CN104052619A - 一种支持调频降耗的网络设备节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种支持调频降耗的网络设备节能方法，包括以下步骤：首先以功能模块为单位，根据其是否具备调频能力将其划入调频区域或非调频区域；其次设计跨时钟域接口完成调频模块间以及调频模块和非调频模块间异步时钟通信；最后，频率仲裁器根据跨时钟域接口的使用情况和多阈值调频策略做出调频决定，并发出对应的时钟信号或控制信号实现频率切换。该方法可以根据网络负载调节网络设备内部功能模块工作频率，在不影响用户使用体验的前提下大大降低网络设备的用电量，网络环境适用性好，能够满足当前网络运营商、设备商和用户对网络设备节能减排的需求，经济效益显著，应用前景广阔。

Description

一种支持调频降耗的网络设备节能方法

技术领域：

本发明涉及一种网络设备节能方法，特别涉及一种支持调频降耗的网络设备节能方法，属于网络设备节能技术领域。

背景技术

随着用户数量和带宽需求的快速发展，互联网电能开支及其相应碳排放量也迅速增加。据估计，2008年中国三大电信运营商消耗了241亿度电，当年电费开支高达121亿元人民币，并且以每年5％的速度增长。如此严峻的能耗现状及其发展趋势很大程度是由于网络设备的大规模部署。GeSI机构发布的数据表明，互联网中部署的路由器在2002年已达6700万台，并将在2020年达到8.98亿台。考虑到由数量快速增加所带来的运营(电能)成本及环境代价，能耗将成为网络设备的提供商以及服务提供商需要面对的重要问题。

事实上，为了应对极少出现的网络流量高峰及不可预知的设备损坏，网络系统常通过超额配置设备性能来保障数据通信和服务质量，导致网络能耗虚高、设备利用率普遍较低等问题。由CAIDA发布的路由器使用统计数据可知，互联网路由器平均利用率绝大多数时间低于30％，并且极少超过50％。此外，网络中的一些关键系统(如网关、域名系统等)通常配置双机热备，备份机大部分时间处于空闲，白白浪费电能。如何在不影响用户体验的前提下，尽量降低网络相关设备的功耗成为下一代网络设备必须解决的问题之一。

针对当前网络设备应用现状，端口休眠、缓存调节、节能组网等节能技术先后被提出，通过动态关闭空闲模块的方式减少设备过剩处理能力、降低系统能耗。然而，上述方法节能潜力较小(只能覆盖端口、存储器，其总能耗仅占全部能耗的10％不到)，且不适用于较高负载的网络环境。例如，骨干网、数据中心等网络利用率通常处于30％-50％，如果采用端口休眠的方法节能，可能会造成端口状态频繁切换的情况(休眠或工作)，严重影响其节能效果。

针对当前网络设备节能技术节能潜力有限、不适用于较高利用率网络环境的情况，调节芯片频率的方法以其节能潜力大、适合复杂网络等特点成为降低设备功耗的重要方法。理论上来说，芯片工作频率是调节其处理能力和功耗的杠杆：工作频率越高，处理性能就越高，相应功耗就越大；工作频率越低，则处理性能就越低，功耗也降低。在当前网络设备普遍利用率不足的情况下，通过调节芯片的工作频率，系统有潜力达到利用率与功耗的平衡点：满足了用户网络需求同时尽量降低能耗。然而，目前业界尚未有相关技术。如何能够将调频的方法与当前网络设备相结合，使其能够具有高效的调频降耗能力是亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是解决当前网络设备节能技术节能潜力有限、不适用于较高利用率网络环境的问题，提出了一种支持调频降耗的网络设备节能方法，满足用户使用体验的情况下尽量降低能耗。

本发明的技术方案如下：

一种支持调频降耗的网络设备节能方法，包括以下步骤：

步骤一、划分调频区域：

以功能模块为单位，将网络设备中的功能模块进行划分，将可以进行调频设置的功能模块称为调频模块，所有调频模块组成调频区域，调频区域支持多种频率；将不可以进行调频设置的功能模块称为非调频模块，所有非调频模块组成非调频区域；各功能模块之间信号传递以数据包为基本单位，符合松耦合设计的原则；

