以太网供电（PoE）：一种节能的以太网方案

作者：Marvell 市场部及产品线经理Roman Kleinerman
                           Micro semi AMS 集团市场总监Daniel Feldman

引言：以太网交换机耗电情况

    在现代网络架构中，信息技术和数据中心管理人员正在为降低以太网交换机、路由器和服务器设备功耗寻找绿色可选方案。这就需要市场上有更多环保产品，从而降低运营成本。举例来说，1993年全年的互联网流量总计达几百TB。而在17年后的2010年，每秒的互联网流量就达几百TB。事实上，在今天，超过50%的数据中心运营费用用于设备冷却，即为风扇和空调系统提供电力。

    传统的网络设备设计要求高性能，而对功耗和能效没有清晰的衡量标准。具体来讲，能效与支持以太网供电协议（PoE协议）的网络设备脱节。由此导致的结果是，在网络市场领域，设备功耗飞速增长，尤其是高频应用处理器的设备功耗。

    考虑到每年有超过三亿个以太网交换机端口售出，由闲置线路引起的电能耗损产生了一个值得关注的重大而普遍的问题。IEEE节能以太网规范应运而生，目标是大幅降低每年售出的六亿多个以太网端口的功耗。然而，这一规范无法应对这一情况：当以太网供电系统部署后，绝大部分的电能损耗发生在以太网供电子系统中——而不是在数据部分。

       2010年，近七千万个以太网供电系统交换机端口被销售到市场上。对于部署由以太网系统提供电力支持的IP电话、WLAN网络、IP安全应用及其他应用的企业来说，这是他们关注的焦点。举例来说，一个标准的48端口以太网交换机仅须分配50瓦至80瓦功率的电力在传统的以太网交换机和收发器集成电路上。而该交换机在以太网供电系统上，却需要供应370瓦至740瓦功率的电力。这一8:1的对比系数意味着，以太网供电系统能效上的小幅提升就可以大大提高以太网交换机的整体能效。

传统的节能以太网（EEE）

    为了应对不断增长的以太网交换机功耗，IEEE研究制定并批准了802.3az标准。这一标准称之为节能以太网标准（EEE）。该标准为以太网Base-T收发器（100Mb、1GbE及10GbE）及背板物理层提供低功耗闲置(LPI)模式应用。

    节能以太网标准基于这样一个基本理念：在设备利用率低的时段或闲置期，断开电源连接，而在数据传输时期，恢复电源连接。这一理念基于一个众所周知的事实，那就是标准网络环境下的客户端及服务器以太网连接在大部分时间处于闲置状态。其数据流量高峰期只是偶尔发生。

        EEE对低功耗闲置(LPI)协议进行详细规定。该协议对物理连接两端通过发送信号进行控制，实现对连接设备省电模式的快速调整——包括在无数据传输期间，关闭电源，停止系统数据传输和接收功能。此外，节能以太网标准还对另一个协议进行详细规定。此项协议保持在低功耗闲置(LPI)模式下的以太网物理层系统的运行参数随时更新，从而保持连接稳定，防止连接断开。此外，节能以太网标准还对一侧的信号协议进行详细规定。这一协议显示物理连接何时需要并实现连接快速恢复。结果是，在高水准的以太网物理层技术中，低功耗闲置（LPI）应用可以为每个以太网连接节省一瓦功率。尽管如此，节能以太网标准不能应对以太网供电能耗损问题，也不能解决如何降低能耗的问题。

以太网供电系统（PoE）的节能机制

    利用以太网供电，而不是传统的交流电（AC）供应模块应用于电力设备的一个重要理由是，它能远程关闭设备，还可以减少电缆布线量。通过控制设备的开启与关闭，大量的电能得到节省。举例来说，通过中央控制点，在夜间使用的摄像机在白天可以关闭使用（反之亦然）；IEEE 802.11 WLAN接入点可以开启，从而提高覆盖和带宽，或是在低利用期关闭；而IP电话在夜间、周末或闲置期可以关闭。

    在多端口设备中，相关数据也证明了以太网供电的优势。一个单独的交流电供电模块必须供应一台设备所有运行模式所需的电能，而多个以太网供电设备的共享式供电模式可以根据平均电能利用率进行调整——这就如同已经被应用多年的POTS电话技术。这大大降低闲置期交换式电力供应的电能耗损量。而节省的这部分电能通常占到最高电力供应负载量的10%-20%。而当有必要提供更多的电力时，附加的电力供应设备可以安装到以太网供电交换机和以太网中间设备中，从而保证电力供应量根据业务的增长需求进行调整。

