Ariel Wymysłowski,
Radosław Prześlakiewicz
Oszczędzanie energii, Wake on LAN, APM, ACPI, Energy Star
Adaptive Link Rate
WoLAN
- standard w sieciach Ethernet który pozwala na zdalne włączanie lub wybudzanie komputera ze
stanu uśpienia przy pomocy wiadomości, zwanej magicznym pakietem. Wiadomośd jest zazwyczaj wysyłana
przez program uruchamiany na innym komputerze w tej samej sieci lokalnej. Zazwyczaj, ponieważ Istnieją
jeszcze inne technologie, jak np.: WoWLAN, WoWAN, WoInternet itd.
Wymagania - Wsparcie dla WoLAN zaimplementowane jest na płycie głównej (w BIOSie) oraz w firmware karty
sieciowej. WoLAN nie jest zależny od systemu operacyjnego. Jeżeli karta sieciowa nie jest zintegrowana z płytą
główną, może byd wymagane połączenie z płytą główną dodatkowym kablem.
Zużycie prądu – aby Wake on Lan działał, części interfejsu sieciowego muszą pozostad włączone. Pobierane
jest dużo mniej prądu niż podczas normalnego działania. Jeżeli WoL nie jest potrzebny, wyłączenie go może
ograniczyd zużycie prądu gdy komputer jest wyłączony ale nadal podłączony do zasilania.
Działanie - WoL zaimplementowany jest przy pomocy wspomnianego wcześniej magicznego pakietu. Zawiera
on adres MAC docelowego komputera, który ma byd włączony. Komputer czeka na magiczny pakiet
zaadresowany do niego i po otrzymaniu takowego, rozpoczyna wybudzanie komputera.
Magiczny pakiet wysyłany jest w warstwie drugiej (łącza danych) modelu OSI i broadcastowany jest do
wszystkich interfejsów sieciowych używających tego adresu broadcastowego. Adres IP (warstwa 3) nie jest
używana co zapewnia niezależnośd od aplikacji oraz platform.
Magiczny pakiet – ramka broadcastowa, zawierająca w swoim polu danych 6 bajtów 255 (FF) i następujące po
nich powtórzone 16 razy 48 bitów adresu MAC komputera docelowego. Pakiet może byd wysyłany jako
dowolny protokół warstwy sieciowej lub transportowej. Zazwyczaj jest to data gram UDP wysłany na port 7 lub
9, ale może byd on wysłany na dowolny port.
Rys. 1. Zawartośd magicznego pakietu widoczna w programie Wake On Lan Monitor
Jest wiele możliwości na wysłanie magicznego pakietu. Wszystkie nowoczesne systemy posiadają takie
oprogramowanie (Windows, Linux, Mac). Istnieją strony internetowe z których można taki pakiet wysład.
Potrafią to robid niektóre smart fony a także routery z klientem Wake On Lan.
Ograniczenia magicznego pakietu
wymaga adresu MAC komputera docelowego (może też wymagad hasła SecureOn)
nie zapewnia potwierdzenia dostarczenia
może nie działad poza siecią lokalną lub jej fragmentem
wymaga sprzętowego wsparcia po stronie budzonego komputera
Routing Magicznego Pakietu – pakiety typu broadcast nie są routowane przez routery, co przeszkadza w
używaniu WakeOnLan w większych sieciach lub przez Internet. Aby ominąd to ograniczenie stosuje się tzw.
Subnet Direct Broadcasts. Dzięki temu, pakiety WoL są traktowane jak zwykłe pakiety, i dopiero gdy dotrą do
docelowego routera (zdalnej sieci) jest on traktowany jako pakiet do broadcastowania. Jednakże aby tego
dokonad, wszystkie routery przez które pakiet będzie przechodził w drodze do docelowej sieci muszą mied
możliwośd forwardowania SDB. Należy uważad, żeby ograniczyd to np. tylko do ramek WoL, aby zapobiec
atakom DDoS.