步骤二、实现异步时钟通信：

异步时钟通信由跨时钟域接口完成，跨时钟域接口包括输入处理模块、异步队列和输出处理模块；跨时钟域接口与具有不同时钟信号的功能模块直接相连，在其间中继数据包，具备缓存数据功能；跨时钟接口的输入/输出处理模块分别与直连的功能模块始终工作在相同频率；切换频率时，频率仲裁器对目标调频模块及与其直连的输入/输出处理模块的时钟同时进行修改，完成调频；

步骤三、实现频率仲裁器调频：

频率仲裁器完成以下工作：时钟信号生成、系统状态监控和频率切换；

时钟信号生成：接收晶振产生的原始时钟信号并输入至内部数字时钟分频器，将原始时钟信号转换成多组高精度、不同频率的时钟信号作为调频选项；

系统状态监控：通过查看各个跨时钟域接口的异步队列占用率获得当前流量负载情况，并根据流量负载情况调节模块频率；

频率切换：接收由系统状态监控发出的调节模块频率命令，将备选时钟信号通过低延时、低抖动的时钟信号线传递到目标调频模块和与其直连的跨时钟域接口输入或输出处理模块。

所述跨时钟域接口，可以分为独立型与模块嵌入型两种，其具体内容如下：

独立型跨时钟域接口使用单独的电路模块实现，其异步队列两端分别与数据上下游直连功能模块处于相同的工作频率，且支持较为广泛的调频选择；独立型跨时钟域接口向频率仲裁器汇报接口使用情况即异步队列占用率以供后者进行调频决策；独立型跨时钟域接口可以独立于特定功能模块，采用通用标准进行设计；

模块嵌入型跨时钟域接口在可调频模块内部实现，可以作为调频模块内部芯片的一部分；同独立型跨时钟域接口一样，其异步队列两端分别与数据上下游直连的功能模块处于相同的工作频率，并且向频率仲裁器汇报接口使用情况即异步队列占用率；不同点在于，模块嵌入型跨时钟域接口与特定调频模块相适应，具有较高的专用性，可以根据模块特性进行优化。

所述频率仲裁器调频，包括流量感知方法、多阈值调频策略和频率仲裁器配置方法三部分内容：

流量感知方法：跨时钟域接口的异步队列占用率可以作为调频指示器，感知当前网络负载与数据下游系统处理能力的匹配情况：异步队列占用率升高表明接口下游模块处理速度低于当前网络负载，反之则表明下游模块有进一步降低频率的潜力；

多阈值调频策略：包括逐级调节和快速切换两部分，分别通过检查三个阈值T_high、T_low和T_top进行实现；通过设定阈值T_high和阈值T_low进行逐级切换以保证系统在低功耗状态的时间，即当跨时钟域接口中的异步队列占用率高于阈值T_high(低于阈值T_low)时，频率仲裁器将跨时钟域接口的数据下游一侧功能模块频率调高(低)一级；通过阈值T_top进行快速切换以减少流量延迟和包丢失，即无论何时只要异步队列占用率高于阈值T_top，则立即切换数据下游一侧功能模块频率至最高频率状态；

频率仲裁器配置方法：按照位置区分，频率仲裁器具有两种配置方式：集中式仲裁方式和分布式仲裁方式，其可以与前面所述两类跨时钟域接口结合使用；

集中式仲裁方式要求所有调频模块的使用信息都汇总到独立的频率仲裁器，并由后者进行调频决策；根据系统生成的时钟信号，各个调频模块的频率可以由统一的频率仲裁器提供，也可以在调频模块内部生成并提供相关控制信号给频率仲裁器，由频率仲裁器进行统一管理；

