TWI419530B - 高能效乙太網方法和高能效乙太網物理層設備 - Google Patents

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Description

高能效乙太網方法和高能效乙太網物理層設備
本發明涉及乙太網系統，更具體地說，涉及一種用於允許遺留(legacy)介質訪問控制器(media access control，MAC)進行高能效乙太網(energy efficient Ethernet，EEE)操作的系統和方法。
電量成本持續上升，這種趨勢在近些年發展很快。在這種情況下，許多行業都已變得對這些上升的成本所帶來的影響非常的敏感。在這方面，受關注成都不斷提高的一個領域是IT架構領域。許多公司密切注視其IT系統的電量使用情況，以判斷電量成本是否可以降低。出於這一原因，出現了一個專注於高能效網路的行業，其全部宗旨是解決由使用IT設備(也就是PC、顯示器、印表機、伺服器、網路設備等等)所帶來的不斷增加的成本而引發的問題。
在設計高能效解決方案時，一個值得考慮的問題是網路鏈路上的流量模型。例如，在偶爾發生的資料突發之間的間歇，許多網路鏈路通常都出於空閒狀態，而在其他網路鏈路之中，則存在有規律或周期性的低帶寬流量，同時伴隨著高帶寬流量突發。在設計高能效解決方案時另一個值得考慮的問題是，流量對緩衝和延遲的敏感程度。例如，一些流量類型(例如HPC簇或高端24小時資料中心)對延遲非常敏感，從而給緩衝帶來困難。出於這些和其他原因，對不同的流量模型應用高能效概念需要不同的解決方 案。這些不同的解決方案尋求將鏈路、鏈路速率和和鏈路之上的層與優選解決方案相適應(基於不同的電量成本和對流量產生的影響)，這些解決方案自身也與應用有關。
應當注意的是，EEE解決方案通常需要在不同層之間進行協調。例如，EEE機制可在物理層設備(PHY)之中實現，以便將PHY在各種電量狀態之間進行跳變。為了支援這些不同的PHY電量狀態，MAC及其上層(包括矽、軟體和固件)也需要對其操作進行控制以實現EEE控制策略。在理想情況下，可對包含MAC的設備進行更新以適應這種EEE機制。否則，在包含遺留MAC矽的系統中為實現EEE而對PHY作出的任何創新都將是無用的。因此，需要一種機制，允許遺留MAC能夠適應支援EEE的PHY。
依據本發明的一個方面，提供了一種應用在物理層設備之中的高能效乙太網方法，包括：檢測到物理層設備需要在不同功耗模式之間進行跳變；回應在不同功耗模式之間的跳變，在所述物理層設備中生成暫停幀；以及從所述物理層設備向介質訪問控制設備發送所述生成的暫停幀，其中所述生成的暫停幀指示所述介質訪問控制設備降低發往所述物理層設備的流量的數量，以使所述物理層設備對所述跳變進行適應。
優選的，所述跳變為跳變至低功耗空閒模式。
優選的，所述跳變為跳變至子集物理層設備模式。
優選的，所述物理層設備為背板設備。
優選的，所述物理層設備為雙絞線設備。
優選的，所述檢測包括監聽流量佇列。
優選的，所述檢測包括監聽子系統狀態。
優選的，所述跳變為鏈路雙向對稱跳變的一部分。
優選的，所述跳變為鏈路單向非對稱跳變的一部分。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於將增強型物理層設 備鏈結到遺留介質訪問控制設備的高能效乙太網方法，包括：檢測到增強型物理層設備需要跳變至低功耗模式；以及回應檢測到的所述需要，降低從遺留介質訪問控制設備發往增強型物理層設備的流量，其中所述降低包括使用所述遺留介質訪問控制設備支援的背壓控制機制發送信號。
優選的，所述發送信號包括發送暫停幀。
優選的，所述檢測包括監聽流量佇列。
優選的，所述檢測包括監聽子系統狀態。