Bezpieczeostwo – przesyłanie magicznych pakietów w warstwie drugiej jest możliwe dla każdego użytkownika
w danej podsieci. Poza filtrowaniem ramek broadcastowych w firewallach stosowad można dodatek zwany
SecureOn. W interfejsie sieciowym przechowywane jest 6bajtowe hasło w systemie szesnastkowym. Klient
musi dodad to hasło do magicznego pakietu. Interfejs sieciowy wybudza komputer tylko wtedy, gdy zgadza się i
adres MAC i hasło. Znacząco zmniejsza to prawdopodobieostwo powodzenia ataków brute force. Oczywiście w
wypadku włączenia komputera przez nieupoważnioną osobę nadal pozostają inne metody uwierzytelniania
(systemowe).
Sprzęt - starsze płyty główne muszą byd wyposażone w tzw. WAKEUP-LINK podłączony do karty sieciowej
poprzez 3pinowy kabel. Systemy wspierające PCI 2.2 z kompatybilną kartą sieciową nie wymagają zazwyczaj
dodatkowego kabla ponieważ wszystko odbywa się z wykorzystaniem magistrali PCI, która przesyła i odbiera
PME (Power Management Events). WoL musi byd włączony w sekcji Power Management w BIOSie. Czasami
opcja ta jest włączona domyślnie (Mac). Niekiedy trzeba skonfigurowad komputer tak, aby zarezerwował
trochę energii na kartę sieciową gdy system jest wyłączony.
Rys. 2. Karta sieciowa z przewodem Wakeup Link oraz screenshot sekcji Power Management BIOS-u z zaznaczoną opcją
włączania oraz wyłączania funkcji Wake On LAN.
Niekiedy opcję WoL trzeba uruchomid na samej karcie sieciowej. Robi się to z poziomu systemu operacyjnego,
działając na sterowniku karty.
Karty sieciowe firmy Broadcom posiadają możliwośc wyboru trybu w jakim karty pracują oczekując na
magiczny pakiet. Domyślnie jest to 10Mb/s. Może to powodowad problemy w przypadku multicastów. Karty
broadcom posiadają możliwośd ustalenia prędkości z jaką karta ma pracowad w trybie oszczędzania
energii.(10Mb/s, 100Mb/s lub automatycznie)
ACPI
Advanced Configuration and Power Interface – otwarty standard opracowany przez Intel, Microsoft i Toshiba
do których potem dołączyły HP oraz Phoenix, ogłoszony pod koniec 1996 roku. Zwiększa możliwości APM
nadając większą rolę systemowi operacyjnemu. Może on kontrolowad ilośd energii dostarczanej do
poszczególnych urządzeo komputera oraz podobnie jak APM umożliwia ich wyłączanie. BIOS udostępnia
systemowi operacyjnemu narzędzia pozwalające na bezpośrednią ingerencję w szczegóły pracy urządzeo.
ACPI wprowadziło możliwośd przeniesienia systemu komputerowego w stan kraocowo niskiego poboru mocy,
gdzie zasilanie odłączone jest nawet od pamięci urządzenia ale z którego system można bardzo szybko
wybudzid. Było to do tamtej pory spotykane tylko w urządzeniach przenośnych.
Aby korzystad ze standardu ACPI potrzebny jest zarówno specjalnie zaprojektowany system jak i chipset płyty
głównej oraz w niektórych wypadkach procesor komputera.
Globalne stany maszyny – według specyfikacji ACPI komputer może znajdowad się w 7 stanach:
G0 komputer działa
G1 uśpiony
o S1 – zasilanie procesora i RAM zachowane, reszta urządzeo wyłączona
o S2 – procesor wyłączony
o S3 – Standby, zawieszony w RAMie, RAM pozostaje zasilany
o S4 – Hibernacja, zawieszenie na dysku, RAM wyłączony
G2 – Soft Off – niektóre komponenty pozostają zasilane tak żeby komputer mógł się obudzid po
sygnale z klawiatury, zegara, modemu, LANu lub urządzenia USB.
G3 – mechanical Off – wszystko wyłączone i można odłączyd zasilanie. Tylko zegar systemowy działa
dzięki swojej bateryjce
Stany procesora
C0 – normalny
C1 – nie wykonuje operacji ale może zacząd je wykonywad od razu
C2 – stop-clock, dłuższy czas wybudzenia
C3 – Sleep,
ACPI a urządzenia sieciowe – określone są 4 stany urządzenia
D0 – Wymagane – Urządzenie działa i dostarcza pełnej funkcjonalności i wydajności użytkownikowi. Jest w
pełni zgodne z wymaganiami podłączonej sieci.