节能以太网供电系统（EEPoE）：先进的以太网供电节能技术

    随着以太网供电技术的发展，从电源功率相当低的水平（每端口12.95瓦）到电源功率达到25.5瓦的水平。在这期间，以太网电缆上的电力损耗呈现指数级增长。约有4.5瓦/端口的电能在CAT5、CAT5e、CAT6、CAT6A 电缆上损耗，且在百米之后遇到25,000米长度电缆上最坏的环路电阻问题（举例来说，电缆传输效率仅为25.5/30，相当于85%的传输率）。即使应用54伏的电压来替换50伏的电压，传输效率也不会超过87%。记住，传统的节能以太网通常每个连接的电能节省不会超过一瓦。应对因低效以太网供电传输导致的每个连接4.5瓦的电能损失，我们需要节省更多的电能。

    在同样为25欧姆的电缆上进行电能传输时，新的节能以太网供电技术通过在同步的四对线中使用同IEEE802.3at 兼容技术可以将传输效率提升至94%。在使用同步的四对线时，利用所有的可利用的电线，设备的供电需求可以得到满足。举例来说，在IEEE 802.3at-2009 Type 2系统的24端口（每端口传输功率达25.5瓦）中，超过50瓦的电能得到节省。

    特别需要指出的是，结合节能以太网技术和节能以太网供电技术的参考交换机系统产品，证明可以节省大量的电能。请查看以下表格：

备注：节能以太网供电技术不需要更换用电设备。因此，只需要通过升级交换机或以太网供电中间设备便可以即刻节省电能。

将创新技术应用到以太网供电系统

    为实现先进的EEPoE技术，Marvell公司和Microsemi公司采用了嵌入在Marvell Prestera DX4100和DX2100产品系列的独有的微处理器技术。这一创新方式为客户提供了一个平台。这一平台将帮助客户构建成本效益高且强大的网络设备。设备内嵌有主CPU的卸载选择程序，凭借集成的主CPU，Marvell Prestera DX4100和DX2100微处理器装有附加的嵌入式微控制器Marvell Dragonite。该控制器能够运行轻型、独立的应用程序。现在的Microsemi EEPoE管理软件可以运行在Dragonite微控制器上，帮助客户提高以太网供电系统性能，同时降低系统15%的总体成本。

总结

    随着2009年9月IEEE 802.3az标准的批准，以太网供电技术（PoE）已经可以节省更多的电能。以太网供电技, 术通过同样可以传输数据的以太网电缆架构为设备提供动力。这带来极大的好处。这样，我们无需再安装成本高昂的交流电接口。部署设备时，无需安装电缆，只需根据设备的开启、关闭及传输状态实现节能自动化。

    和节能以太网（EEE）标准相结合，以太网供电技术（PoE）将会带来更大的价值。两者不能分离，而是以互补的方式相互利用。像Marvell和Microsemi这样的技术提供商正在合作开发创新性的节能以太网供电解决方案（诸如交换机、以太网中间设备），从而帮助OEM厂商提供更多高成本效益和环保的产品——整个产业将会在近期及将来因此受益。

作者简介：

Roman Kleinerman ：是Marvell市场及产品线经理，负责Marvell Prestera DX以太网处理器产品系列及Marvell UPON Avanta^TM （GPON/EPON和Active Ethernet）。此前，Kleinerman在Radlan Computer Communications公司，担任软件团队领导和项目经理，专注于实时性嵌入式程序开发工作。他获得以色列内格夫大学数学及计算机科学的学士学位

Daniel Feldman ：是Micro semi AMS 集团市场总监，负责包括以太网供电、Ring Generation和太阳能领域产品的营销工作。产品包括集成电路、模块和中跨设备。他是以太网联盟PoE/PoEPlus技术委员会的IEEE 802.3特别小组成员及委员会主席。此前，Feldman先生担任过PowerDsine公司高级产品经理，IC4IC公司的系统架构组经理，NICE Systems的VHDL工程师及RAFAEL的VLSI工程师。Feldman先生获得以色列理工学院计算机工程学学士学位。