CN103532734A - 用于具有非对称流量剖析的节能以太网的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于具有非对称流量剖析的节能以太网的系统和方法。当链路的两个方向都没有数据流量要发射时，通常利用诸如低功率空闲模式的低功率模式。当链路只有一个方向需要发射数据流量时，物理层设备可以从全双工模式转换到单工模式，以节省能量（例如，禁用消除电路）。

Description

用于具有非对称流量剖析的节能以太网的系统和方法

相关申请的交叉参考

本申请要求2012年7月6日提交的美国专利申请61/668,690、2013年5月31提交的美国专利申请13/906,956的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明主要涉及以太网网络，更具体地，涉及用于具有非对称流量剖析的节能以太网的系统和方法。

背景技术

能量成本在近年来迅速发展的趋势中继续逐步升高。不同的行业已经对这些上升的成本的影响日益敏感，这是一个事实。越来越受到关注的一个领域是IT基础设施。许多公司现在正着眼于其IT系统的功率使用，来确定是否可以降低能量成本。为此，关注于节能网络的行业已经出现，以从整体上解决IT设备（例如，个人计算机、显示器、打印机、服务器、网格设备等）使用的上升的成本。

在设计节能解决方案的过程中，一个考虑因素是网络链路的利用。例如，许多网络链路在数据的零星突发传送之间通常处于空闲状态。空闲信号在链路上的传输浪费能量且增加了辐射的发射水平。因此，这些频率低链路利用周期的识别可以提供节能的机会。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种方法，包括：以全双工模式操作网络设备中的物理层设备，在所述全双工模式中，所述物理层设备在单个双绞线上发射和接收数据；一旦第一确定在所述全双工模式中第一方向的传输进入低链路利用状况，则将所述物理层设备从所述全双工模式转换到单工模式，在所述单工模式中，在所述单个双绞线上的第一方向的传输被中断而在所述单个双绞线上的第二方向的传输继续；一旦转换到所述单工模式，就禁用由所述物理层设备使用的消除电路；以及在禁用之后且一旦第二确定第二方向的传输进入低链路利用状况，则将所述物理层设备从所述单工模式转换到低功率模式，在所述低功率模式中，在所述单个双绞线上的第一方向的传输和第二方向的传输都被中断。

其中，所述低功率模式为低功率空闲模式。

其中，所述低功率模式为子集物理层设备模式。

根据本发明的另一种方法，包括：以全双工模式操作网络设备中的物理层设备，在所述双工模式中，所述物理层设备在相同传输介质上发射和接收数据；将所述物理层设备从所述全双工模式转换到单工模式，所述转换支持在所述相同传输介质上的数据发射和数据接收中的一个被中断的操作状态；以及一旦转换，就禁用由所述物理层设备使用的消除电路。

其中，所述传输介质为双绞线。

其中，所述传输介质为光纤电缆。

其中，所述传输介质为背板。

所述方法进一步包括将所述物理层设备从所述单工模式转换至低功率模式，在所述低功率模式，在相同导体上的数据发射和数据接收都被中断。

其中，所述低功率模式为低功率空闲模式。

其中，所述低功率模式为子集物理层设备模式。

其中，所述物理层设备为1000BASE-T物理层设备。

其中，所述物理层设备为一对吉比特物理层设备。

其中，所述物理层设备是两对吉比特物理层设备。

根据本发明的另一个方面，提供了一种网络设备，包括：物理层设备，被配置为以全双工模式在传输介质上通信；以及节能控制策略，被配置将所述物理层设备从所述全双工模式转换为单工模式，在所述单工模式中，在所述传输介质上的数据发射和数据接收中的一个被中断，所述节能控制策略进一步被配置为将由所述物理层设备使用的消除电路禁用所述物理层设备以所述单工模式操作的时间的至少一部分。

其中，所述传输介质为双绞线。

其中，所述传输介质为双绞线。

其中，所述传输介质为背板。

其中，所述节能控制策略进一步被配置为将所述物理层设备从所述单工模式转换到低功率模式，在所述低功率模式中，在相同导体上的数据发射和数据接收都被中断。

其中，所述低功率模式为低功率空闲模式。

其中，所述低功率模式为子集物理层设备模式。

附图说明

为了描述可以获得本发明的以上所述的和其他优势和特征的方式，通过参考在相关附图中所示的本发明的具体实施方式，提出以上简要地描述的本发明的更具体的描述。理解的是，附图仅描述了本发明的典型实施方式，因此不认为附图限制本发明的保护范围，将通过附图以另外的特性和细节描述和说明本发明，在附图中：

