src/plugins/link_energy_wifi.cpp

   1 /* Copyright (c) 2017-2020. The SimGrid Team. All rights reserved.          */
   2
   3 /* This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
   4  * under the terms of the license (GNU LGPL) which comes with this package. */
   5
   6 #include "simgrid/Exception.hpp"
   7 #include "simgrid/plugins/energy.h"
   8 #include "simgrid/s4u/Engine.hpp"
   9 #include "simgrid/s4u/Host.hpp"
  10 #include "simgrid/s4u/Link.hpp"
  11 #include "src/surf/network_interface.hpp"
  12 #include "src/surf/network_wifi.hpp"
  13 #include "src/surf/surf_interface.hpp"
  14 #include "surf/surf.hpp"
  15 #include "src/kernel/lmm/maxmin.hpp"
  16 #include "xbt/config.hpp"
  17
  18 #include <boost/algorithm/string/classification.hpp>
  19 #include <boost/algorithm/string/split.hpp>
  20 #include <map>
  21
  22 SIMGRID_REGISTER_PLUGIN(link_energy_wifi, "Energy wifi test", &sg_wifi_energy_plugin_init);
  23 /** @degroup plugin_link_energy_wifi Plugin WiFi energy
  24  *
  25  * This is the WiFi energy plugin, accounting for the dissipated energy of WiFi links.
  26  */
  27
  28 XBT_LOG_NEW_DEFAULT_SUBCATEGORY(link_energy_wifi, surf, "Logging specific to the link energy wifi plugin");
  29
  30 namespace simgrid {
  31 namespace plugin {
  32
  33 class XBT_PRIVATE LinkEnergyWifi {
  34 public:
  35   static simgrid::xbt::Extension<simgrid::s4u::Link, LinkEnergyWifi> EXTENSION_ID;
  36
  37   explicit LinkEnergyWifi(simgrid::s4u::Link* ptr) : link_(ptr) {}
  38
  39   ~LinkEnergyWifi() = default;
  40   LinkEnergyWifi()  = delete;
  41
  42   /**
  43    * Update the energy consumed by link_ when transmissions start or end
  44    */
  45   void update(const simgrid::kernel::resource::NetworkAction &);
  46
  47   /**
  48    * Update the energy consumed when link_ is destroyed
  49    */
  50   void update_destroy();
  51
  52   /**
  53    * Fetches energy consumption values from the platform file.
  54    * The user can specify:
  55    *  - wifi_watt_values: energy consumption in each state (IDLE:Tx:Rx:SLEEP)
  56    *      default: 0.82:1.14:0.94:0.10
  57    *  - controlDuration: duration of active beacon transmissions per second
  58    *      default: 0.0036
  59    */
  60   void init_watts_range_list();
  61
  62   double get_consumed_energy(void) { return eDyn_ + eStat_; }
  63   /** Get the dynamic part of the energy for this link */
  64   double get_energy_dynamic(void) { return eDyn_; }
  65   double get_energy_static(void) { return eStat_; }
  66   double get_duration_comm(void) { return dur_TxRx_; }
  67   double get_duration_idle(void) { return dur_idle_; }
  68
  69   /** Set the power consumed by this link while idle */
  70   void set_power_idle(double value) { pIdle_ = value; }
  71   /** Set the power consumed by this link while transmitting */
  72   void set_power_tx(double value) { pTx_ = value; }
  73   /** Set the power consumed by this link while receiving */
  74   void set_power_rx(double value) { pRx_ = value; }
  75   /** Set the power consumed by this link while sleeping */
  76   void set_power_sleep(double value) { pSleep_ = value; }
  77
  78 private:
  79   // associative array keeping size of data already sent for a given flow (required for interleaved actions)
  80   std::map<simgrid::kernel::resource::NetworkWifiAction*, std::pair<int, double>> flowTmp{};
  81
  82   // WiFi link the plugin instance is attached to
  83   s4u::Link* link_{};
  84
  85   // dynamic energy accumulated since the simulation start (active durations consumption)
  86   double eDyn_{0.0};
  87   // static energy (no activity consumption)
  88   double eStat_{0.0};
  89
  90   // duration since previous energy update
  91   double prev_update_{0.0};
  92
  93   // Same energy calibration values as ns3 by default
