《電子技術(shù)應(yīng)用》
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以太網(wǎng)供電(PoE):一種節(jié)能的以太網(wǎng)方案

2011-08-09
作者:RomanKleinerman,,Daniel Feldman
來源:CCTIME

    引言:以太網(wǎng)交換機耗電情況

    在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,,信息技術(shù)和數(shù)據(jù)中心管理人員正在為降低以太網(wǎng)交換機、路由器和服務(wù)器設(shè)備功耗尋找綠色可選方案,。這就需要市場上有更多環(huán)保產(chǎn)品,,從而降低運營成本,。舉例來說,1993年全年的互聯(lián)網(wǎng)流量總計達幾百TB,。而在17年后的2010年,,每秒的互聯(lián)網(wǎng)流量就達幾百TB。事實上,,在今天,,超過50%的數(shù)據(jù)中心運營費用用于設(shè)備冷卻,即為風扇和空調(diào)系統(tǒng)提供電力,。

    傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)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(wǎng)供電協(xié)議(PoE協(xié)議)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備脫節(jié),。由此導致的結(jié)果是,在網(wǎng)絡(luò)市場領(lǐng)域,,設(shè)備功耗飛速增長,,尤其是高頻應(yīng)用處理器的設(shè)備功耗。

    考慮到每年有超過三億個以太網(wǎng)交換機端口售出,,由閑置線路引起的電能耗損產(chǎn)生了一個值得關(guān)注的重大而普遍的問題,。IEEE節(jié)能以太網(wǎng)規(guī)范應(yīng)運而生,目標是大幅降低每年售出的六億多個以太網(wǎng)端口的功耗,。然而,,這一規(guī)范無法應(yīng)對這一情況:當以太網(wǎng)供電系統(tǒng)部署后,絕大部分的電能損耗發(fā)生在以太網(wǎng)供電子系統(tǒng)中——而不是在數(shù)據(jù)部分,。

    2010年,,近七千萬個以太網(wǎng)供電系統(tǒng)交換機端口被銷售到市場上。對于部署由以太網(wǎng)系統(tǒng)提供電力支持的IP電話,、WLAN網(wǎng)絡(luò),、IP安全應(yīng)用及其他應(yīng)用的企業(yè)來說,這是他們關(guān)注的焦點,。舉例來說,,一個標準的48端口以太網(wǎng)交換機僅須分配50瓦至80瓦功率的電力在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機和收發(fā)器集成電路上,。而該交換機在以太網(wǎng)供電系統(tǒng)上,卻需要供應(yīng)370瓦至740瓦功率的電力,。這一8:1的對比系數(shù)意味著,,以太網(wǎng)供電系統(tǒng)能效上的小幅提升就可以大大提高以太網(wǎng)交換機的整體能效。

    傳統(tǒng)的節(jié)能以太網(wǎng)(EEE)

    為了應(yīng)對不斷增長的以太網(wǎng)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(jié)能以太網(wǎng)標準(EEE)。該標準為以太網(wǎng)Base-T收發(fā)器(100Mb,、1GbE及10GbE)及背板物理層提供低功耗閑置(LPI)模式應(yīng)用,。

    節(jié)能以太網(wǎng)標準基于這樣一個基本理念:在設(shè)備利用率低的時段或閑置期,斷開電源連接,,而在數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的客戶端及服務(wù)器以太網(wǎng)連接在大部分時間處于閑置狀態(tài),。其數(shù)據(jù)流量高峰期只是偶爾發(fā)生。

    EEE對低功耗閑置(LPI)協(xié)議進行詳細規(guī)定,。該協(xié)議對物理連接兩端通過發(fā)送信號進行控制,實現(xiàn)對連接設(shè)備省電模式的快速調(diào)整——包括在無數(shù)據(jù)傳輸期間,,關(guān)閉電源,,停止系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和接收功能。此外,,節(jié)能以太網(wǎng)標準還對另一個協(xié)議進行詳細規(guī)定,。此項協(xié)議保持在低功耗閑置(LPI)模式下的以太網(wǎng)物理層系統(tǒng)的運行參數(shù)隨時更新,從而保持連接穩(wěn)定,,防止連接斷開,。此外,節(jié)能以太網(wǎng)標準還對一側(cè)的信號協(xié)議進行詳細規(guī)定,。這一協(xié)議顯示物理連接何時需要并實現(xiàn)連接快速恢復,。結(jié)果是,在高水準的以太網(wǎng)物理層技術(shù)中,,低功耗閑置(LPI)應(yīng)用可以為每個以太網(wǎng)連接節(jié)省一瓦功率,。盡管如此,節(jié)能以太網(wǎng)標準不能應(yīng)對以太網(wǎng)供電能耗損問題,,也不能解決如何降低能耗的問題,。