優選的，所述發送信號並非基於直接流量測量。
優選的，所述發送信號並非基於來自對等設備(peer device)的命令。
優選的，所述背壓控制機制包括片上記憶體緩衝。
依據本發明的一個方面，提供了一種連接至介質訪問控制設備的高能效乙太網物理層設備，包括：控制模組，用於生成控制信號，以回應物理層設備跳變至低功耗模式的需要；以及暫停生成模組，與所述控制模組相連，用於回應所述生成的控制信號，生成暫停幀，並將所述暫停幀發往所述介質訪問控制設備，以降低從遺留介質訪問控制設備發往物理層設備的進站流量。
優選的，所述暫停生成模組由硬體實現。
優選的，所述暫停生成模組由軟體實現。
優選的，所述控制模組生成控制信號，以回應低功耗空閒模式跳變。
優選的，所述控制模組生成控制信號，以回應子集物理層設備模式跳變。
優選的，所述設備還包括緩衝記憶體，用於存儲從介質訪問控制設備收到的流量。
優選的，所述設備還包括緩衝記憶體，用於存儲從遠端接收到的流量。
110‧‧‧乙太網控制器
111‧‧‧物理層設備(PHY)
113‧‧‧介質訪問控制(MAC)
114‧‧‧緩衝器
115‧‧‧處理器
116‧‧‧PCI快速設備
130‧‧‧主機系統
200‧‧‧交換系統
210‧‧‧交換機
220‧‧‧緩衝器
230‧‧‧控制器
310‧‧‧伺服器
312‧‧‧暫停電路
314‧‧‧流控
316‧‧‧暫停計時器
318‧‧‧高能效乙太網(EEE)控制模組
320‧‧‧交換機
510‧‧‧EEE PHY
512‧‧‧接收(RX)緩衝器
520‧‧‧EEE PHY
532‧‧‧暫停幀
534‧‧‧暫停幀
圖1是依據本發明一較佳實施例的控制器的示意圖； 圖2是依據本發明一較佳實施例的切換器的示意圖；圖3是依據本發明一較佳實施例的基於高能效乙太網PHY且通過控制策略輔助使用暫停來生成暫停幀的示意圖；圖4是依據本發明一較佳實施例的本發明處理過程的流程圖；圖5是依據本發明一較佳實施例的包含接收緩衝的高能效乙太網PHY一實施例的示意圖。
為了描述本發明所述的以及其他優點和特徵，以上對本發明內容的簡單描述將在後續結合附圖中示出的具體實施例進行詳細介紹。應該理解的是，這些附圖僅僅示出了本發明的典型實施例，而不因此被認為是限制本發明的範圍。下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
本發明提供了一種用於允許遺留(legacy)介質訪問控制進行高能效乙太網(EEE)操作的系統和方法，在至少一副附圖中做了描述，並結合權利要求做了完整的定義。
下文將詳細描述本發明的各個實施例。儘管下文將討論一些具體的實現，但應明白，這些描述只是用於闡述本發明的主旨。本領域的技術人員將會發現，在不脫離本發明主旨和範圍的情況下，也可使用其他元件和配置。
乙太網技術已經變得越來越普遍，其已經應用到多種環境之中(例如雙絞線、背板等等)。IEEE 802.3az高能效乙太網(EEE)繼續對用於降低低鏈路使用期間內所耗用的電量的各種方法進行評估。在這一過程中，可以定義一個協定，該協定可回應網路要求之中的變化，以便跳變至低功耗模式，從低功耗模式中跳出。
通常，將鏈路速率降至主速率的子速率可降低功耗，因此可 節省電量。在一個實施例中，該子速率可以是零速率，其節省的能量最多。
子速率(subrating)的一個例子是通過使用子集PHY技術。在該子集PHY技術中，通過將PHY跳變至低鏈路速率(可由父PHY的子集支援)，可滿足低鏈路使用區間。在一個實施例中，子集PHY技術可通過關閉父PHY的一些部分來實現，以支援低速率或者子集速率上的操作。例如，子集1G PHY可從父10GBASE-T PHY中生成，這是通過關閉四條通道之中的三條來實現的。在另一實施例中，子集PHY技術可通過降低父PHY的時鐘速率來實現。例如，父PHY具有一增強核，其速率可通過一因數在低鏈路使用過程中降低1/10，而當收到突發資料時提高1/10。在1/10這一實例中，1個10G的增強核可在空閒時向下跳變到1G鏈路速率，而在需要發送資料時恢復到10G鏈路速率。
