АППАРАТУРА, СПОСОБ И ПРОГРАММНОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПОНИЖЕННЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ В ТЕЧЕНИЕ ВРЕМЕНИ БЕЗДЕЙСТВИЯ СОЕДИНЕНИЯ
EQUIPMENT, METHOD AND SOFTWARE COMPUTER TOOL FOR DATA TRANSFER WITH REDUCED POWER CONSUMPTION DURING CONNECTION INACTIVITY TIME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к аппаратуре для управления передачей данных через сетевое подключение (например, Ethernet-подключение), сетевому устройству, содержащему упомянутую аппаратуру, а также системе, содержащей упомянутую аппаратуру, электропотребителю и информационному подключению. Изобретение также относится к соответствующему способу и соответствующей компьютерной программе.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ethernet - это семейство компьютерных сетевых технологий для локальных сетей (LAN). Ethernet был введен в коммерческом смысле в 1980 г. и стандартизирован в 1985 г. в качестве спецификации IEEE 802.3 Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE). Ethernet в значительной степени заменил конкурирующие проводные LAN-технологии.
Стандарты Ethernet содержат ряд вариантов проводных подключений и передачи сигналов на физическом уровне межсоединения открытых систем (OSI), используемых в технологии Ethernet. В начальной модификации 10BASE5 Ethernet использовался коаксиальный кабель в качестве коллективно используемой среды. Позже на смену коаксиальным кабелям пришла витая пара и оптоволоконные соединения в сочетании с концентраторами (хабами) и коммутаторами (свитчами).
Коммутатор - это телекоммуникационное устройство, принимающее сообщение от любого подключенного к нему устройства, а затем отправляющее это сообщение только на то устройство, которому это сообщение предназначалось. Это делает коммутатор более «интеллектуальным» устройством, чем коммутатор (который принимает сообщение, а затем его передает на все другие устройства своей сети). Сетевой коммутатор является составной частью большинства современных локальных сетей LAN.
Ethernet-устройство, подключенное к коммутатору, должно поддерживать соединение в активированном состоянии, поскольку, когда соединение потеряно в некотором порте, коммутатор более не передает данные на этот порт. Устройство должно направить единичный импульс или серию импульсов, называемых импульсами для проведения теста целостности соединения (LIT) в терминах технологии 10BASE-T. Технология 10BASE-T была разработана только для соединений точка-точка, при этом все точки завершения были встроены в Ethernet-устройство. Более высокоскоростные подключения использовали начальное автоматическое согласование для согласования скорости, полудуплексной связи, полнодуплексной связи, а также иерархии главный/подчиненный. Это автоматическое согласование построено на импульсах, аналогичных тем, которые используются устройствами 10BASE-T для детектирования наличия подключения с другим устройством. После окончания автоматического согласования устройства лишь посылают холостой байт при отсутствии передачи данных, чтобы поддерживать соединение.
Питание через Ethernet (PoE) - действующий стандарт (IEEE 802.3.af и IEEE 802.3.at), обеспечивающий PoE-передачу электрической энергии обособленным сетевым электропотребителям, таким как маршрутизаторы (роутеры), коммутаторы, спулеры печати и т.д., по их стандартным Ethernet кабельным подключениям. В данном случае действующая стандартизация направлена на поддержку уровней мощности, превышающих даже 50 Вт на одно Cat5 подключение. В настоящее время обсуждается использование того же стандарта для всех видов маломощных потребителей, таких как осветительное оборудование (датчики, переключатели, световые источники) или устройства развлекательного характера, например активная акустика, интернет-радио, плееры для универсальных цифровых дисков (DVD), телевизионные приставки или даже телевизионные (TV) приемники. PoE-телефоны и PoE-запитываемые устройства управления уже становятся обычной практикой в офисах.
Поскольку в промышленности все более обсуждается вопрос распределения постоянного тока (DC) в качестве эффективной будущей альтернативы широко известным сетям переменного тока (AC), подача энергии на осветительные устройства посредством PoE может также найти широкое применение.
