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作者： Marvell 市場部及產品線經理Roman Kleinerman Micro semi AMS 集團市場總監Daniel Feldman 引言：以太網交換機耗電情況 在現代網絡架構中，信息技術和數據中心管理人員正在為降低以太網交換機、路由器和服務器設備功耗尋找綠色可選方案。這就需要市場上有更多環保產品，從而降低運營成本。舉例來說，1993年全年的互聯網流量總計達幾百TB。而在17年后的2010年，每秒的互聯網流量就達幾百TB。事實上，在今天，超過50%的數據中心運營費用用于設備冷卻，即為風扇和空調系統提供電力。 傳統的網絡設備設計要求高性能，而對功耗和能效沒有清晰的衡量標準。具體來講，能效與 支持以太網供電協議（PoE協議）的網絡設備脫節。由此導致的結果是，在網絡市場領域，設備功耗飛速增長，尤其是高頻應用處理器的設備功耗。 考慮到每年有超過三億個以太網交換機端口售出，由閑置線路引起的電能耗損產生了一個值得關注的重大而普遍的問題。IEEE節能以太網規范應運而生，目標是大幅降低每年售出的六億多個以太網端口的功耗。然而，這一規范無法應對這一情況：當以太網供電系統部署后，絕大部分的電能損耗發生在以太網供電子系統中——而不是在數據部分。 2010年，近七千萬個以太網供電系統交換機端口被銷售到市場上。對于部署由以太網系統提供電力支持的IP電話、WLAN網絡、IP安全應用及其他應用的企業來說，這是他們關注的焦點。舉例來說，一個標準的48端口以太網交換機僅須分配50瓦至80瓦功率的電力在傳統的以太網交換機和收發器集成電路上。而該交換機在以太網供電系統上，卻需要供應370瓦至740瓦功率的電力。這一8:1的對比系數意味著，以太網供電系統能效上的小幅提升就可以大大提高以太網交換機的整體能效。 傳統的節能以太網（EEE） 為了應對不斷增長的以太網交換機功耗，IEEE研究制定并批準了802.3az標準。這一標準稱之為節能以太網標準（EEE）。該標準為以太網Base-T收發器（100Mb、1GbE及10GbE）及背板物理層提供低功耗閑置(LPI)模式應用。 節能以太網標準基于這樣一個基本理念：在設備利用率低的時段或閑置期，斷開電源連接，而在數據傳輸時期，恢復電源連接。這一理念基于一個眾所周知的事實，那就是標準網絡環境下的客戶端及服務器以太網連接在大部分時間處于閑置狀態。其數據流量高峰期只是偶爾發生。 EEE對低功耗閑置(LPI)協議進行詳細規定。該協議對物理連接兩端通過發送信號進行控制，實現對連接設備省電模式的快速調整——包括在無數據傳輸期間，關閉電源，停止系統數據傳輸和接收功能。此外，節能以太網標準還對另一個協議進行詳細規定。此項協議保持在低功耗閑置(LPI)模式下的以太網物理層系統的運行參數隨時更新，從而保持連接穩定，防止連接斷開。此外，節能以太網標準還對一側的信號協議進行詳細規定。這一協議顯示物理連接何時需要并實現連接快速恢復。結果是，在高水準的以太網物理層技術中，低功耗閑置（LPI）應用可以為每個以太網連接節省一瓦功率。盡管如此，節能以太網標準不能應對以太網供電能耗損問題，也不能解決如何降低能耗的問題。 以太網供電系統（PoE）的節能機制 利用以太網供電，而不是傳統的交流電（AC）供應模塊應用于電力設備的一個重要理由是，它能遠程關閉設備，還可以減少電纜布線量。通過控制設備的開啟與關閉，大量的電能得到節省。舉例來說，通過中央控制點，在夜間使用的攝像機在白天可以關閉使用（反之亦然）；IEEE 802.11 WLAN接入點可以開啟，從而提高覆蓋和帶寬，或是在低利用期關閉；而IP電話在夜間、周末或閑置期可以關閉。 在多端口設備中，相關數據也證明了以太網供電的優勢。一個單獨的交流電供電模塊必須供應一臺設備所有運行模式所需的電能，而多個以太網供電設備的共享式供電模式可以根據平均電能利用率進行調整——這就如同已經被應用多年的POTS電話技術。這大大降低閑置期交換式電力供應的電能耗損量。而節省的這部分電能通常占到最高電力供應負載量的10%-20%。