Verificação do Modelo 9. Testes Degenerativos: Tente usar configurações e cargas extremas: uma CPU nenhum disco ou qualquer combinação 10. Testes de Consistência: Resultados semelhantes para entradas que têm o mesmo efeito: Quatro usuários a 10OMbps x Dois a 20OMbps. Construa uma biblioteca de testes de continuidade, degeneração e consistência 11. Independência das sementes: Resultados semelhantes para sementes diferentes

13 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Validação do Modelo-1 * Técnicas de validação: asseguram que as hipóteses do modelo são razoáveis * As técnicas para um problema podem não se aplicar a outro problema (dependem do modelo)

14 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Validação do Modelo-2 * Aspectos a serem validados: 1. Hipóteses 2. Valores dos parâmetros de entrada e distribuições 3. Valores de saída e conclusões * Técnicas: 1. Intuição do especialista 2. Medidas de um sistema real 3. Resultados teóricos  3 aspectos x 3 técnicas = 9 testes de validação

15 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Validação do Modelo-3 1. Intuição do especialista Forma mais prática e comum Especialistas = envolvidos no projeto, arquitetura, implementação, análise, marketing ou manutenção do sistema t Seleção = função do estágio do ciclo de vida do sistema t Apresentar e discutir hipóteses, entradas e saídas t Validar uma parte de cada vez ao longo do processo t Observar se os especialistas conseguem distinguir as medições reais dos resultados do modelo. Exemplo:

16 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Validação do Modelo-4 2. Medidas de um Sistema Real Comparar as hipóteses, entradas e saídas com o mundo real (utilizar as técnicas vistas na aula de comparação entre 2 sistemas) Freqüentemente é inviável ou muito caro Mesmo uma ou duas medidas contribuem para a validação (diagrama)

17 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Validação do Modelo-5 3. Resultados Teóricos Fazer Análise = Simulação sob hipóteses simplificadas em: y = ax 2 + bx + c ou y = k (x - x 1 ) (x - x 2 ) fazer: b = c = 0 ou x 1 = x 2 = 0, não a = 0 Usados tanto para validar as análises quanto as simulações Cautela: ambos podem ser inválidos (não representam o comportamento do sistema real) Usar teoria em conjunto com a intuição de um especialista ou medições de um sistema real Aplicar a teoria para uma configuração maior Um "modelo completamente validado" é um mito. Pode-se mostrar que o modelo não é inválido para algumas das situações comparadas. Tentar cobrir os casos mais importantes.

18 © 2000 Paulo Adeodato Remoção de Transientes-1 * Geralmente estamos interessados no desempenho do sistema em regime permanente * Ao iniciar a operação, o sistema passa por um regime transitório até se estabilizar. Transientes de um circuito linear de 2 a ordem (RLC) superamortecidosubamortecido

19 © 2000 Paulo Adeodato Remoção de Transientes-2 * No caso geral, não há uma definição exata do que seja o regime transitório. Assim, teremos soluções heurísticas: 1. Execuções longas 2. Inicialização apropriada 3. Truncamento 4. Descarte dos dados iniciais 5. Média móvel de replicações independentes 6. Médias de lotes (Batch)

20 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-1 1. Execuções Longas: Consiste em realizar simulações longas o suficiente para assegurarem que as condições iniciais não afetem os resultados Desperdiçam recursos É difícil assegurar que são longas o bastante 2. Inicialização Apropriada: Consiste em iniciar a simulação num estado próximo ao do regime permanente esperado Reduz o comprimento e o efeito do regime transiente. Exemplo: Considerar jobs na fila em vez de fila vazia. Partir de uma análise simples ou de simulação anteriores. Nas técnicas seguintes se supõe que a variabilidade é menor no regime permanente que no transitório.