Однако, если обособленные сетевые электропотребители находятся в состоянии ожидания (standby), они по-прежнему потребляют некоторое количество энергии от PoE-источника питания для поддержания внутренней обработки информации в готовности, чтобы иметь возможность отреагировать на любую Ethernet-активность. Таким образом, даже в состоянии ожидания обособленных сетевых электропотребителей потребление энергии является довольно высоким. В современных системах связь сохраняется полностью активной, что приводит к потреблению большого количества энергии. В осветительной системе, использующей PoE для питания источников света, это может составить сотни мВт мощности в режиме ожидания, даже если источники света выключены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения заключается в создании сетевого подключения с пониженным энергопотреблением при холостой передаче.
Данная задача решается с помощью аппаратуры по п. 1 формулы изобретения, сетевого устройства по п. 7 формулы изобретения, системы по п. 10 формулы изобретения, способа по п. 13 формулы изобретения, а также компьютерного программного продукта по п. 14 формулы изобретения.
Соответственно, предложена возможность размыкания цепи протекания тока смещения, так чтобы ток смещения более не протекал для передающего вывода сетевого контроллера. Линии связи сетевого соединителя (коннектора) или порта соединены с цепью управления для управления выводом передачи сетевого соединителя для имитации любых сигналов активации соединения. Такая цепь управления может непосредственно реализовываться или управляться, например, посредством портов общего назначения микроконтроллера или гетеродина. Таким образом, ток смещения на передающем выводе может не расходоваться, при этом сигналы активации соединения могут сохраняться для поддержания соединения с сетью. Поскольку в процессе этой имитации соединения никакие сигналы не передаются, передающая часть энергопитающего сетевого контроллера (например, Ethernet-контроллера) может быть отключена, как и другие части, работа которых не является обязательной в процессе имитированного соединения.
Сетевой коммутатор или концентратор продолжает «думать», что действует полное двустороннее коммуникационное соединение, однако только принимающая часть подключенного устройства является действующей. Передающая часть включается только в случае необходимости. Сетевое устройство с предложенной аппаратурой, либо соответствующий способ функционирования, или программная процедура, таким образом, "имитируют" соединение для коммутатора, с которым соединено устройство. Коммутатор или концентратор рассматривает соединение как работающее, а значит, осуществляет связь с подключенным устройством(ами). Предложенное сетевое устройство лишь передает сигналы активации соединения либо данные, необходимые для поддержания соединения в рабочем состоянии. Таковыми являются, например, LIT-импульсы в системе 10BASE-T, как описано выше, либо может использоваться любой другой способ поддержания соединения в рабочем состоянии.
Согласно первому аспекту аппаратура может быть выполнена с возможностью приведения сетевого контроллера в режим только прослушивания, в котором сетевой контроллер может только принимать данные, но не может передавать данные через сетевое подключение. Таким образом, ток смещения передающего вывода сетевого контроллера может не расходоваться.
Согласно второму аспекту, который может быть объединен с первым аспектом, источник питания может содержать ток смещения, подаваемый на дифференциальный передающий вывод сетевого контроллера. Путем прерывания подачи тока смещения, отводимого через сетевое подключение, потребление энергии может быть снижено в течение времени бездействия соединения.
Согласно третьему аспекту, который может быть объединен с первым или вторым аспектом, аппаратура может содержать микроконтроллер или гетеродин. Это позволяет использовать порты общего назначения устройств общего назначения для реализации предложенного механизма имитации соединения.
Согласно четвертому аспекту, который может быть объединен с любым из аспектов с первого по третий, сетевой контроллер может представлять собой Ethernet-контроллер, а сетевое подключение может представлять собой Ethernet-подключение.
Согласно пятому аспекту, который может быть объединен с любым из аспектов с первого по четвертый, передающая часть сетевого контроллера сетевого устройства может управляться посредством упомянутой аппаратуры, так чтобы приводиться в режим только прослушивания, в котором сетевой контроллер может только принимать данные, но не может передавать данные через сетевое подключение, когда никакие данные не должны передаваться сетевым устройством через сетевое подключение. Таким образом, можно гарантировать, что ток смещения не отводится через передающую часть, когда данные не передаются сетевым устройством через сетевое подключение.