D1 – opcjonalne – nie dostarcza odebranych pakietów do hosta, nie wysyła pakietów od hosta do sieci, nie
mogą wystąpid żadne przerwania, dane urządzenia (device context) mogą zostad utracone
D2 – opcjonalne – nie dostarcza odebranych pakietów do hosta, nie wysyła pakietów od hosta do sieci, nie
mogą wystąpid żadne przerwania, dane urządzenia (device context) mogą zostad utracone
D3 – wymagane - nie dostarcza odebranych pakietów do hosta, nie wysyła pakietów od hosta do sieci, nie
mogą wystąpid żadne przerwania, dane urządzenia (device context) zostaną utracone
Nie ma wyspecyfikowanych maksymalnych poborów mocy ani opóźnieo ponieważ różnią się one w dla różnych
technologii sieciowych. Opis dla D1 i D2 jest taki sam ponieważ ich implementacja jest uzależniona od
wymagao nośnika, wymaganej energii lub czasu potrzebnego do przywrócenia warstwy fizycznej. Gdy chcemy
np. zaimplementowad aby w stanie D1 urządzenie mogło reagowad na magiczny pakiet bo wymaga to
określonego poboru mocy, której w D2 może nie byd. Możemy też zaimplementowad te dwa stany aby mied
wybór pomiędzy małym opóźnieniem a niższym poborem mocy.
Zdarzenia wybudzenia
Link Status Event – wykrywanie zmian z dostępnością sieci. Np. gdy wykryta zostanie zmiana z link down na
link up, system przechodzi do stanu uśpienia ale na wyższym poziomie, takim, żeby mógł np. reagowad na
ramki Wake on LAN. Lub odwrotnie, przejście z link up na link down może powodowad głębsze uśpienie.
Wake Frame Event – wybudzanie na podstawie konkretnych danych przesyłanych przez sied, np. Magic Packet.
Przejścia pomiędzy stanami
D0 – Dx – przejście do stanu uśpienia. Jeżeli aktywny jest Wake on LAN przejście do stanu z najniższym
poborem mocy ale z jednocześnie z możliwością wybudzenia WoL. Jeżeli minął odpowiedni czas od
wykrycia link down przejście do stanu gdzie można wykryd link up.
D0 – D3 – system rozpoczął wyłączanie sieci. Przejście do stanu uśpienia gdzie wybudzanie jest
niemożliwe lub urządzenie może zostad wybudzone ze stanu D3
D1/D2/D3 – D0 – wybudzenie systemu, włącznie z wybudzeniem przez zdarzenie sieciowe.
ENERGY STAR
EnergyStar to międzynarodowy program mający na celu promowanie produktów energooszczędnych i
zmniejszenie wydzielania gazów będących przyczyną efektu cieplarnianego. Zainicjowały go w 1992 roku:
Amerykaoska Agencja Ochrony Środowiska oraz Departament Energii Stanów Zjednoczonych.
Komputery opatrzone logiem Energy Star, które wchodzą w tryb oszczędzania energii, muszą nadal zapewniad
zasilanie urządzeniom sieciowym aby nie przerwad połączenia.
Obecnie EnergyStar jest na etapie tworzenia specyfikacji dla małych urządzeo sieciowych (SNE). Planowane
zakooczenie prac to połowa 2011 roku. Następnie planowane są prace nad dużym sprzętem sieciowym.
Tematy nad którymi odbywają się dyskusje:
802.3az (EEE)
Automatyczne wyłączanie nieużywanych portów
Dostosowywanie mocy przekazywanej na port w zależności od długości kabla
Możliwośd wyłączania i włączania funkcji PoE
Efektywnośd zasilaczy
Do czego odnosi się EnergyStar
Routery kablowe
Przełączniki kablowe
Acces Pointy
Modemy
Karty sieciowe
Bramy (modem+routery)
Wzmacniasz Wi-Fi
Urządzenie do transmisji optycznej
Dlaczego Energy Star interesuje się sieciami?