21 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-2 3. Truncamento Plote o máx-min (range) de n - l observações para l = 1, 2,... Quando a ( l + 1 )-ésima observação não for nem um mínimo nem um máximo  encerrou o regime transiente. Exemplo: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 10, 9, 10, 11, 10, 9, 10, 11, 10, 9,... Para l = 9, Range = ( 9, 11 ), próxima observação = 10 Algumas vezes pode produzir resultados incorretos (se tiver máximo ou mínimo no transiente)

22 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-3 4. Descarte dos dados iniciais Descartar algumas observações iniciais Calcular a média Nenhuma mudança  Regime permanente Usar diversas replicações para suavizar a média m replicações cada uma de tamanho n x ij = j -ésima observação da i -ésima replicação Passos: 1. Obtenha a trajetória média, tomando a média entre as replicações: 2. Obtenha a média global

23 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-4 Descarte dos dados iniciais (continuação) faça l = 1 e prossiga para o próximo passo 3. Descarte as primeiras l observações e obtenha uma média global a partir dos restantes n - l valores: 4. Calcule a mudança relativa: 5. Repita os passos 3 e 4 variando l de l a ( n - l) 6. Plote a média global e a mudança relativa 7. Valor de l no joelho = comprimento do intervalo transiente

24 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-5 Descarte dos dados iniciais (continuação)

25 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-6 5. Média Móvel de Replicações Independentes (Média dentro de uma janela de tempo móvel) 1. Obtenha uma trajetória média tomando a média entre replicações: Faca k = 1 e prossiga para o próximo passo. 2. Plote uma trajetória da média móvel de 2k + 1 valores 3. Repita o passo 2, com k = 2,3,... até que a curva fique suave. 4. O valor de j no joelho corresponde ao comprimento da fase transiente.

26 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-7

27 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-8 6. Médias de Lotes (Batch) Execute uma simulação longa e divida-a em partes (batches ou lotes ) de igual duração Estude a variância das médias dos lotes em função do comprimento do lote Passos: 1. Para cada lote, calcule a média do lote:

28 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-9 Médias de Lotes (Batch) (continuação) Passos: (continuação) 2. Calcule a média total: 3. Calcule a variância das médias dos lotes: 4. Repita os passos 1 e 3, para n = 3, 4, 5,... 5. Faca um gráfico da variância em função do comprimento n do lote. 6. O valor de n no qual a variância definitivamente começa a decrescer, corresponde ao intervalo transiente.

29 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Remoção de Transientes-10 Médias de Lotes (Batch) (continuação) Motivação: t Comprimento do lote << transiente  média global = média inicial  Menor variância t Comprimento do lote >> transiente  média global = média do estado permanente  Menor variância Ignore os picos seguidos por uma nova subida.

30 © 2000 Paulo Adeodato Critério de Parada: Estimativa da Variância-1 * Execute até que o intervalo de confiança seja estreito o bastante * Para observações independentes:  Independência não é aplicável a muitas simulações. Grande tempo de espera para o i -ésimo job  Grande tempo de espera para o ( i +1)-ésimo job

31 © 2000 Paulo Adeodato Critério de Parada: Estimativa da Variância-2 * Para observações correlacionadas: * Soluções: 1. Replicações Independentes 2. Médias de Lotes (batches) 3. Método Regenerativo

32 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância 1-Replicações Independentes * Supõe que as médias de replicações independentes são independentes * Conduza m replicações de tamanho n +n 0 cada 1. Calcule a média para cada replicação: 2. Calcule a média geral para todas as replicações:

33 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-1 Replicações Independentes (Continuação) 3. Calcule a variância das médias das replicações: 4. O intervalo de confiança para a resposta média é: Mantenha as replicações longas para evitar desperdícios Normalmente bastam dez replicações

34 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-2 Médias de Lotes (batches)-1 * Também chamado de método das subamostras * Execute uma simulação por um tempo longo Descarte o intervalo transiente inicial e divida as observações restantes em diversos lotes ou subamostras 1. Calcule a média para cada lote: 2. Calcule a média geral:

35 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-2 Médias de Lotes (batches)-2 3. Calcule a variância das médias dos lotes: 4. O intervalo de confiança para a resposta média é: Menos desperdício do que replicações independentes Mantenha os lotes longos para evitar correlações Verificação: Calcule a autocovariância de médias de lotes sucessivos: Dobre n até que a autocovariância seja pequena.