  94   // https://www.nsnam.org/docs/release/3.30/doxygen/classns3_1_1_wifi_radio_energy_model.html#details
  95   double pIdle_{0.82};
  96   double pTx_{1.14};
  97   double pRx_{0.94};
  98   double pSleep_{0.10};
  99
 100   // constant taking beacons into account (can be specified by the user)
 101   double control_duration_{0.0036};
 102
 103   // Measurements for report
 104   double dur_TxRx_{0}; // Duration of transmission
 105   double dur_idle_{0}; // Duration of idle time
 106   bool valuesInit_{false};
 107 };
 108
 109 xbt::Extension<s4u::Link, LinkEnergyWifi> LinkEnergyWifi::EXTENSION_ID;
 110
 111 void LinkEnergyWifi::update_destroy()
 112 {
 113   simgrid::kernel::resource::NetworkWifiLink* wifi_link =
 114     static_cast<simgrid::kernel::resource::NetworkWifiLink*>(link_->get_impl());
 115   double duration = surf_get_clock() - prev_update_;
 116   prev_update_    = surf_get_clock();
 117
 118   dur_idle_ += duration;
 119
 120   // add IDLE energy usage, as well as beacons consumption since previous update
 121   eDyn_ += duration * control_duration_ * wifi_link->get_host_count() * pRx_;
 122   eStat_ += (duration - (duration * control_duration_)) * pIdle_ * (wifi_link->get_host_count() + 1);
 123
 124   XBT_DEBUG("finish eStat_ += %f * %f * (%d+1) | eStat = %f", duration, pIdle_, wifi_link->get_host_count(), eStat_);
 125 }
 126
 127 void LinkEnergyWifi::update(const simgrid::kernel::resource::NetworkAction&)
 128 {
 129   init_watts_range_list();
 130
 131   double duration = surf_get_clock() - prev_update_;
 132   prev_update_    = surf_get_clock();
 133
 134   // we don't update for null durations
 135   if(duration < 1e-6)
 136     return;
 137
 138   simgrid::kernel::resource::NetworkWifiLink* wifi_link =
 139       static_cast<simgrid::kernel::resource::NetworkWifiLink*>(link_->get_impl());
 140
 141   const kernel::lmm::Variable* var;
 142   const kernel::lmm::Element* elem = nullptr;
 143
 144   /**
 145    * We update the energy consumed by each flow active on the link since the previous update.
 146    *
 147    * To do this, we need to know how much time each flow has been effectively sending data on the WiFi link since the
 148    * previous update (durUsage).  We compute this value using the size of the flow, the amount of data already spent
 149    * (using flowTmp), as well as the bandwidth used by the flow since the previous update (using LMM variables).  Since
 150    * flows are sharing the medium, the total active duration on the link is equal to the transmission/reception duration
 151    * used by the flow with the longest active time since the previous update
 152    */
 153   double durUsage = 0;
 154   while((var = wifi_link->get_constraint()->get_variable(&elem))) {
 155     auto* action = static_cast<kernel::resource::NetworkWifiAction*>(var->get_id());
 156     XBT_DEBUG("cost: %f action value: %f link rate 1: %f link rate 2: %f", action->get_cost(), action->get_variable()->get_value(), wifi_link->get_host_rate(&action->get_src()),wifi_link->get_host_rate(&action->get_dst()));
 157     action->get_variable();
 158
 159     double du = 0; // durUsage on the current flow
 160     std::map<simgrid::kernel::resource::NetworkWifiAction *, std::pair<int, double>>::iterator it;
 161
 162     if(action->get_variable()->get_value()) {
 163       it = flowTmp.find(action);
 164
 165       // if the flow has not been registered, initialize it: 0 bytes sent, and not updated since its creation timestamp
 166       if(it == flowTmp.end())
 167         flowTmp[action] = std::pair<int,double>(0, action->get_start_time());
 168
 169       it = flowTmp.find(action);
 170
 171       /**
 172        * The active duration of the link is equal to the amount of data it had to send divided by the bandwidth on the link.