分布式仲裁方式要求每个调频模块设置本地的频率仲裁器，负责本模块调频决策以及目标频率生成，即分布式仲裁方式中各个调频模块具有自主调频功能。

有益效果

本发明方法可以根据网络负载调节网络设备内部功能模块工作频率，在不影响用户使用体验的前提下大大降低网络设备的用电量，网络环境适用性好，能够满足当前网络运营商、设备商和用户对网络设备节能减排的需求，经济效益显著，应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明方法在路由器上的应用实例示意图，该实施例采用独立型跨时钟域接口，集中式仲裁方式。

图2是独立型跨时钟域接口结构示意图。

图3是多阈值调频策略示意图。

图4是本实施例采用独立型跨时钟域接口，集中式仲裁方式结构及数据流向示意图。

图5是本实施例采用嵌入型跨时钟域接口，集中式仲裁方式结构及数据流向示意图。

图6是本实施例采用独立型跨时钟域接口，分布式仲裁方式结构及数据流向示意图。

图7是本实施例采用嵌入型跨时钟域接口，分布式仲裁方式结构及数据流向示意图。

图8是本实施例在六十分钟测试的节能情况。

具体实施方式

本发明方法提出了一个适用于各类网络设备的调频架构，其允许内部各个功能模块(调频区域)根据网络负载动态调节自身工作频率，以达到动态降低功耗的目的。总得来看，本发明方法提出的调频架构主要由调频区域划分方法、异步时钟区域通信和流量感知及调频策略组成。首先，为了最大化调频范围的同时保证系统正常工作，本发明方法提出的调频区域划分策略可以覆盖除网口外的其他所有核心功能模块，调频范围内能耗占网络设备总能耗的60％以上，仅电源、网口等少数模块不支持调频降耗。其次，本发明方法提出了一个异步时钟接口，保证异步时钟区域之间的通信且能够感知模块当前处理性能(工作频率)与网络负载的匹配情况。最后，为了在不影响用户体验的前提下最大化节能效果，设计了根据网络流量调节频率的策略。

下面以目前常用的网络设备——路由器为例介绍本发明方法的应用。

现代网络设备由相对独立的功能模块组成，如图1中路由器的网口、转发、交换、路由等模块。这些模块有的可以支持多个频率(取决于通信协议与规范)，有的囿于通信协议只能工作在固定频率(网口)。本发明首先提出以功能模块为单位，将网络设备中的模块分为调频模块与非调频模块，其中所有调频模块构成调频区域，调频区域支持多种频率，是节能降耗的源头。从节能潜力来看，调频区域基本涵盖了支持调频的所有路由器模块，其电能开支比例约占总耗电量的60％左右，端口、电源模块和散热系统消耗了剩余部分，不支持调频降耗。此外，功能模块之间信号传递往往以数据包为基本单位，通信机制较为简单，符合松耦合设计的原则。

为了解决异步时钟功能模块之间的通信问题，本发明方法提出异步时钟通信机制，其可以在不同时钟频率区域之间中继数据包，还可以缓存数据以提高调频降耗效率。本质来看，异步时钟接口是一个基于异步队列的高速模块，如图2所示。传输数据时，跨时钟接口的输入/输出处理模块与其直连的调频区域工作在同一频率，保证异步队列读写的正确性。切换频率时，频率仲裁器将目标调频模块与直连输入/输出处理模块的时钟同时进行修改，以保证接口对应端与其直连模块始终保持同步。除了中继异步时钟信号外，跨时钟域接口还具有下述特点。首先，跨时钟域接口的异步队列占用率可以作为调频指示器，感知当前网络负载与数据出口调频模块处理能力的匹配情况：异步队列占用率升高表明数据下游模块处理数据包的速度(频率)低于数据包到来的速度；反之则表明数据下游模块有进一步降低频率(节能)的潜力。通过异步队列占用率来感知负载还可以预示负载与系统处理能力的匹配情况。其次，由于使用了异步队列，跨时钟域接口进一步集中了网络数据(设备空闲时间)，本质上是对网络数据流量模式的优化，增加了节能潜力。此外，同休眠方法相比，由于可调频模块始终处于工作状态，其可以保障最大数据包延迟时间。

