以太網(wǎng)供電（PoE）：一種節(jié)能的以太網(wǎng)方案

引言：以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)、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(chǎng)上有更多環(huán)保產(chǎn)品，從而降低運(yùn)營(yíng)成本。舉例來說，1993年全年的互聯(lián)網(wǎng)流量總計(jì)達(dá)幾百TB。而在17年后的2010年，每秒的互聯(lián)網(wǎng)流量就達(dá)幾百TB。事實(shí)上，在今天，超過50%的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)費(fèi)用用于設(shè)備冷卻，即為風(fēng)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(jì)要求高性能，而對(duì)功耗和能效沒有清晰的衡量標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)致的結(jié)果是，在網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)領(lǐng)域，設(shè)備功耗飛速增長(zhǎng)，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(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)端口售出，由閑置線路引起的電能耗損產(chǎn)生了一個(gè)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(yùn)而生，目標(biāo)是大幅降低每年售出的六億多個(gè)以太網(wǎng)端口的功耗。然而，這一規(guī)范無法應(yīng)對(duì)這一情況：當(dāng)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(gè)以太網(wǎng)供電系統(tǒng)交換機(jī)端口被銷售到市場(chǎng)上。對(duì)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(diǎn)。舉例來說，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的48端口以太網(wǎng)交換機(jī)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(jī)和收發(fā)器集成電路上。而該交換機(jī)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(duì)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(jī)的整體能效。

 
傳統(tǒng)的節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）

為了應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的以太網(wǎng)交換機(jī)功耗，IEEE研究制定并批準(zhǔn)了802.3az標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)稱之為節(jié)能以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（EEE）。該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)基于這樣一個(gè)基本理念：在設(shè)備利用率低的時(shí)段或閑置期，斷開電源連接，而在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)期，恢復(fù)電源連接。這一理念基于一個(gè)眾所周知的事實(shí)，那就是標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(duì)低功耗閑置(LPI)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。該協(xié)議對(duì)物理連接兩端通過發(fā)送信號(hào)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)還對(duì)另一個(gè)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。此項(xiàng)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(yùn)行參數(shù)隨時(shí)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(biāo)準(zhǔn)還對(duì)一側(cè)的信號(hào)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。這一協(xié)議顯示物理連接何時(shí)需要并實(shí)現(xiàn)連接快速恢復(fù)。結(jié)果是，在高水準(zhǔn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)不能應(yīng)對(duì)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(jī)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(gè)重要理由是，它能遠(yuǎn)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(diǎn)，在夜間使用的攝像機(jī)在白天可以關(guān)閉使用（反之亦然）；IEEE 802.11 WLAN接入點(diǎn)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(shì)。一個(gè)單獨(dú)的交流電供電模塊必須供應(yīng)一臺(tái)設(shè)備所有運(yùn)行模式所需的電能，而多個(gè)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(jìn)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(fù)載量的10%-20%。而當(dāng)有必要提供更多的電力時(shí)，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(jī)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(zhǎng)需求進(jìn)行調(diào)整。

 
節(jié)能以太網(wǎng)供電系統(tǒng)（EEPoE）：先進(jìn)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(dāng)?shù)偷乃剑慷丝?2.95瓦）到電源功率達(dá)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(jí)增長(zhǎng)。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(zhǎng)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(dāng)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(huì)超過87%。記住，傳統(tǒng)的節(jié)能以太網(wǎng)通常每個(gè)連接的電能節(jié)省不會(huì)超過一瓦。應(yīng)對(duì)因低效以太網(wǎng)供電傳輸導(dǎo)致的每個(gè)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(jìn)行電能傳輸時(shí)，新的節(jié)能以太網(wǎng)供電技術(shù)通過在同步的四對(duì)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(duì)線時(shí)，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IEEE 802.3at-2009 Type 2系統(tǒng)的24端口（每端口傳輸功率達(dá)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(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品，證明可以節(jié)省大量的電能。請(qǐng)查看以下表格：

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(jí)交換機(jī)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)的EEPoE技術(shù)，Marvell公司和Microsemi公司采用了嵌入在Marvell Prestera DX4100和DX2100產(chǎn)品系列的獨(dú)有的微處理器技術(shù)。這一創(chuàng)新方式為客戶提供了一個(gè)平臺(tái)。這一平臺(tái)將幫助客戶構(gòu)建成本效益高且強(qiáng)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，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(yùn)行輕型、獨(dú)立的應(yīng)用程序?，F(xiàn)在的Microsemi EEPoE管理軟件可以運(yùn)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(shí)降低系統(tǒng)15%的總體成本。

總結(jié)

隨著2009年9月IEEE 802.3az標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)，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(dòng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)節(jié)能自動(dòng)化。

和節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，以太網(wǎng)供電技術(shù)（PoE）將會(huì)帶來更大的價(jià)值。兩者不能分離，而是以互補(bǔ)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(jī)、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(gè)產(chǎn)業(yè)將會(huì)在近期及將來因此受益。

作者簡(jiǎn)介：

Roman Kleinerman ：是Marvell市場(chǎng)及產(chǎn)品線經(jīng)理，負(fù)責(zé)Marvell Prestera DX以太網(wǎng)處理器產(chǎn)品系列及Marvell UPON AvantaTM （GPON/EPON和Active Ethernet）。此前，Kleinerman在Radlan Computer Communications公司，擔(dān)任軟件團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)和項(xiàng)目經(jīng)理，專注于實(shí)時(shí)性嵌入式程序開發(fā)工作。他獲得以色列內(nèi)格夫大學(xué)數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)的學(xué)士學(xué)位

Daniel Feldman ：是Micro semi AMS 集團(tuán)市場(chǎng)總監(jiān)，負(fù)責(zé)包括以太網(wǎng)供電、Ring Generation和太陽能領(lǐng)域產(chǎn)品的營(yíng)銷工作。產(chǎn)品包括集成電路、模塊和中跨設(shè)備。他是以太網(wǎng)聯(lián)盟PoE/PoEPlus技術(shù)委員會(huì)的IEEE 802.3特別小組成員及委員會(huì)主席。此前，F(xiàn)eldman先生擔(dān)任過PowerDsine公司高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理，IC4IC公司的系統(tǒng)架構(gòu)組經(jīng)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(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)學(xué)士學(xué)位。