Połączenie komputerów z siecią zwiększa zużycie prądu
Połączenia sieciowe mogą zagrozid prawidłowemu działaniu funkcji automatycznego wyłączania
Adaptive Link Rate
1.Wstęp
Ten dokument opisuje problem wysokiego zużycia energii przez koocówki łącz ethernetowych
oraz rozwiązanie tego problemu poprzez użycie mechanizmu ALR (Adaptive Link Rate). Z roku
na rok pojawia się coraz więcej interfejsów sieciowych, co powoduje coraz większe zużycie
energii i zwiększa skalę problemu. Oprócz tego sied ethernet staje się coraz szybsza, co
pociąga za sobą większe zużycie energii. Obecnie pobór energii przez koocówki urządzenia
elektroniczne wynosi co najmniej 250TWh/rok dla Stanów Zjednoczonych a roczny koszt
zużytej energii to około 20 bilionów dolarów. Połowa z tego to sprzęt IT komputery, serwery,
drukarki, urządzenia sieciowe i monitory*4+. Przedstawione dane ukazują nam skalę problemu.
Dla przykładu Ethernet 1Gbps pobiera 4W mocy więcej od łącza o prędkości 100Mbps, a
różnica między 1Gbps a 10Gbps znajduje się w granicach od 10W do 20W. Na wykresie poniżej
znajduje się wartośd 16W *3+
Rys.1 – Pobór mocy przez łącze w danym standardzie *3+
Łącza ethernetowe nie są w pełni wykorzystywane. Doświadczalne pomiary wykazują że
utylizacja mieści się w granicach od 1% do 5% *1+. Biorąc to pod uwagę widzimy że istnieje
możliwośd poczynienia oszczędności energii na łączach poprzez zmniejszanie przepustowości
w momentach małej utylizacji . Przykładowy ruch uniwersytecki[3] pokazuje nam teoretyczną
skalę oszczędności. Jak widad pełna przepustowośd jest potrzebna tylko w nie wielkim okresie
czasu.
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
65
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
93
95
97
99
101
103
105
107
109
111
113
115
117
119
121
123
125
127
129
131
133
135
137
139
141
143
145
147
149
151
153
155
157
159
161
163
165
167
169
171
173
175
177
179
181
183
185
187
189
191
193
195
197
199
0
20
40
60
80
100
120
Rys.2 – Wykorzystanie łącza *3+
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
61
63
65
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
91
93
95
97
99
101
103
105
107
109
111
113
115
117
119
121
123
125
127
129
131
133
135
137
139
141
143
145
147
149
151
153
155
157
159
161
163
165
167
169
171
173
175
177
179
181
183
185
187
189
191
193
195
197
199
0
20
40
60
80
100
120
Rys.3 – Możliwośd użycia mechanizmu ALR dla łącza *3+
2. ALR – mechanizm
2.1 Algorytmy
ALR powinien byd mechanizmem, który pozwoli na szybkie zmiany szybkości łącza, z jak
najmniejszym wpływem na opóźnienie pakietów. Ma maksymalizowad czas przebywania w
stanie wolnej prędkości(np. 100Mbps względem wartości nominalnej 1Gbps ) łącza oraz
minimalizowad opóźnienie pakietów. Tak więc mechanizm ALR możemy wyrazid jako
kompromis pomiędzy zużyciem energii, a opóźnieniem pakietów.
Aby osiągnąd postawiony sobie cel trzeba wybrad odpowiednią metodę przełączania wartości
szybkości łącza danych. Istnieje dwie takie metody:
a) Autonegocjacja
b) Dwukierunkowy algorytm używający ramek Mac
Autonegocjacja nadaje się do ustawiania inicjalnej wartości łącza natomiast przy zestawionym
łączu autonegocjacja wprowadza opóźnienie na poziomie 256ms dla standardu 10Base-T. Tak
wysokie opóźnienie na ogół nie jest akceptowalne. Dlatego też zostanie pominięta w tym
opracowaniu natomiast zostanie omówiona druga metoda opierająca się na ramkach MAC.