而當有必要提供更多的電力時，附加的電力供應設備可以安裝到以太網供電交換機和以太網中間設備中，從而保證電力供應量根據業務的增長需求進行調整。 節能以太網供電系統（EEPoE）：先進的以太網供電節能技術 隨著以太網供電技術的發展，從電源功率相當低的水平（每端口12.95瓦）到電源功率達到25.5瓦的水平。在這期間，以太網電纜上的電力損耗呈現指數級增長。約有4.5瓦/端口的電能在CAT5、CAT5e、CAT6、CAT6A 電纜上損耗，且在百米之后遇到25,000米長度電纜上最壞的環路電阻問題（舉例來說，電纜傳輸效率僅為25.5/30，相當于85%的傳輸率）。即使應用54伏的電壓來替換50伏的電壓，傳輸效率也不會超過87%。記住，傳統的節能以太網通常每個連接的電能節省不會超過一瓦。應對因低效以太網供電傳輸導致的每個連接4.5瓦的電能損失，我們需要節省更多的電能。 在同樣為25歐姆的電纜上進行電能傳輸時，新的節能以太網供電技術通過在同步的四對線中使用同IEEE802.3at 兼容技術可以將傳輸效率提升至94%。在使用同步的四對線時，利用所有的可利用的電線，設備的供電需求可以得到滿足。舉例來說，在IEEE 802.3at-2009 Type 2系統的24端口（每端口傳輸功率達25.5瓦）中，超過50瓦的電能得到節省。 特別需要指出的是，結合節能以太網技術和節能以太網供電技術的參考交換機系統產品，證明可以節省大量的電能。請查看以下表格：
備注：節能以太網供電技術不需要更換用電設備。因此，只需要通過升級交換機或以太網供電中間設備便可以即刻節省電能。 將創新技術應用到以太網供電系統 為實現先進的EEPoE技術，Marvell公司和Microsemi公司采用了嵌入在Marvell Prestera DX4100和DX2100產品系列的獨有的微處理器技術。這一創新方式為客戶提供了一個平臺。這一平臺將幫助客戶構建成本效益高且強大的網絡設備。設備內嵌有主CPU的卸載選擇程序，憑借集成的主CPU，Marvell Prestera DX4100和DX2100微處理器裝有附加的嵌入式微控制器Marvell Dragonite。該控制器能夠運行輕型、獨立的應用程序。現在的Microsemi EEPoE管理軟件可以運行在Dragonite微控制器上，幫助客戶提高以太網供電系統性能，同時降低系統15%的總體成本。 總結 隨著2009年9月IEEE 802.3az標準的批準，以太網供電技術（PoE）已經可以節省更多的電能。以太網供電技術通過同樣可以傳輸數據的以太網電纜架構為設備提供動力。這帶來極大的好處。這樣，我們無需再安裝成本高昂的交流電接口。部署設備時，無需安裝電纜，只需根據設備的開啟、關閉及傳輸狀態實現節能自動化。 和節能以太網（EEE）標準相結合，以太網供電技術（PoE）將會帶來更大的價值。兩者不能分離，而是以互補的方式相互利用。像Marvell和Microsemi這樣的技術提供商正在合作開發創新性的節能以太網供電解決方案（諸如交換機、以太網中間設備），從而幫助OEM廠商提供更多高成本效益和環保的產品——整個產業將會在近期及將來因此受益。 作者簡介： Roman Kleinerman ：是Marvell市場及產品線經理，負責Marvell Prestera DX以太網處理器產品系列及Marvell UPON AvantaTM （GPON/EPON和Active Ethernet）。此前，Kleinerman在Radlan Computer Communications公司，擔任軟件團隊領導和項目經理，專注于實時性嵌入式程序開發工作。他獲得以色列內格夫大學數學及計算機科學的學士學位 Daniel Feldman ：是Micro semi AMS 集團市場總監，負責包括以太網供電、Ring Generation和太陽能領域產品的營銷工作。產品包括集成電路、模塊和中跨設備。他是以太網聯盟PoE/PoEPlus技術委員會的IEEE 802.3特別小組成員及委員會主席。此前，Feldman先生擔任過PowerDsine公司高級產品經理，IC4IC公司的系統架構組經理，NICE Systems的VHDL工程師及RAFAEL的VLSI工程師。Feldman先生獲得以色列理工學院計算機工程學學士學位。 |