图1示出在具有实施本发明的节能控制策略的节能控制策略的链路合作伙伴之间的以太网链路。

图2示出在具有单向数据的链路合作伙伴之间的信令。

图3示出具有非对称数据流量的低功率空闲的使用。

图4示出一对以太网传输系统的示例性应用。

图5示出在处理具有非对称流量剖析的链路的过程中由节能控制协议使用的状态图。

图6示出两对以太网传输系统的示例性应用。

具体实施方式

以下详细地讨论本发明的各种实施方式。尽管讨论了具体的实施，但是应当理解，这些实施方式仅用于示出的目的。相关领域中的技术人员将认识到，在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下，可以使用其他部件和配置。

当网络的流量利用不在其最大容量时，节能以太网网络尝试节省功率。这用于最小化性能影响，同时最大化节能。节能控制策略可以遇到的一种类型的流量剖析是非对称流量剖析。在一个实例中，非对称流量剖析可以在汽车系统环境中发现，其中，第一链路方向携带视频流量，第二链路方向携带不常用的低带宽状态、协议、诊断、和/或控制流量。

非对称流量剖析可以限制可以获得的节能量。例如，存在链路的任一方向的流量的存在可以防止节能控制策略使链路进入低功率模式，例如低功率空闲模式。根据本发明，提供了节能控制协议，从而使得当遇到非对称流量剖析时可以提高节能量。

在一个实施方式中，本发明的节能方法可以被配置为控制网络设备中的物理层设备（PHY）的操作。在一个实例中，网络设备中的PHY起初被配置为以全双工模式操作，其中，PHY在传输介质上发射和接收数据。在不同的应用中，传输介质可以表示双绞线、光纤电缆、背板等。

当以全双工模式操作时，由节能控制策略可以确定在全双工模式中第一方向的传输已经进入低链路利用状况。基于这样的确定，节能控制策略可以被配置为将PHY从全双工模式转换到单工模式，在单工模式，在传输介质上的第一方向的传输被中断，而在传输介质上的第二方向的传输继续。在单工模式中可以实现节能。例如，可以禁用在全双工模式期间使用的回波消除、近端串扰（NEXT）、远端串扰（FEXT）、相异近端串扰（ANEXT）、相异远端串扰（AFEXT）、发射（TX）DSP、接收（RX）DSP、预加重等电路，断开分段的电源，或在以单工模式的PHY操作期间减少使用。

在一个实施方式中，可以由节能控制策略进一步确定在单工模式中使用的第二方向的传输也已经进入低链路利用状况。基于这样的进一步的确定，节能控制策略可以进一步被配置为使PHY从单工模式转换成低功率模式，在低功率模式中，在传输介质上的第一方向的传输和第二方向的传输都被中断。这样的进一步的转换可以通过低功率模式（例如低功率空闲（LPI）模式）体现。通常，当没有数据传输时，LPI取决于打开在两个传输方向上不活跃的活动信道。因而当链路断开时节省了能量。可以周期性地发送刷新信号，从而能够从LPI模式唤醒。

本发明的特征在于，节能控制协议可以被设计为控制状态在全双工模式、单工模式和低功率模式之间的转换。这里，全双工模式表示在传输介质（例如，双绞线、光纤电缆、背板等）上发射两个PHY的传输模式，单工模式表示在传输介质上只发射一个PHY的传输状态，以及低功率模式表示在传输介质上部发射任何PHY的传输状态。在操作中，全双工模式可以表示正常的操作状态，单工模式可以表示两个PHY中只有一个PHY准备进入低功率模式的操作状态，以及低功率模式可以表示两个PHY都准备进入低功率模式的低功率模式。本发明的特征在于，通过停用在全双工模式中使用但在单工模式中不需要的PHY消除电路可以进一步节省能量。

在描述使用本发明的节能控制协议的细节之前，首先提供可以用于实施本发明的节能控制策略的描述。广泛地，用于网络中的特定链路的节能控制策略判断何时进入节能状态、进入哪种节能状态（例如，节能等级）、保持在节能状态多久、从先前的节能状态转换至哪个节能状态、是否影响流量剖析（例如，合并数据包、缓冲和批处理、重新平衡流量、整形流量等）等。在一个实施方式中，节能控制策略可以使这些节能判定基于由IT管理者建立的设置和在链路上的流量特性的组合。