Rys.4 – Diagram obrazujący zasadę działania algorytmu używającego ramek MAC *1+
Strona która chce zmienid szybkośd łącza danych wysyła ramkę ALR REQUEST, druga
natomiast jeśli akceptuje tą zmianę wtedy wysyła ramkę ALR ACK, lub, w przeciwnym
wypadku, ramkę ALR NACK. Po otrzymaniu ramki ACK następuje ponowna synchronizacja do
nowej szybkości łącza danych. Czas trwania wymiany komunikatów oraz synchronizacji
powinien byd mniejszy niż 100ms dla 1Gbps. Jest to związane z tym, że do ponownej
synchronizacji potrzebne jest 10 000 cykli zegara [1].
Trzeba tutaj zaznaczyd , iż aby taki sposób zmiany mógł działad, obie koocówki łącza muszą
posiadad możliwośd wysłania żądania oraz muszą obsługiwad te same prędkości.
Zmiany szybkości muszą się dokonywad w ściśle określonych warunkach dlatego też
zdefiniowano polityki które określają w jakich warunkach szybkośd łącza ma się
zmieniad. Przed opisem polityki warto zaznajomid się ze wzorem:
ρ = λ / μ gdzie
ρ – współczynnik utylizacji łącza,
λ – szybkośd napływu pakietów, μ – prędkośd
obsługi pakietów. Najistotniejszym, z punktu widzenia niniejszego opracowania, jest ostatni
współczynnik. Modyfikując tę wartośd, do jednej z dwóch wcześniej ustalonych, pozwoli nam
na przechodzenie do stanu wysokiego lub niskiego( stan wysoki będzie oznaczał, że prędkośd
obsługi pakietów jest wysoka, czyli najczęściej nominalna dla wykorzystywanego łącza,
natomiast w stanie niskim wartośd ta jest zaniżona i to właśnie w tym stanie oszczędzana
będzie energia).
2.2 Polityki w algorytmie dwukierunkowym opartym na MAC
a) Polityka jednodrogowa
Ustalamy wartośd progową k. Jeśli współczynnik utylizacji łącza spadnie poniżej tej
wartości to przejdziemy do stanu niskiego, innymi słowy prędkośd obsługi pakietów
ustawimy na wartośd niską - μ
L
, gdy wartośd utylizacji wyjdzie ponad poziom k
przejdziemy do stanu wysokiego, czyli ustawimy prędkośd obsługi do nominalnej
wartości - μ
H
b) Polityka dwuprogowa
Ustalamy dwie wartości progowe k
1
oraz k
2
z tym że k
1
< k
2
. Gdy utylizacja łącza
spadnie poniżej wartości k
1
przechodzimy do stanu niskiego - μ = μ
L
.
Natomiast gdy wartośd utylizacji przekroczy k
2
przechodzimy do stanu wysokiego- μ =
μ
H
c) Polityka Utilization-Threshold
Ustalamy dwie wartości progowe k1 oraz k2 z tym że k1 < k2 oraz wartośd minimalnej
utylizacji w bajtach. Gdy utylizacja łącza spadnie poniżej wartości k1 oraz jeśli ilośd
obsłużonych pakietów w bajtach w poprzednim przybyciu była mniejsza od progu
utylizacji to przechodzimy do stanu niskiego - μ = μ
L
. Natomiast gdy wartośd utylizacji
przekroczy k2 przechodzimy do stanu wysokiego- μ = μ
H
. Ta polityka ma pozwolid na
pracę w środowisku z oscylacjami (w stanie niskim utylizacja łącza przekraczała by próg
k
2
natomiast po przejściu do stanu wysokiego nie utrzymałaby wartości, która pozwala
na utrzymanie się w tym stanie czyli mniejszą od k
1
, dlatego sprawdzamy poprzednie
przybycie/iterację, czy nie jest to tylko chwilowy ustęp)
d) Polityka Time-Out-Threshold
Ustalamy dwie wartości progowe k
1
oraz k
2
z tym że k
1
< k
2
. Dodatkowo ustalamy dwa
czasy T
LowMin
oraz T
HighMin
które mają oznaczad odpowiednio minimalny czas
przebywania w stanie niskim oraz minimalny czas przebywania w stanie wysokim. Gdy
jesteśmy w stanie wysokim i minie minimalny czas przebywania w stanie wysokim
przechodzimy do stanu niskiego niezależnie od wielkości kolejki- μ = μ
L.