频率仲裁器主要用于承担时钟信号生成、系统状态监控和频率切换工作。作为时钟信号生成以及管理者，频率仲裁器接收晶振产生的原始时钟信号并输入至内部数字时钟分频器，将原始时钟信号转换成多组高精度、不同频率的时钟信号作为调频选项。这些备选时钟信号通过选择器进行选择后，由低延时、低抖动的时钟信号线传递到调频模块。

从频率仲裁器的配置方式来看，可以分为集中式仲裁与分布式仲裁两种方式。前者采用集中式频率仲裁器，其要求调频模块使用频率仲裁器输入的时钟信号，并且要求跨时钟域接口汇报异步队列占用率使用情况。集中式仲裁的优点在于其不需要对各个调频模块进行较大修改，且可以从全局的角度系统的规划调频方针与策略。分布式仲裁将时钟信号生成、系统状态监控和频率切换工作分散到各个模块内部。由于模块内部可以决定自己的频率，所以不需要专门的软、硬件负责调频，电路规划、调频接口的匹配方式更加灵活、有针对性，更符合模块化设计方针。根据跨时钟域接口的部署，分布式仲裁方式具有两种实施方案。

本发明方法设计了一个简单有效的三阈值策略指导调频，其主要目标是在满足网络流量需求的前提下，尽量使系统工作在较低的频率(能量)状态，并且避免工作频率的频繁切换。如图3所示，三阈值调频策略采用逐级跳转和快速切换相结合的方法：通过设定阈值T_high和阈值T_low进行逐级切换以保证系统在低功耗状态的时间，即当跨时钟域接口中的异步队列占用率高于T_high阈值(或低于阈值T_low)时，频率仲裁器将接口右侧区域(数据出口)的频率调高(低)一级；通过阈值T_top进行快速切换以减少流量延迟和包丢失，即无论何时只要跨时钟域接口的异步队列占用率高于阈值T_top，则立即将接口右侧区域(数据出口)的频率切换至最高频率状态。只要保证频率直接切换至最高频率时间到来的数据包可以被容纳至异步队列中，即异步队列总容量与阈值T_top的差值足够大，本发明方法提出的策略就可以从理论上排除数据包丢失的可能。此外，为了减少频率切换次数并降低数据延迟，系统在逐级切换时应当至少保持在该状态一段时间(冷却时间)以防止频率频繁切换。通过调整冷却时间，系统可以对频率调节的时间颗粒度进行控制以适应不同的网络应用环境。例如小型网络环境网络数据突发情况频繁，较小的冷却时间可以更快适应网络传输变化。再如切换的时间和功耗成本可以忽略不计，则应当采用小冷却时间；否则最好选取较大的异步队列缓存和冷却时间。

下面以调频路由器为例说明如何使用本发明方法，其系统划分如图1所示，包括频率仲裁器、网口、转发模块、交换模块、路由模块以及多个跨时钟域接口，其中频率仲裁器可以通过单独芯片或主控芯片中模块的形式实现，调频区域包括转发模块、交换模块、路由模块，非调频区域包括网口。调频路由器启动时，所有调频区域功能模块默认进入最高频率工作。经过一个冷却时间，如果跨时钟域接口中的异步队列占用率小于下调阈值，则将其对应调频模块频率调低一个级别；否则保持当前频率。根据本发明提出的策略，各个模块的频率应当保持在与当前负载相适应的水平。按照家用路由器的使用情况(流量水平不到其处理能力的10％)，调频路由器可以长期工作在低频状态，能够节约大量电能。

下面分别对集中式仲裁方式和分布式仲裁方式举例进行说明：

(一)、集中式仲裁

集中式仲裁方式要求所有调频模块的使用信息都汇总到独立的仲裁器，并由后者进行调频决策。根据生成时钟信号的位置，各个调频模块的频率可以由统一的频率仲裁器提供，也可以在调频模块内部生成并提供相关控制信号进行统一管理。本方案具体实施方式如下：

首先，针对特定网络设备，按照本发明提出的原则划分调频区域与非调频区域。在调频区域内，使用频率范围支持较为广泛的器件以增加频率调节范围。如果采用频率仲裁器提供的时钟信号，各个模块不需要做额外改动；如果采用模块内时钟信号，则应提供频率选择接口给仲裁器，并根据仲裁器信号随时切换频率。