36 © 2000 Paulo Adeodato Médias de Lotes (batches)-2 Estudo de Caso: Redes de Interconexão * Redes n-cubo binárias indiretas: Usadas para a inter- conexão entre processadores e memórias * Rede de dois estágios com fan-out completo. Comprimento do loteAutocovariânciaVariância 1-0,187921,79989 20,026430,81173 40,110240,42003 80,089790,26437 160,040010,17650 320,011080,10833 640,000100,06066 128-0,003780,02992 2560,000270,01133 5120,000690,00503 10240,000780,00202 Com comprimento 64, auto-covariância < 1% da variância da amostra

37 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-1 * O comportamento após o período ocioso não depende da história passada  Sistema tem um novo nascimento  Ponto de regeneração * Ciclo de regeneração: Entre dois pontos sucessivos de regeneração

38 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-2 * Usar as médias dos ciclos de regeneração * Problemas: Nem todos os sistemas são regenerativos Comprimentos diferentes  Cálculo mais complexo Média geral  Média das médias dos ciclos * As médias dos ciclos são dadas por:

39 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-3 * Média geral: * 1. Calcule as somas dos ciclos: * 2. Calcule a média geral:

40 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-4 * 3. Calcule a diferença entre as somas esperada e observada dos ciclos: * 4. Calcule a variância das diferenças:

41 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-5 * 5. Calcule o comprimento médio dos ciclos: * 6. O intervalo de confiança para a resposta média é dado por: * 7. Não há necessidade de remover observações do período transiente.

42 © 2000 Paulo Adeodato Técnicas de Estimativa da Variância-3 Método Regenerativo-5 * Problemas: 1. Os comprimentos dos cicios são imprevisíveis. Não dá para planejar o tempo de simulação antecipadamente. 2. Encontrar o ponto de regeneração pode demandar um monte de verificações após cada evento. 3. Muitas das técnicas de redução da variância não podem ser utilizadas devido ao comprimento variável dos ciclos. 4. Os estimadores da média e da variância são polarizados

43 © 2000 Paulo Adeodato Simulações Terminais * Temos interesse no desempenho do transiente Exemplo, Tráfego de redes * Sistemas que são desligados Não é necessária a remoção de transientes. Condições finais: Pode ser necessário excluir dos resultados a parte final da simulação Técnicas semelhantes às de remoção de transientes.

44 © 2000 Paulo Adeodato Tratamento de Entidades Abandonadas * Tempo médio de serviço: Tempo total de serviço Número de jobs que completaram o serviço * Tempo médio de espera: Soma do tempo de espera Número de jobs que receberam serviço * Comprimento Médio da Fila: Comprimento da fila no evento j Número de eventos n Comprimento-da-fila(t)dt

45 © 2000 Paulo Adeodato Referências Bibliográficas * Raj Jain (1991) The Art of Computer Systems Performance Analysis: Techniques for Experimental Design, Measurement and Modeling John Wiley & Sons Capítulo 25

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49 Redução da Variância * Reduza a variância através do controle das cadeias de números aleatórios Introduz correlação em observações sucessivas * Problema: O uso sem o devido cuidado pode não dar certo, levando a aumentar a variância. * Apenas para analistas com conhecimentos sofisticados de estatística * Não é recomendado para iniciantes

50 © 2000 Paulo Adeodato Redução da Variância: Exercício 25.1 * Imagine que você foi chamado como um especialista para rever um estudo de simulação. Quais dos seguintes resultados de simulação você consideraria como não- intuitivo e gostaria de tê-los validado cuidadosamente: 1. A vazão de um sistema aumenta à medida que a sua carga aumenta. 2. A vazão de um sistema diminui à medida que a sua carga aumenta. 3. O tempo de resposta aumenta à medida que a carga aumenta. 4. O tempo de resposta de um sistema diminui à medida que a carga aumenta. 5. A taxa de perda de um sistema diminui à medida que a carga aumenta.