 173        * If this is longer than the duration since the previous update, active duration = now - previous_update
 174        */
 175       du = (action->get_cost()-it->second.first) / action->get_variable()->get_value();
 176
 177       if(du > surf_get_clock()-it->second.second)
 178         du = surf_get_clock()-it->second.second;
 179
 180       // if the flow has been more active than the others
 181       if(du > durUsage)
 182         durUsage = du;
 183
 184       // update the amount of data already sent by the flow
 185       it->second.first += du*action->get_variable()->get_value();
 186       it->second.second =  surf_get_clock();
 187
 188       // important: if the transmission finished, remove it (needed for performance and multi-message flows)
 189       if(it->second.first >= action->get_cost())
 190         flowTmp.erase (it);
 191     }
 192   }
 193
 194   XBT_DEBUG("durUsage: %f", durUsage);
 195
 196   // beacons cost
 197   eDyn_ += duration * control_duration_ * wifi_link->get_host_count() * pRx_;
 198
 199   /**
 200    * Same principle as ns3:
 201    *  - if tx or rx, update P_{dyn}
 202    *  - if idle i.e. get_usage = 0, update P_{stat}
 203    * P_{tot} = P_{dyn}+P_{stat}
 204    */
 205   if(link_->get_usage()){
 206     eDyn_ += /*duration * */ durUsage * ((wifi_link->get_host_count() * pRx_) + pTx_);
 207     eStat_ += (duration - durUsage) * pIdle_ * (wifi_link->get_host_count() + 1);
 208     XBT_DEBUG("eDyn +=  %f * ((%d * %f) + %f) | eDyn = %f (durusage =%f)", durUsage, wifi_link->get_host_count(), pRx_,
 209               pTx_, eDyn_, durUsage);
 210     dur_TxRx_ += duration;
 211   }else{
 212     dur_idle_ += duration;
 213     eStat_ += (duration - (duration * control_duration_)) * pIdle_ * (wifi_link->get_host_count() + 1);
 214   }
 215
 216   XBT_DEBUG("eStat_ += %f * %f * (%d+1) | eStat = %f", duration, pIdle_, wifi_link->get_host_count(), eStat_);
 217 }
 218
 219 void LinkEnergyWifi::init_watts_range_list()
 220 {
 221   if (valuesInit_)
 222     return;
 223   valuesInit_                      = true;
 224
 225   /* beacons factor
 226   Set to 0 if you do not want to compute beacons,
 227   otherwise to the duration of beacons transmissions per second
 228   */
 229   const char* beacons_factor = this->link_->get_property("control_duration");
 230   if(beacons_factor != nullptr) {
 231     try {
 232       control_duration_ = std::stod(beacons_factor);
 233     } catch (const std::invalid_argument&) {
 234       throw std::invalid_argument(std::string("Invalid beacons factor value for link ") + this->link_->get_cname());
 235     }
 236   }
 237
 238   const char* all_power_values_str = this->link_->get_property("wifi_watt_values");
 239   if (all_power_values_str != nullptr)
 240   {
 241     std::vector<std::string> all_power_values;
 242     boost::split(all_power_values, all_power_values_str, boost::is_any_of(","));
 243
 244     for (auto current_power_values_str : all_power_values) {
 245       /* retrieve the power values associated */
 246       std::vector<std::string> current_power_values;
 247       boost::split(current_power_values, current_power_values_str, boost::is_any_of(":"));
 248       xbt_assert(current_power_values.size() == 4,
 249                 "Power properties incorrectly defined - could not retrieve idle, Tx, Rx, Sleep power values for link %s",
 250                 this->link_->get_cname());
 251
 252       /* min_power corresponds to the idle power (link load = 0) */
 253       /* max_power is the power consumed at 100% link load       */
 254       try {
 255         pSleep_ = std::stod(current_power_values.at(3));
 256       } catch (const std::invalid_argument&) {
 257         throw std::invalid_argument(std::string("Invalid idle power value for link ") + this->link_->get_cname());
 258       }
 259       try {
 260         pRx_ = std::stod(current_power_values.at(2));
 261       } catch (const std::invalid_argument&) {