Natomiast gdy wartośd utylizacji przekroczy k
2
oraz upłynie minimalny czas
przebywania w stanie niskim przechodzimy do stanu wysokiego- μ = μ
H.
3. Wyniki Eksperymentów
3.1 Eksperyment dla zerowego czasu przejścia między stanami
Eksperyment który pozwoli w praktyce ocenid przydatnośd i wydajnośd mechanizmu ALR
został przeprowadzany dla polityki dwuprogowej i parametrów :
μ
L
= 0.1
μ
H
= 1
k
1
= 15 oczekujących na obsługę pakietów
k
2
= 30 oczekujących na obsługę pakietów
λ należało do przedziału 1% - 25%
Rys.5 – procentowa frakcja czasu przebywania w stanie niskim – polityka dwuprogowa (dane - [1] )
Rys.6 – średnie opóźnienie pakietów – polityka dwuprogowa (dane - [1] )
Analizując powyższe wyniki możemy dojśd do wniosku, że dopóki wartośd napływu pakietów
jest mniejsza od 10% cały czas wystarcza nam prędkości obsługi w stanie niskim. Jednak już
przy 13% średnie opóźnienie pakietów wynosi aż 140 jednostek obsługi (czyli 140 * czas
obsługi pojedynczego pakietu). Opóźnienie maleje dopiero od momentu kiedy zaczynają
występowad frakcje czasu w których pakiety są
obsługiwane z większą prędkością( jak widad na wykresie dopiero od 13% czas w stanie niskim
nie wynosi 100%). Wejście w stan wysoki pozwala na zmniejszenie opóźnienia powstałego
podczas przebywania w stanie niskim. W najgorszym wypadku przy 23% prędkości obsługi
czas przebywania w stanie niskim to ponad 80%, co przekłada się na dużą oszczędnośd energii.
3.2 Wpływ różnych wartości czasu przejścia między stanami
Rys.7 –ilośd operacji zmiany stanu obsługi – polityka dwuprogowa (dane - [1] )
Wykres przedstawia różnice w ilości zmian stanów dla różnych czasów zmiany stanów T
switch
–
dla 10 jednostek obsługi oraz 100 jednostek obsługi. Jak widzimy przy małym ruchu więcej
zmian jest dokonywanych przy dłuższym czasie zmiany stanu. Im większa szybkośd napływu
pakietów, tym sytuacja się wyrównuje aby w koocu ilośd zmian stanów się zmniejszała. Taka
charakterystyka jest wywołana tym, że podczas tych 100 jednostek czasu kolejka, do
obsłużenia narośnie większa, aniżeli przy 10 jednostkach czasu. A jeśli mamy dużą kolejkę
pakietów, to dopóki nie uporamy się z jej obsługą, nie będziemy schodzid do stanu niskiego.
Im większy napływ pakietów tym mniejsza szansa na powrót do stanu niskiego, gdyż po
zmianie, znacznie częściej wystąpi sytuacja, że wartośd kolejki przekroczy k
2
(np. zamiast po
krótkiej obsłudze w stanie wysokim wrócid do niskiego a następnie do wysokiego, będziemy
dłużej obsługiwad kolejkę i przebywad w stanie wysokim) . Dodatkowym wnioskiem jest to że
dla 10 jednostek czasu zmiany stanu czas przebywania w stanie zmiany stanu wynosi 40%
całkowitego czasu*1+.
3.3 Eksperyment dla ruchu z seriami wysokiego napływu
Rys.8 – procentowa frakcja czasu przebywania w stanie niskim dla polityki podwójnego progu i Utilization threshold dla
różnych czasów pomiaru utylizacji łącza (dane - [1] )
Eksperyment został przeprowadzany w środowisku z nagłymi zmianami wartości napływu
pakietów. Ma on odzwierciedlad typowy ruch tj. czasem użytkownik zaczyna wysyład załącznik
do maila o dużej wielkości, lecz trwa to krótko, ale wykorzystanie w tym czasie jest wysokie.