图1示出本发明的节能控制策略可以应用的示例性链路。如图所示，链路支持第一链路合作伙伴110和第二链路合作伙伴120之间的通信。在不同的实施方式中，链路合作伙伴110和120可以表示交换机、路由器、端点（例如，服务器、客户端、VOIP电话、无线访问点等）等。如图所示，链路合作伙伴110包括PHY112、媒体访问控制（MAC）114和主机116，而链路合作伙伴120包括PHY122、MAC124和主机126。

通常，主机116和126可以包含启用要在链路上传输的数据包的五个最高功能层的可操作性和/或功能性的合适的逻辑、电路和/或代码。由于OSI模型中的每个层提供服务给直接更高接口层，所以MAC114和124可以提供必要的服务给主机116和126，以确保数据包被适当地格式化并被分别传输至PHY112和122。MAC114和124可以包含使得能够处理数据链路层（层2）可操作性和/或功能性的合适的逻辑、电路和/或代码。MAC114和124可以被配置为实施以太网协议，例如，基于IEEE802.3标准的那些协议。PHY112和122可以被配置为处理物理层需求，包括但不限于分包、数据传输和序列化/反序列化（SERDES）。

如图1中进一步所示，链路合作伙伴110和120还分别包括节能控制策略实体118和128，它们被配置为实施在全双工模式、单工模式和低功率模式之间转换的节能控制协议。一般地，节能控制策略实体118和128可以包含能够建立和/或实施网络设备的节能控制策略的合适的逻辑、电路和/或代码。在各种实施方式中，节能控制策略实体118和128可以是逻辑和/或功能模块，所述逻辑和/或功能模块可以在一个或多个层中实施，包括PHY的部分或增强PHY、MAC、交换机、控制器、或主机中的其他子系统，从而使得能够实现在一个或多个层处的节能控制。

传统的节能控制协议可以设计为当链路的两个方向都没有数据传输时确定可以进入低功率模式。这样的低功率模式的实例是LPI模式，在该模式中，除了较短周期的刷新信号之外，两个发射器都不工作。当没有数据需要发送时，LPI模式的使用与传统的空闲信号传输形成对比。将理解，传统的空闲信号的传输将消耗与数据传输可能一样多的功率。低功率模式的另一个实例为子集PHY模式，其中，PHY设备的一个或多个信道是实时地或解决呢实时地可重构的，从而以不同的数据速率进行通信。

对于诸如吉比特以太网（1000BASE-T）的链路应用，在链路任何一端上的出现的流量将防止链路进入诸如LPI模式的低功率模式。这里，链路的一侧将发射数据，而链路的另一侧将发射空闲信号。该情况在图2中示出。如该情况所示，在链路的一端出现的稳定的数据将防止链路的另一个端进入低功率空闲模式。

该情况的低效是在链路的任何一端上出现的数据将防止链路本身进入低功率空闲模式的双向协议固有的。如图3所示，从链路的任何一端发送的数据一般不会同时出现。因为在链路的一端到达的数据和在链路的另一端到达的数据之间没有相关性，所以链路的空闲状态基于在链路上的两个方向的传输的空闲可用性的“与”功能。因此，即使链路的一端是接近100%的空闲，但是在链路的另一端出现的流量将排除通过低功率模式实现节能。在1000BASE-T当前规格中，例如，在当链路的另一端正在发送数据期间发送空闲信号。因此，进入LPI模式取决于在链路的两个方向上没有传输数据。这样的操作表示诸如1000BASE-T EEE的节能协议。

在本发明中，认识到，非对称流量剖析可能严重地限制了节能机会。对于其中涉及传感器、控制器、娱乐系统等的大多数链路以非常不对称方式操作的汽车网络更是如此。具有非对称流量剖析的网络的另一个实例包括发射流媒体流量（例如，将网络接入家庭/商业、蜂窝回程通信等）的音频-视频桥接（AVB）网络，以及控制网络，其中链路的一个方向是具有轻流量剖析的控制信息和链路的另一个方向是具有重流量剖析的状态信息。这里，应当注意，这些条件对用户而言是动态的，但是就网络定时而言看起来相对静止。例如，利用家庭计算机或设备用户可以启动电影流，其持续数小时，然后返回到在链路上的流量剖析完全不同的正常工作流。因此，本发明的特征在于，可以定义另外的单工操作模式、全双工模式和低功率模式，以供节能控制策略使用。