其次，调频模块与调频模块、调频模块与非调频模块之间通过跨时钟域接口进行连接。跨时钟域接口可以单独逻辑芯片或可编程模块的形式出现。跨时钟域接口应当与频率仲裁器直接相连，并通过寄存器信号读写的方式汇报当前模块处理速度与负载的匹配情况。

最后，集中式频率仲裁器可以使用硬件芯片的方式实现，也可以通过软件模块加硬件频率控制电路的方式实现(如果调频模块内部可以产生待选频率，则只需要基本控制电路即可)。以路由器为例，频率仲裁器可以作为路由器操作系统的一个模块，配合额外的频率产生/控制器发送合适的时钟信号到各个调频模块。频率仲裁器根据多阈值调频策略和各个跨时钟域中异步队列的使用情况调节频率并最终达到智能节能的目的。

图4和图5分别示意了集中式仲裁方式下分别采用独立型跨时钟域接口和嵌入式跨时钟域接口的结构以及数据流向示意图。

(二)、分布式仲裁

分布式仲裁方式要求每个功能模块设置本地的频率仲裁器，负责本模块待选频率生成和调频决策。换句话说，分布式仲裁实施方式中各个调频模块具有自主调频功能。根据跨时钟域接口的分布位置具有两种实施方法：独立型跨时钟域接口和嵌入式跨时钟域接口。本方案具体实施方式如下。

首先，针对特定网络设备，按照本发明提出的原则划分调频区域与非调频区域。在调频区域内，使用频率范围支持较为广泛的器件以增加频率调节范围。具体调频决策和待选频率产生可以通过FPGA等芯片完成，具有较低的成本、较高的灵活度。

其次，调频模块与调频模块、调频模块与非调频模块之间通过跨时钟域接口进行连接。跨时钟域接口可以单独逻辑芯片或可编程模块的形式出现，也可以在调频模块内本地频率仲裁器中(FPGA或ASIC)通过芯片资源的形式实现。前者符合模块化设计原则，减少模块的耦合性；后者可以简化电路，降低实施难度。使用分布式仲裁、将跨时钟域接口纳入本地仲裁器的实施方式对当前网络设备的设计与实施要求较低，基本不需要更改板卡设计电路图(要求模块内设计更新)即可实现。

最后，分布式仲裁方式中，每个调频模块的频率仲裁器可以使用硬件芯片的方式实现，也可以通过软件模块加硬件频率控制电路的方式实现(如果调频模块内部可以产生待选频率，则只需要基本控制电路即可)。以路由器为例，频率仲裁器可以作为路由器操作系统的一个模块，配合额外的频率产生/控制器发送合适的时钟信号到各个调频区域。频率仲裁器根据多阈值调频策略和各个异步时钟接口的使用情况调节频率并最终达到智能节能的目的。

图6和图7分别示意了分布式仲裁方式下分别采用独立型跨时钟域接口和嵌入式跨时钟域接口的结构以及数据流向示意图。

由上可见，本发明方法申请保护的通过调节芯片频率降低网络设备功耗的网络设备架构，适用于各类网络设备的调频架构，允许内部各个模块(调频区域)根据网络负载动态调节自身工作频率，以达到动态降低功耗的目的，具有调频潜力大、适用性强等特点，在保证了用户正常使用网络的同时，又兼顾低能耗，是一种符合当代节能减排精神的发明。从基于NetFPGA的原型系统及软件模型的实验来看，调频网络设备在实验的六十分钟内，其电能消耗是不调频的60％-80％，如图8所示，具有非常广阔的应用前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，或者对其中部分技术特征进行等同替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种支持调频降耗的网络设备节能方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、划分调频区域：

以功能模块为单位，将网络设备中的功能模块进行划分，将可以进行调频设置的功能模块称为调频模块，所有调频模块组成调频区域，调频区域支持多种频率；将不可以进行调频设置的功能模块称为非调频模块，所有非调频模块组成非调频区域；各功能模块之间信号传递以数据包为基本单位，符合松耦合设计的原则；