Согласно шестому аспекту, который может быть объединен с любым из аспектов с первого по пятый, коммутирующий элемент может управляться посредством упомянутой аппаратуры для отключения источника питания от вывода сетевого контроллера. Таким образом, прерывание подачи энергии на вывод сетевого контроллера может надежно контролироваться.
Согласно седьмому аспекту, который может быть объединен с любым из аспектов с первого по шестой, сетевое устройство может содержать электропотребитель. Это создает преимущество в том, что электропотребители, такие как осветительные устройства (например, световые источники или осветители), датчики, переключатели и т.п., могут управляться, а также, в качестве опции, запитываться через сетевые подключения, при этом потребление энергии в холостом режиме существенно снижается. Если сетевое устройство запитывается через сетевое подключение, в сетевом устройстве может быть предусмотрен соответствующий блок подачи питания (например, PoE-блок). Таким образом, PoE-стандарты IEEE 802.3.af и IEEE 802.3at и другие стандарты питания через сеть могут быть расширены, чтобы уменьшить потребление энергии в период отсутствия передачи информации или времени бездействия соединения. Это может также найти применение в принятом стандарте Ethernet и других сетевых стандартах, включающих использование сигналов активации соединения для поддержания сетевых соединений в активном состоянии.
Дополнительные предпочтительные варианты осуществления приведены ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже.
На чертежах:
на Фиг. 1 схематично показана блок-схема сетевой системы, содержащей сетевое устройство согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
на Фиг. 2 схематично показана схемная диаграмма традиционной цепи управления Ethernet передачей;
на Фиг. 3 схематично показана схемная диаграмма цепи управления Ethernet передачей согласно второму варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Варианты осуществления описаны на основе системы для подключения устройства к сети, требующей передачи сигналов активации для поддержания сетевых подключений в активном состоянии. В необязательном порядке, может быть также создана PoE-система или другая система для запитывания, по меньшей мере, одного электропотребителя через сетевое подключение.
На Фиг. 1 схематично показана блок-схема сетевой системы, содержащей сетевое устройство 100 (например, электропотребитель) согласно первому варианту осуществления, которое может быть подключено с помощью сетевого подключения 40 сети (например, Ethernet) 50 к другому сетевому устройству 20. Информационное подключение может представлять собой, например, Ethernet-кабель. Сетевое устройство 100 содержит сетевой контроллер (например, Ethernet-контроллер) 110, а также интерфейс Ethernet или порт 120 для передачи пользовательских и/или управляющих данных в сеть 50 через сетевое подключение 40. Другое сетевое устройство 20 может также содержать Ethernet-контроллер и порт (не показано) для обеспечения подключения к сети 50. Помимо этого, в сетевом устройстве 100 предусмотрен источник 140 питания для подачи тока смещения через внутреннее соединение, по меньшей мере, на вывод сетевого контроллера 110.
Сетевое устройство 100 может представлять собой, например, осветительное устройство, такое как световой источник или осветитель, датчик, переключатель и т.д. Данные, получаемые через сетевое подключение 40, могут представлять собой команды, передаваемые в пакете данных через сеть 50 в блок приема данных (не показан) сетевого устройства 100. Таким образом, данные, полученные блоком приема данных, могут содержать команду, такую как команда на выключение или команда на угасание до нуля (если сетевое устройство 100 представляет собой световой источник), а также сетевой адрес (например, адрес протокола Интернет (IP)) сетевого устройства 100.
В необязательном порядке, может быть предусмотрен сетевой блок 150 подачи питания (например, PoE-блок питания) для запитывания сетевого устройства 100 через сетевое подключение 40. В случае PoE, сетевой контроллер 110 может быть выполнен с возможностью следовать стандарту PoE для активации подачи энергии на сетевое устройство 100 через сетевое подключение 40, что описано, например, в публикации "Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications, Amendment: Data Terminal Equipment (DTE) Power via Media Dependent Interface (MDI)", IEEE Computer Society, 18 июня 2003 г.