这里，应当注意，单工模式可以用在使用全双工模式通信的任何传输系统的环境中。例如考虑通过单个双绞线的数据传输（例如，100Mbps、1Gbps、或其他标准或非标准速度）。在这个实例中，单个双绞线将用于以全双工模式发射和接收数据。另一方面，在单工模式中，单个双绞线将用于仅在一个方向上发射数据。图4示出该单工模式的操作。当以这样的单工模式操作时，因为通过单个双绞线仅在一个方向上进行传输，所以回波消除器可以断开。

图5示出了由本发明的节能控制协议使用的用来处理具有非对称流量剖析的链路的示例性状态图。如图所示，状态图包括全双工模式510、单工模式520和低功率模式530，以及至/自操作模式510、520、530的对应的转换。全双工模式510可以表示正常的操作状态，其中，链路上的两个PHY都通过传输介质（例如，双绞线、光纤电缆、背板等）进行传输。可以基于转换‘A’来进行从全双工模式510到低功率模式530的转换，其中，两个链路合作伙伴宣布转换到低功率模式530。作为一个实例，低功率模式可以表示传统的低功率模式，例如LPI模式或子集PHY模式。将理解的是，低功率模式可以表示在链路上的能够节省功率的不同形式的低耗模式。应当再次注意的是，从全双工模式到低功率模式的转换只限于任何一端都没有数据在公共时间点发射的情况。如图3中所示，由任何链路伙伴传输的数据的存在将排除进入低功率模式。在一个实施方式中，在单工模式和低功率模式之间还可以包括单工LPI或单工子集PHY组合模式。

当存在非对称流量剖析时，只有一个链路合作伙伴可以宣布转换到低功率模式，而另一个链路合作伙伴继续在传输介质上进行常规的流量传输。该情况可以由从双工模式510到单工模式520的转换‘B’表示。在从全双工模式510到单工模式520的状态转换中，链路上只有一个PHY在传输介质上进行传输。例如，在单个双绞线实施方式中，只有单个PHY在单个双绞线上进行传输。如上所述，单工模式520可以节省能量，因为可以禁用在全双工模式510中使用的一个或多个回波消除、NEXT、FEXT、ANEXT、AFEXT、TX DSP、RX DSP、预加重等电路，断开分段的电源，或减少使用。

宣布转换到低功率模式的同一链路合作伙伴取消该转换，然后将发生从单工模式520返回到全双工模式510的转换。该转换由在图5的状态图中的转换‘C’表示，链路将返回到正常的操作状态。

另一方面，如果链路正以单工模式520操作而另一个链路合作伙伴宣布转换到低功率模式，则出现两个链路伙伴已经宣布这样的转换的情况。这表示两个链路合作伙伴都没有数据要传输的情况。一旦出现这种情况，节能控制协议将启动从单工模式520到低功率模式530的转换。该转换示为转换‘D’。

在一个实施方式中，全双工模式510到单工模式520之间转换可以取决于等待周期。该等待周期可以被设计为检测另一个方向是的传输否发出转换至低功率模式的信号，从而使得从权双工模式510直接转换至低功率模式510。该等待周期可以去除作为转换至低功率模式530的中间转换的不必要的单工模式520的转换。在应用于非延迟敏感的应用的一个实施方式中，控制策略可以选择缓存流量使流量以特定的模式保持延长的时间段（例如，如果转换到更高功率模式），或用于确保在剖析中的改变不是永久性的（例如，切换模式的成本将高于节能利益的暂时空闲状态）。

当处于低功率模式530时，如果任何一个链路合作伙伴取消转换到低功率模式，则可以出现从低功率模式530到单工模式520的转换。该转换由转换‘E’表示，其中，只有一个PHY在导体上进行传输。可选地，如果两个链路合作伙伴在彼此接近的时间都取消转换到低功率模式，则可以发生从低功率模式530到全双工模式510的转换。该转换由转换‘F’表示，其中，正常的操作将在链路上重新开始。