 262         throw std::invalid_argument(std::string("Invalid idle power value for link ") + this->link_->get_cname());
 263       }
 264       try {
 265         pTx_ = std::stod(current_power_values.at(1));
 266       } catch (const std::invalid_argument&) {
 267         throw std::invalid_argument(std::string("Invalid idle power value for link ") + this->link_->get_cname());
 268       }
 269       try {
 270         pIdle_ = std::stod(current_power_values.at(0));
 271       } catch (const std::invalid_argument&) {
 272         throw std::invalid_argument(std::string("Invalid busy power value for link ") + this->link_->get_cname());
 273       }
 274
 275       XBT_DEBUG("Values aa initialized with: pSleep=%f pIdle=%f pTx=%f pRx=%f", pSleep_, pIdle_, pTx_, pRx_);
 276     }
 277   }
 278 }
 279
 280 } // namespace plugin
 281 } // namespace simgrid
 282
 283 using simgrid::plugin::LinkEnergyWifi;
 284
 285 void sg_wifi_energy_plugin_init()
 286 {
 287   if (LinkEnergyWifi::EXTENSION_ID.valid())
 288     return;
 289
 290   XBT_INFO("Activating the wifi_energy plugin.");
 291   LinkEnergyWifi::EXTENSION_ID = simgrid::s4u::Link::extension_create<LinkEnergyWifi>();
 292
 293   /**
 294    * Attaching to events:
 295    * - on_creation to initialize the plugin
 296    * - on_destruction to produce final energy results
 297    * - on_communication_state_change: to account the energy when communications are updated
 298    * - on_communicate: ''
 299    */
 300   simgrid::s4u::Link::on_creation.connect([](simgrid::s4u::Link& link) {
 301     // verify the link is appropriate to WiFi energy computations
 302     if (link.get_sharing_policy() == simgrid::s4u::Link::SharingPolicy::WIFI) {
 303       XBT_DEBUG("Wifi Link: %s, initialization of wifi energy plugin", link.get_cname());
 304       LinkEnergyWifi* plugin = new LinkEnergyWifi(&link);
 305       link.extension_set(plugin);
 306     } else {
 307       XBT_DEBUG("Not Wifi Link: %s, wifi energy on link not computed", link.get_cname());
 308     }
 309   });
 310
 311   simgrid::s4u::Link::on_destruction.connect([](simgrid::s4u::Link const& link) {
 312     // output energy values if WiFi link
 313     if (link.get_sharing_policy() == simgrid::s4u::Link::SharingPolicy::WIFI) {
 314       link.extension<LinkEnergyWifi>()->update_destroy();
 315       XBT_INFO(
 316           "Link %s destroyed, consumed: %f J dyn: %f stat: %f durIdle: %f durTxRx: %f", link.get_cname(),
 317           link.extension<LinkEnergyWifi>()->get_consumed_energy(),
 318           link.extension<LinkEnergyWifi>()->get_energy_dynamic(), link.extension<LinkEnergyWifi>()->get_energy_static(),
 319           link.extension<LinkEnergyWifi>()->get_duration_idle(), link.extension<LinkEnergyWifi>()->get_duration_comm());
 320     }
 321   });
 322
 323   simgrid::s4u::Link::on_communication_state_change.connect(
 324       [](simgrid::kernel::resource::NetworkAction const& action,
 325          simgrid::kernel::resource::Action::State /* previous */) {
 326         // update WiFi links encountered during the communication
 327         for (auto const* link : action.get_links()) {
 328           if (link != nullptr && link->get_sharing_policy() == simgrid::s4u::Link::SharingPolicy::WIFI) {
 329             link->get_iface()->extension<LinkEnergyWifi>()->update(action);
 330           }
 331         }
 332       });
 333
 334   simgrid::s4u::Link::on_communicate.connect([](const simgrid::kernel::resource::NetworkAction& action) {
 335     const simgrid::kernel::resource::NetworkWifiAction* actionWifi = dynamic_cast<const simgrid::kernel::resource::NetworkWifiAction*>(&action);
 336
 337     if (actionWifi == nullptr)
 338       return;
 339
 340     auto const* link_src = actionWifi->get_src_link();
 341     auto const* link_dst = actionWifi->get_dst_link();
 342
 343     if(link_src != nullptr)
 344       link_src->get_iface()->extension<LinkEnergyWifi>()->update(action);
 345     if(link_dst != nullptr)
 346       link_dst->get_iface()->extension<LinkEnergyWifi>()->update(action);
 347   });
 348 }