子速率的另一個例子是通過使用低功耗空閒(LPI)技術。通常LPI依靠的是當沒有資料需要發送時，將活躍通道變為靜默通道。因此，當鏈路關閉時，能量也隨之減少。可定期發送刷新信號來實現從睡眠模式中喚醒。在另一實施例中，可在介面(也就是介質獨立介面(MDI)和PHY/介質訪問控制(MAC)介面)上使用同步信號，以便從睡眠模式中快速喚醒，並保持頻率鎖定。例如，在10GBASE-T信號的MDI介面上，可在LPI模式下，在線對A(pair A)上使用簡單的PAM2偽隨機比特序列。這樣的操作不會顯著的增加功耗。通常，無論是子集技術還是LPI技術都包含在低鏈路使用過程中關閉或者調整PHY一部分的操作。
無論EEE PHY支援何種低功耗模式，在將EEE PHY連接到遺留MAC時，都會使PHY之中的EEE機制失效。因此人們希望在使用新的EEE PHY的過程中，重用現有的MAC設備，卻又不會損壞EEE PHY功能。
由於占市場較大份額的控制器或交換機晶片集成了MAC或 者包含MAC的遺留晶片(但又允許外部PHY連接)，因此本發明的這一特徵非常有價值。在這種環境下，外部EEE PHY可連接至現有的遺留MAC。通過引入一種機制，使得EEE PHY功能能夠與遺留MAC設備共同工作，現有遺留設備可盡享EEE帶來的好處，而又無需對整個設備進行檢查。
為了節省電量，鏈路的容量將被降低。當PHY處於低功耗狀態時，PHY之上的其他層能夠以全速率(最初在鏈路啟動時協商得到的)突發輸出。如果MAC及其高層能夠支援EEE，則PHY之上的子系統將具備足夠的緩衝，以允許鏈路恢復到最初速率。在不支援EEE的遺留系統中，即使存在記憶體，PHY之上的子系統也無法即時的使用它。
依據本發明，可增強包含MAC的設備(例如網路交換機、控制器等等)的功能，以使其適應EEE機制。在一個實施例中，將引入背壓機制，其允許當PHY處於低電量狀態或者跳出低電量狀態時，遺留MAC關閉(hold off)。此外，EEE控制策略可使用背壓機制中的緩衝系統來觸發跳變至各種PHY電量狀態或者從其中跳出。實際上，依據本發明的一個特徵，日常用於暫停幀的晶片記憶體可進行重用，從而使得EEE不需要額外的記憶體來進行緩衝(在電量狀態之間跳變的過程中)，並且對EEE控制策略提供輔助。
圖1是依據本發明一較佳實施例的實現為控制器的包含MAC的設備一實施例的示意圖。在多個實施例中，該控制器可以是用戶端(例如筆記本、臺式機或工作站)、伺服器(例如音頻-視頻(AV)伺服器、高性能計算(HPC)伺服器)或者消費類設備(例如HDTV、藍光等)的一部分。如圖所示，主機系統130連接到集成的乙太網控制器110。乙太網控制器110進一步包括PHY 111，其連接到MAC 113。在描述的實施例中，MAC 113通過記憶體控制器連接到PCI快速設備116，其中MAC 113還連接到緩衝器114和處理器115。
圖2是依據本發明一較佳實施例的實現為網路交換機的包含MAC的設備一實施例的示意圖。在各種實施例中，交換系統200可代表路由器或者具備多埠交換功能的任何其他設備。在各種例子中，交換機可以使用戶級、SMB、企業級、城域級或者訪問交換機。在另一實施例中，交換系統200可代表IP電話(VoIP)晶片，其具有網路介面(埠0)和PC介面(埠1)。在另一實施例中，交換系統200可代表服務提供商接入網路之中的用戶端設備(CPE)，該接入網路包括光中心局(CO)介面(埠0)和連接家庭和/或閘道的多個介面(埠1-N)(例如，CPE可簡單的看作介質轉換器和/或家庭閘道的一部分)。此外，交換系統200還可代表接入點，例如WLAN基站。