如上所述，除了全双工模式和低功率模式之外引入的单工模式可以在链路表现出非对称流量剖析而传统的低功率模式不能发挥作用时通过节能控制协议产生大量节能。

图6示出应用于通过两个双绞线的数据传输的另一个示例性应用。在这个实例中，以全双工模式使用两个双绞线，其中，每个双绞线可以用于发送和接收500Mbit/s的数据。在单工模式中，例如，一旦链路合作伙伴B宣布转换到低功率模式或禁用或缩减链路的一个方向，PHY B将不再双绞线A或B上进行发射。此外，与在双绞线A和B上的500Mbit/s相比较，PHY A可以被配置为在双绞线A上发射1Gbit/s的数据。因为传输只在一个双绞线上的单个方向发生，所以还可以禁用串扰消除器（例如，NEXT和FEXT），从而节省另外的功率。

尽管以上实例表示双绞线B不使用的情况，但是双绞线B还可以用于发射刷新信号。此外，双绞线B还可以用于以低的传输速率从PHY B到PHY A进行传输，适应低功率低耗模式。这里，低耗模式能够使得数据传输速率充分小于在双绞线B上的500Mbit/s标称数据传输速率。

本发明的原理可以应用于不同的PHY类型（例如，双绞线、光纤电缆、背板等等）、诸如标准配线或非标准配线（例如，汽车配线和其他控制网络）的不同接口类型、共享媒体和相关联的接口，例如EPON、xPON、EpoC、通过DSL的以太网等。此外，本发明的原理可以应用于不同的标准化和非标准化数据传输速度。

本发明的另一个实施方式可以提供机器和/或计算机可读存储器和/或介质，机器和/或计算机可读存储器和/或介质上存储具有由机器和/或计算机可执行的至少一个代码部分的机器代码和/或计算机程序，从而使得机器和/或计算机执行本文中描述的步骤。

通过查阅前述的详细说明书，本发明的这些和其他方面对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。尽管上面已经描述本发明的许多突出的特征，但是在阅读公开的本发明之后，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，本发明的实施方式可以以各种方式来实施和执行，因此，以上描述不应该被认为是排除了这些其他的实施方式。此外，应该理解的是，本文所采用的措辞和术语用于描述的目的，而不应该认为是限制性的。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

以全双工模式操作网络设备中的物理层设备，在所述全双工模式中，所述物理层设备在单个双绞线上发送和接收数据；

一旦第一确定在所述全双工模式中第一方向的传输进入低链路利用状况，则将所述物理层设备从所述全双工模式转换到单工模式，在所述单工模式中，在所述单个双绞线上的第一方向的传输被中断而在所述单个双绞线上的第二方向的传输继续；

一旦转换到所述单工模式，就禁用由所述物理层设备使用的消除电路；以及

在禁用之后且一旦第二确定第二方向的传输进入低链路利用状况，则将所述物理层设备从所述单工模式转换到低功率模式，在所述低功率模式中，在所述单个双绞线上的第一方向的传输和第二方向的传输都被中断。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低功率模式为低功率空闲模式。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低功率模式为子集物理层设备模式。

4.一种方法，包括：

以全双工模式操作网络设备中的物理层设备，在所述全双工模式中，所述物理层设备在相同传输介质上发送和接收数据；

将所述物理层设备从所述全双工模式转换到单工模式，所述转换支持在所述相同传输介质上的数据发送和数据接收中的一个被中断的操作状态；以及

一旦转换，就禁用由所述物理层设备使用的消除电路。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述传输介质为双绞线。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述传输介质为光纤电缆。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述传输介质为背板。

8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括将所述物理层设备从所述单工模式转换至低功率模式，在所述低功率模式，在相同导体上的数据发送和数据接收都被中断。

9.一种网络设备，包括：

物理层设备，被配置为以全双工模式在传输介质上起动通信；以及

节能控制策略，被配置将所述物理层设备从所述全双工模式转换为单工模式，在所述单工模式中，在所述传输介质上的数据发送和数据接收中的一个被中断，所述节能控制策略进一步被配置为禁用所述物理层设备所使用的消除电路持续所述物理层设备以所述单工模式操作的时间的至少一部分。

10.根据权利要求9所述的网络设备，其中，所述节能控制策略进一步被配置为将所述物理层设备从所述单工模式转换到低功率模式，在所述低功率模式中，在相同导体上的数据发送和数据接收都被中断。

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