步骤2、实现异步时钟通信：

异步时钟通信由跨时钟域接口完成，跨时钟域接口包括输入处理模块、异步队列和输出处理模块；跨时钟域接口与具有不同时钟信号的功能模块直接相连，在其间中继数据包，具备缓存数据功能；跨时钟接口的输入/输出处理模块分别与直连的功能模块始终工作在相同频率；切换频率时，频率仲裁器对目标调频模块及与其直连的输入/输出处理模块的时钟同时进行修改，完成调频；

步骤3、实现频率仲裁器调频：

频率仲裁器完成以下工作：时钟信号生成、系统状态监控和频率切换；

时钟信号生成：接收晶振产生的原始时钟信号并输入至内部数字时钟分频器，将原始时钟信号转换成多组高精度、不同频率的时钟信号作为调频选项；

系统状态监控：通过查看各个跨时钟域接口的异步队列占用率获得当前流量负载情况，并根据流量负载情况调节模块频率；

频率切换：接收由系统状态监控发出的调节模块频率命令，将备选时钟信号通过低延时、低抖动的时钟信号线传递到目标调频模块和与其直连的跨时钟域接口输入或输出处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种支持调频降耗的网络设备节能方法，其特征在于，所述跨时钟域接口，可以分为独立型与模块嵌入型两种，其具体内容如下：

独立型跨时钟域接口使用单独的电路模块实现，其异步队列两端分别与数据上下游直连功能模块处于相同的工作频率，且支持较为广泛的调频选择；独立型跨时钟域接口向频率仲裁器汇报接口使用情况即异步队列占用率以供后者进行调频决策；独立型跨时钟域接口可以独立于特定功能模块，采用通用标准进行设计；

模块嵌入型跨时钟域接口在可调频模块内部实现，可以作为调频模块内部芯片的一部分；同独立型跨时钟域接口一样，其异步队列两端分别与数据上下游直连的功能模块处于相同的工作频率，并且向频率仲裁器汇报接口使用情况即异步队列占用率；不同点在于，模块嵌入型跨时钟域接口与特定调频模块相适应，具有较高的专用性，可以根据模块特性进行优化。

3.根据权利要求1所述的一种支持调频降耗的网络设备节能方法，其特征在于，所述频率仲裁器调频，包括流量感知方法、多阈值调频策略和频率仲裁器配置方法三部分内容：

流量感知方法：跨时钟域接口的异步队列占用率可以作为调频指示器，感知当前网络负载与数据下游系统处理能力的匹配情况：异步队列占用率升高表明接口下游模块处理速度低于当前网络负载，反之则表明下游模块有进一步降低频率的潜力；

多阈值调频策略：包括逐级调节和快速切换两部分，分别通过检查三个阈值T_high、T_low和T_top进行实现；通过设定阈值T_high和阈值T_low进行逐级切换以保证系统在低功耗状态的时间，即当跨时钟域接口中的异步队列占用率高于阈值T_high(低于阈值T_low)时，频率仲裁器将跨时钟域接口的数据下游一侧功能模块频率调高(低)一级；通过阈值T_top进行快速切换以减少流量延迟和包丢失，即无论何时只要异步队列占用率高于阈值T_top，则立即切换数据下游一侧功能模块频率至最高频率状态；

频率仲裁器配置方法：按照位置区分，频率仲裁器具有两种配置方式：集中式仲裁方式和分布式仲裁方式，其可以与前面所述两类跨时钟域接口结合使用：

集中式仲裁方式要求所有调频模块的使用信息都汇总到独立的频率仲裁器，并由后者进行调频决策；根据系统生成的时钟信号，各个调频模块的频率可以由统一的频率仲裁器提供，也可以在调频模块内部生成并提供相关控制信号给频率仲裁器，由频率仲裁器进行统一管理；

分布式仲裁方式要求每个调频模块设置本地的频率仲裁器，负责本模块调频决策以及目标频率生成，即分布式仲裁方式中各个调频模块具有自主调频功能。