如圖所示，交換系統200包括交換機210，其通過MAC和PHY介面支援內部埠和多個外部埠0-N。應明白，所支援的內部介面可依據具體實現而不同。例如，VoIP電話可包括內部介面，而交換機則不包括。如圖2所示，交換機210還由緩衝器220和控制器230所支援。
如圖所示，圖1和圖2中的PHY為增強EEE PHY設備。這些增強EEE PHY設備可使用到現有集成的乙太網控制器110或交換系統200之中。從系統的角度來看，相對于使用全新的晶片和相關聯的軟體，人們更希望對增強EEE PHY設備的性能進行改善。出於該原因，需要一起使用現有的MAC設備和增強EEE PHY設備。如上文所述，這種情況代表了今天包含MAC市場的絕大部分份額。
依據本發明，現有MAC設備可與增強EEE PHY設備一同使用，這是通過在EEE增強PHY中增加一些功能以生成暫停幀來實現的，該暫停幀可沿協定棧向上傳送至PHY的控制MAC。為描述本發明的特徵，現在結合圖3來描述本發明的技術方案。
如圖3所示，伺服器310通過增強EEE PHY與交換機320通 信。此處，伺服器310中的增強EEE PHY包括暫停電路312，其用於發起和發送暫停幀給伺服器310中的MAC。
此處，應注意，傳統系統通常發送的暫停幀為由遠端設備(遠端/鏈路夥伴)例如交換機320生成的暫停幀。這種情況是，例如，當交換機320中的接收緩衝器溢出時，從交換機320通過鏈路向伺服器310發送一個請求，以請求伺服器310停止後續的傳送。在本發明中，暫停幀是由鏈路同側的同一設備之中的增強EEE PHY來生成的，在該設備之中，傳輸操作請求暫停。很明顯，暫停幀可由EEE控制策略來觸發生成。使用暫停幀的另一個優點是，其進入系統緩衝器以執行暫停操作，這通常遠大於可以輸入到PHY之中的其他幀。
如圖3所示，暫停幀由暫停電路312發往伺服器310之中的MAC。該暫停幀應用在伺服器310的背壓機制之中。背壓機制由MAC之中的流控(flow control)314來實現。在收到暫停幀之後，流控314停止後續的傳送，直到暫停計時器316超時。暫停後續的傳輸導致流量堆積在伺服器310的緩衝器中。
在一個實施例中，暫停計時器316可設置為暫停幀所指示的值，從而在特定時間段內暫停傳輸。對於進入或者離開低功耗模式的EEE PHY，該特定的時間段可設置為足以支援完成在兩個不同PHY電量狀態之間的跳變。在一個例子中，該特定時間段允許當EEE PHY從低功耗模式返回活躍狀態時，對自身重新建立同步/保持同步。在一個實施例中，在收到暫停0幀後，暫停的傳輸將重新開始。
如前所述，暫停電路312生成暫停幀的操作是由EEE控制策略觸發的。如圖3所示，該EEE控制策略可至少部分的在EEE PHY中的EEE控制模組318中實現。在一個實施例中，整個EEE控制策略均包含在EEE PHY中。在另一實施例中，EEE控制策略可完全由高層來觸發，該高層可訪問流量模型，但無法即時控制緩衝 器。
在操作過程中，EEE控制模組318提醒暫停電路312需要生成暫停幀。例如，EEE控制模組318可提醒暫停電路312，在EEE控制模組318確定EEE PHY進入低功耗模式時，生成暫停幀。應當明白，可基於各種EEE考慮來決定跳變至低功耗模式或者從中跳出。通常，EEE控制機制可觸及協定棧之中和鏈路上的多個設備和軟體。無論所實現的EEE控制策略機制是何種類型，EEE控制模組318可生成一觸發信號，以觸發暫停電路312為MAC生成暫停幀。
