一种支持调频降耗的网络设备节能方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

: 本专利技术涉及一种网络设备节能方法，特别涉及，属于网络设备节能
。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，满足用户使用体验的情况下尽量降低能耗。 本专利技术的技术方案如下: ，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Thigh、Tlmt和Tttjp进行实现；通过设定阈值Thigh和阈值T1ot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Thigh(低于阈值T1ot)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Ttop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Τ_，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 本专利技术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是本专利技术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是多阈值调频策略不意图。 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。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭平，付文亮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11