    以太網(wǎng)供電系統(tǒng)(PoE)的節(jié)能機制

    利用以太網(wǎng)供電,而不是傳統(tǒng)的交流電(AC)供應(yīng)模塊應(yīng)用于電力設(shè)備的一個重要理由是,,它能遠程關(guān)閉設(shè)備,,還可以減少電纜布線量,。通過控制設(shè)備的開啟與關(guān)閉,大量的電能得到節(jié)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(guān)閉使用(反之亦然),;IEEE802.11WLAN接入點可以開啟,,從而提高覆蓋和帶寬,或是在低利用期關(guān)閉,;而IP電話在夜間,、周末或閑置期可以關(guān)閉。

    在多端口設(shè)備中,,相關(guān)數(shù)據(jù)也證明了以太網(wǎng)供電的優(yōu)勢,。一個單獨的交流電供電模塊必須供應(yīng)一臺設(shè)備所有運行模式所需的電能,而多個以太網(wǎng)供電設(shè)備的共享式供電模式可以根據(jù)平均電能利用率進行調(diào)整——這就如同已經(jīng)被應(yīng)用多年的POTS電話技術(shù),。這大大降低閑置期交換式電力供應(yīng)的電能耗損量,。而節(jié)省的這部分電能通常占到最高電力供應(yīng)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(yīng)設(shè)備可以安裝到以太網(wǎng)供電交換機和以太網(wǎng)中間設(shè)備中,,從而保證電力供應(yīng)量根據(jù)業(yè)務(wù)的增長需求進行調(diào)整。

    節(jié)能以太網(wǎng)供電系統(tǒng)(EEPoE):先進的以太網(wǎng)供電節(jié)能技術(shù)

    隨著以太網(wǎng)供電技術(shù)的發(fā)展,,從電源功率相當?shù)偷乃剑慷丝?2.95瓦)到電源功率達到25.5瓦的水平,。在這期間,以太網(wǎng)電纜上的電力損耗呈現(xiàn)指數(shù)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(huán)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(yīng)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(tǒng)的節(jié)能以太網(wǎng)通常每個連接的電能節(jié)省不會超過一瓦。應(yīng)對因低效以太網(wǎng)供電傳輸導致的每個連接4.5瓦的電能損失,,我們需要節(jié)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(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)通過在同步的四對線中使用同IEEE802.3at兼容技術(shù)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(shè)備的供電需求可以得到滿足。舉例來說,,在IEEE802.3at-2009Type 2系統(tǒng)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(jié)省。

    特別需要指出的是,,結(jié)合節(jié)能以太網(wǎng)技術(shù)和節(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)的參考交換機系統(tǒng)產(chǎn)品,,證明可以節(jié)省大量的電能。請查看以下表格:

    技術(shù)節(jié)省的電量節(jié)省時間每年售出的以太網(wǎng)連接數(shù)量

    GbE上的節(jié)能以太網(wǎng)技術(shù)(PoE)約1瓦特/連接連接處于閑置期時2億,,并在增長

    3af上的節(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)(EEPoE)約0.6瓦特/連接一旦電源開啟4000萬,,并在增長

    3at上的節(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)(EEPoE)約2.1瓦特/連接一旦電源開啟3000萬,并在增長

    電能總節(jié)省量3.13瓦特/連接

    備注:節(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)不需要更換用電設(shè)備,。因此,,只需要通過升級交換機或以太網(wǎng)供電中間設(shè)備便可以即刻節(jié)省電能。

    將創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到以太網(wǎng)供電系統(tǒng)

    為實現(xiàn)先進的EEPoE技術(shù),,Marvell公司和Microsemi公司采用了嵌入在MarvellPresteraDX4100和DX2100產(chǎn)品系列的獨有的微處理器技術(shù),。這一創(chuàng)新方式為客戶提供了一個平臺。這一平臺將幫助客戶構(gòu)建成本效益高且強大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,。設(shè)備內(nèi)嵌有主CPU的卸載選擇程序,,憑借集成的主CPU,MarvellPrestera 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(yīng)用程序。現(xiàn)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(wǎng)供電系統(tǒng)性能,同時降低系統(tǒng)15%的總體成本,。

    總結(jié)

    隨著2009年9月IEEE802.3az標準的批準,,以太網(wǎng)供電技術(shù)(PoE)已經(jīng)可以節(jié)省更多的電能。以太網(wǎng)供電技術(shù)通過同樣可以傳輸數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)電纜架構(gòu)為設(shè)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(shè)備時,,無需安裝電纜,只需根據(jù)設(shè)備的開啟,、關(guān)閉及傳輸狀態(tài)實現(xiàn)節(jié)能自動化,。

    和節(jié)能以太網(wǎng)(EEE)標準相結(jié)合,以太網(wǎng)供電技術(shù)(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(shù)提供商正在合作開發(fā)創(chuàng)新性的節(jié)能以太網(wǎng)供電解決方案(諸如交換機、以太網(wǎng)中間設(shè)備),,從而幫助OEM廠商提供更多高成本效益和環(huán)保的產(chǎn)品——整個產(chǎn)業(yè)將會在近期及將來因此受益,。

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