Parametr TUtil oznacza czas podczas którego mierzona jest utylizacja, jeśli po tym czasie
będzie mniejsza od minimalnej, ustalonej wartości oraz utylizacja spadnie poniżej progu k
1
przejdziemy do stanu niskiego. Na wykresie widzimy że im wyższy czas pomiaru ruchu, tym
procent przebywania w stanie niskim jest mniejszy. Biorąc pod uwagę charakterystykę ruchu
sieciowego z którym w tym eksperymencie mamy do czynienia, widzimy że przy większym
czasie pomiaru częściej trafimy na okres, w którym następuję duże zapotrzebowanie na
obsługę, tak więc rzadziej przejdziemy do stanu niskiego. Jest to polityka lepsza dla systemów
które mają duże wymaganie na opóźnienie. W związku z tak małą frakcją czasu w stanie niskim
opóźnienie powinno też byd najmniejsze. Jak widad na poniższym wykresie dla wykresów
widad silną zależnośd między opóźnieniem, a przebywaniem w stanie niskim. Warto zwrócid
uwagę że dla takiego typu ruchu standardowa polityka dwuprogowa jest bardzo
nieefektywna, powinna mied mniejsze opóźnienia przy większych napływach. A tak się nie
dzieję dlatego też lepszym rozwiązaniem dla tego typu ruchu jest polityka Utilization
Threshold.
Rys.9 – średnie opóźnienie dla polityki podwójnego progu i Utilization threshold dla różnych czasów pomiaru utylizacji łącza
(dane - [1] )
4. Podsumowanie
Jak widad ALR pozwala na znaczne oszczędności energii elektrycznej. Jednakże ciężko jest
oszacowad dokładnie z jakimi oszczędnościami mamy do czynienia, jest zbyt dużo zmiennych i
niewiadomych. Występują różne charakterystyki ruchu sieciowego, do których można
zastosowad różne polityki, które to uzyskują różne wartości oszczędności. Gdyby owe
oszacowanie musiało się pojawid wychodziło by od wartości 125TWh jako że ta wartośd
odnosi się oprócz komputerów i serwerów do monitorów i drukarek(niekoniecznie z
interfejsem)[4] podzielone na , powinno to dad ilośd komputerów. Daje to 25TWh. Zużycie
prądu przez interfejs można by uzyskad biorąc pod uwagę że komputer pobiera około 100W
średnio a interfejs 1Gbps 5W, co stanowi 5%. Wynikiem jest 1,25TWh jeśli 1KWh w Stanach
kosztuje 0,08$ wyszło by 100mln $ Szacując dalej, jeśli średni ruch jednak zbliża się do około
10% utylizacji bezpiecznie można by liczyd ze 80% czasu można by spędzad w stanie niskim co
powinno dad około 64% oszczędności energii elektrycznej (biorąc pod uwagę ze w stanie
niskim 100mbps pobiera 1W zamiast 5W dla 1Gbps przekład się to na 64mln $ oszczędności
rocznie.
Energy Efficient Ethernet 802.3az
Ogranicza zużycie prądu w warstwie fizycznej o 75-90%
Wymaga obu kooców połączenia do wspierania tego standardu
W sieciach 100Mbit/s, 1Gb/s i 10Gb/s dużo prądu jest zużywane tylko na utrzymanie koocówek łącza
włączonych. Jeżeli mogły by byd one uśpione podczas gdy żadne dane nie są transmitowane, zaoszczędziło by
to wiele energii. Na tym założeniu opiera się standard EEE. Wysyłane są pakiety low-power-idle (LPI) aby
odświeżad stan snu chipów. Jeżeli pojawiają się dane do wysłania, wysyłany jest najpierw normalny sygnał do
wybudzenia drugiej strony po czym transmitowane są dane.
Rys. 4. Schemat działania trybu LPI w protokole 802.3az
Dane przesyłane są z największą możliwą prędkością aby uzyskad najbardziej energooszczędną transmisję
(łącze może spędzad więcej czasu w stanie LPI).
Gdy nie ma danych do przesyłania, następuje przejście do stanu Low Power Idle, gdzie można wyłączyd
niepotrzebne obwody w celu zaoszczędzenia energii.
Okresowo wysyłane podczas stanu LPI ramki odświeżające odbiornik. Ułatwia to między innymi szybki powrót
do stanu normalnej pracy łącza. Służą również jako sposób wykrywania niepoprawnego działania łącza lub jego
rozłączenia.
