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。這就需要市場上有更多環(huán)保產(chǎn)品，從而降低運(yùn)營成本。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(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(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)對不斷增長的以太網(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對低功耗閑置(LPI)協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。該協(xié)議對物理連接兩端通過發(fā)送信號進(jìn)行控制，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)還對另一個(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)還對一側(cè)的信號協(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。一個(gè)單獨(dú)的交流電供電模塊必須供應(yīng)一臺設(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)的增長需求進(jìn)行調(diào)整。