例如，假設10G乙太網控制器不包含任何支援EEE增強PHY低功耗模式的硬體。到低功耗模式的跳變可基於來自鏈路夥伴或者設備自身EEE控制策略的請求(例如，當PCIE進入L1狀態、緩衝器級觸及浮水印、流量佇列速率的變化到達閾值等時觸發)。當EEE增強PHY開始跳變至低功耗模式時，EEE控制模組318指示暫停電路312生成暫停幀，並發往10G乙太網控制器。該暫停背壓機制防止本地MAC向EEE增強PHY發送資料。當EEE增強PHY退出低功耗模式時(由本地控制策略或者鏈路夥伴請求)，在PHY返回並進入穩定狀態並準備好發送資料時，將暫停計時器設置為0。
為了進一步描述本發明的特徵，現在參考圖4進行描述。如圖所示，處理過程開始於步驟402，EEE控制制策略指示需要跳變至低功耗模式。應當明白，EEE控制策略可基於對鏈路任一端各種鏈路相關參數的分析。無論使用的是何種EEE控制策略，PHY都將提示需要跳變至低功耗模式。
在收到該指示後，在步驟404，EEE PHY之中的EEE控制隨後向EEE PHY之中的暫停電路發出信號，指示進行功耗模式跳變。回應收到的信號，EEE PHY之中的暫停電路隨後生成暫停幀(步驟406)。在步驟408，EEE PHY隨後將生成的暫停幀發往遺留 MAC。在收到暫停幀後，遺留MAC在步驟410暫停向發出該暫停幀的EEE PHY發送流量。該發送暫停狀態將一直持續，直到暫停計時器超時，或者收到0暫停幀。在這點上，與EEE有關的功能隨後開始，EEE PHY在步驟412跳變至低功耗模式(例如LP1或者子集PHY模式)。在該低功耗模式下，EEE控制策略將在步驟414對情況進行監視。在該監視過程中，EEE控制策略監視暫停計時器是否超時，以確定其是否過期或者是否應發送另一暫停幀。此外，EEE控制策略還可確定是否應發送0暫停幀，以跳出該模式。
如上文所述，EEE控制策略可用來觸發生成暫停幀’因而以唯一的方式調節現有背壓機制。在另一實施例中，可使用軟體機制來類比收到EEE PHY生成的暫停幀。在這種方式中，無需對硬體暫停機制進行觸發，在軟體中實現類似的結果。在另一實施例中，可使用不帶有暫停電路的PHY，該PHY中設置有軟體機制，以類比接收到EEE PHY生成的暫停幀。
在一個實施例中，EEE PHY生成的暫停機制可結合其他機制(用於處理來自MAC的流量)一起使用，該MAC在這時無法與PHY相適應。例如，本發明的主旨可與其他緩衝機制(MAC或者PHY之中可用的用於接收發往PHY的流量的緩衝機制)一起使用。這些其他的緩衝可用于從傳統生成的暫停幀中接收流量，其中不排除將暫停幀用於EEE目的。其他的緩衝也可用於降低延遲。
在一個實施例中，如圖5所示，EEE PHY還在接收(RX)一側包含緩衝器。EEE PHY 510中的RX緩衝器512用於對從EEE PHY 520收到的流量進行緩衝。這種RX緩衝的一個好處是，EEE PHY 520可向EEE PHY 510發送流量，當EEE PHY決定跳變到低功耗模式時。如上文所述，這一跳變過程還伴隨著在本地一側生成暫停幀532。在這種方案中，RX緩衝器512可用於接收接收一側的進站資料，以確保暫停幀532不會錯過來自遠端一側的EEE PHY 520的任何分組資料。在一個實施例中，RX緩衝器512是一個相對較淺的緩衝器，其在暫停幀532(例如64位元組的分組)發往MAC的同時接收接收一側流量。應注意，一種可以避免RX緩衝的方法是等待Y秒，以在發送暫停幀之前監視RX。