Przejścia do pomiędzy stanem normalnej pracy a stanem LPI rozpoczynane są przez nadajnik.
LPI nie tylko pozwala zaoszczędzid energię, ale dodatkowo zapewnia brak przesyłania danych. Dzięki temu, że
system wie, że nie otrzyma żadnych danych, może on wyłączyd częśd pamięci, procesora itd.
Po przejściu ze stanu LPI do stanu normalnego działania, nadajnik opóźni przesyłanie danych o pewien
ustalony czas.
Warstwa fizyczna musi byd gotowa do odbioru danych gdy ten czas się skooczy.
Możliwości obsługi Energy Efficient Ethernetu są między koocówkami łącz ustalane podczas procesu
autonegocjacji.
Protokół LLDP może zostad użyty do ustalenia czasu potrzebnego na wybudzenie łącza ze stanu LPI.
XGMII – 10 Gigabit Media Independent Interface – standard w 802.3 dla łączenia 10gigabitowych portów ze
sobą i z innymi urządzeniami na układzie scalonym.
PCS – podwarstwa warstwy fizycznej wykonująca autonegocjację i kodowanie.
Usypianie:
po wykryciu sygnału Assert LPI od XGMII, funkcja transmitująca podwarstwy PCS zakoduje informacje o
stanie LPI do wysyłanych bloków. To poinformuje odbiornik że brak sygnału który za chwile nastąpi jest
podyktowany stanem LPI a nie jakimś błędem.
Podwarstwa PCS odbiornika odkoduje LPI z otrzymanych bloków i przekaże sygnał LPI interfejsowi
XGMII
Po ustalonym czasie, PCS wyłącza nadajnik
Po wykryciu utraty sygnału przez odbiornik, PCS wyłącza odbiornik
Wybudzanie nadajnika:
Po wykryciu sygnału budzącego z XGMII lub po upływie określonego czasu, PCS reaktywuje nadajnik.
Nadajnik najpierw wysyła sygnał alarmowy, który ułatwia pracę funkcji detekcji sygnałów odbiornika.
Potrzeba trochę czasu zanim funkcje nadające staną się zdolne do wykonywania swojej pracy.
Wybudzanie odbiornika:
Jeżeli podczas okresu ciszy wykryty został sygnał, funkcje odbiornika są uruchamiane ponownie
Odbiornik może na podstawie odebranych bloków stwierdzid, czy powinien wybudzid całe urządzenie
czy tylko odświeżyd tryb LPI
Dodatkowo został wprowadzony tryb zasilania dla 10Base-T, który ogranicza wymagania energii dla każdego
interfejsu. Używa się w tym celu kabla kategorii 5 zamiast 3, ponieważ kable kategorii 3 wymagają więcej
energii.
Bibliografia
1. Bruce Nordman, Energy Star and Network Standby,
http://www.energyrating.gov.au/pubs/standby2010-apec-session5-nordman.pdf
2. ENERGY STAR Small Network Equipment Draft Specification Framework Document,
http://www.energystar.gov/ia/partners/prod_development/new_specs/downloads/small_network_e
quip/SNE_Draft_Framework_V1_0.pdf
3. Adam Healey, Introduction to Energy Efficient Ethernet,
http://www.t11.org/ftp/t11/pub/fc/pi-5/10-158v0.pdf
[1] Reducing the Energy Consumption of Ethernet with Adaptive Link Rate (ALR)
Chamara Gunaratne, Student Member, IEEE, Ken Christensen, Senior Member, IEEE,
Bruce Nordman, and Stephen Suen. Kwiecieo 2008
[2] Ethernet Adaptive Link Rate (ALR): Analysis of a Buffer Threshold Policy, Chamara
Gunaratne and Ken Christensen, Stephen W. Suen. 2006
[3] Real-Time Performance Analysis of Adaptive Link Rate, Baoke Zhang, Karthikeyan
abhanatarajan, Ann Gordon-Ross, Alan D. George. 2008
[4] Nicholas Ilyadis Vice President and Enterprise CTOBroadcom Office of the CTO Energy
Efficient Ethernet Networks, UCI –Broadcom Collaboration, Styczeo 2010