在EEE PHY 510中使用RX緩衝器532的另一個好處是，可使得EEE PHY 510能夠檢查來自EEE PHY520的幀，以確定其中是否包含暫停幀。這種檢查過程是有好處的，當遠端一側對前一突發數的反應發生延遲的時候。該流量突發將導致EEE PHY 520生成傳統的暫停幀534。通常，由遠端一側生成的暫停幀534的值將不同於在本地一側生成的暫停幀532。例如，暫停幀534的值可能小於暫停幀532。在另一實施例中，遠端一側可能已經發出了一個暫停幀，其值大於本地一側發出的暫停幀。在這些方案中，EEE PHY510可對發往MAC的暫停幀的暫停值進行解釋和重寫，以適應(account for)其他暫停幀。通過該過程，EEE PHY510可追蹤各種暫停請求。
應注意，為適應超過RX緩衝器512大小的巨幀(例如9k)，EEE PHY510可用于生成傳統的暫停幀，以便在發送本地生成的暫停幀給MAC之前，先發往遠端一側。
應注意，本發明的主旨可使用在各種PHY/MAC介面之中。例如，本發明的PHY/MAC信號可在連接單元介面(AUI)、介質獨立介面(MII)、串列MII(SMII)、簡化MII(RMII)、吉比特MII(GMII)、簡化GMII(RGMII)、串列GMII(SGMII)、10吉比特MII(XGMII)、10-GAUI(XAUI)或者類似的介面上以帶外信令機制在基於寄存器的通信中實現。此外，本發明的主旨可與多種PHY類型(例如背板、雙絞線、光等)和標準或非標準鏈路速率(例如2.5G、5G、10G等)以及將來的鏈路速率(例如40G、100G等)一起使用。
應注意，本發明的主旨可應用於EEE的對稱或非對稱應用。 在EEE的對稱應用中，鏈路的兩個方向可在多種功耗模式之間以一致的方式進行跳變。在EEE的非對稱應用中，鏈路的兩個方向可在多種功耗模式之間獨立的跳變。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
圖4為流程圖，無元件符號說明

Claims (7)

  1. 一種應用在物理層設備之中的高能效乙太網方法，其特徵在於，包括：藉由所述物理層設備中的控制模組檢測到物理層設備需要在不同功耗模式之間進行跳變；在所述物理層設備中的所述控制模組產生控制訊號回應所述檢測；暫停生成模組藉由所述控制訊號，生成傳送至本地介質訪問控制設備的暫停幀，在所述物理層設備中的所述暫停幀開始回應在不同功耗模式之間的跳變；以及其中所述暫停幀藉由所述暫停生成模組開始指示所述本地介質訪問控制設備降低發往所述物理層設備的流量的數量，以使所述物理層設備對所述跳變進行適應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述跳變為跳變至低功耗空閒模式。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述跳變為跳變至子集物理層設備模式。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述物理層設備為背板設備。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述物理層設備為雙絞線設備。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述檢測包括監聽流量佇列。
  7. 一種連接至本地介質訪問控制設備的高能效乙太網物理層設備，其特徵在於，包括：控制模組，用於生成控制信號，以回應物理層設備在不同功耗模式之間進行跳變的需要；以及暫停生成模組，與所述控制模組相連，用於回應所述生成的控 制信號，生成暫停幀，並將所述暫停幀發往所述本地介質訪問控制設備以及開始回應物理層設備在不同功耗模式之間進行跳變的需要，以降低從遺留介質訪問控制設備發往物理層設備的進站流量。
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