В течение неактивного соединения требуется только посылать импульсы для поддержания соединения в активированном состоянии или холостые байты. Таким образом, от источника 140 питания отбирается только неиспользуемый ток с единственной целью поддержания соединения. Для снижения потребления энергии предусмотрен блок 130 управления соединением в виде отдельного блока либо блока или функционального элемента, интегрированного в сетевой контроллер 110. Блок 130 управления соединением выполнен с возможностью проверки, требуется ли передача данных по информационному подключению, и если нет, то он переключает на энергосберегающий режим путем управления переключателем 124, установленным между источником 140 питания и внутренним соединением, посредством сигнала 302 управления питанием для размыкания подключения и прерывания подачи тока смещения от источника 140 питания на вывод контроллера. В качестве альтернативы, сигнал 302 управления питанием может непосредственно управлять источником 140 питания для отключения подачи тока смещения на внутреннее подключение. Помимо этого блок 130 управления соединением генерирует ложные сигналы 303 активации соединения (например, LIT-импульсы) для подачи в сетевое подключение 40 с целью имитации сигналов, необходимых для поддержания соединения в активированном состоянии, чтобы обеспечить возможность приема данных. Поскольку сетевым контроллером 110 в течение такой имитации соединения сигналы не передаются, сетевой контроллер 110 может быть приведен в режим только прослушивания, в котором, по меньшей мере, передающая часть 112 сетевого контроллера 110 отключена или деактивирована посредством сигнала 301 управления передачей данных, сгенерированного блоком 130 управления соединением. Помимо этого другие части сетевого контроллера 110, задействование которых не является обязательным в течение режима только прослушивания с использованием имитированных сигналов активации соединения, могут быть также деактивированы.
Блок 130 управления соединением (который может представлять собой микроконтроллер, или гетеродин, или генератор импульсов, или иную соответствующую цепь, выполняющую описанные функции) может быть выполнен с возможностью приема (например, путем прогонки соответствующей программы или подпрограммы и/или имея соответствующую конфигурацию аппаратного обеспечения) всех видов входных сигналов от сетевого устройства 100 и электронных схем, подключенных к сетевому устройству 100, а также определения того, требуется ли передача данных. Если данные требуется передать, он "запускает" или активирует передающую часть 112 сетевого контроллера 110, а также "запускает" или активирует подачу тока смещения от источника 140 питания, при этом останавливает или деактивирует предложенный механизм имитированного соединения. После того как это случилось, нормальный механизм соединения снова становится действующим. Блок 130 управления соединением теперь может передавать необходимые данные, а после передачи, когда данные снова передавать не требуется, восстановить механизм имитированного соединения и прекратить нормальную работу соединения.
Следует отметить, что предложенный механизм имитированного соединения может использоваться в каждом сетевом устройстве 10BASE-T или других сетевых устройствах. В осветительном оборудовании, подключенном через Ethernet (в частности, с использованием PoE), снижение потребления энергии является крайне необходимым в силу жестких правил в отношении потребления энергии устройств в режиме ожидания. Однако снижение потребления энергии, безусловно, желательно и в других областях.
Далее со ссылками на Фиг. 2 и 3 будет более подробно описана реализация предложенного управления передачей данных для иллюстративного Ethernet-подключения согласно второму варианту осуществления, начиная с традиционной схемы.
На Фиг. 2 показана традиционная реализация передачи (TX) Ethernet-устройства, имеющего внутреннее соединение между Ethernet-контроллером 110 и Ethernet-портом 120, где подключение к внешнему Ethernet-соединению может достигаться через Ethernet-порт 120, который может представлять собой одиночный порт Ethernet разъема RJ45 (например, Magjack) со встроенным преобразователем (магнитным), светоизлучающими диодами (LED) состояния, а также защитным экраном. Физически Ethernet-контроллер 110 имеет дифференциальный передающий вывод, состоящий из двух выходных линий TX- и TX+, и непрерывно отбирает ток смещения от источника Vdd питания через ферритовую шайбу и симметрирующую и/или фильтрующую резисторно-конденсаторную (RC) сборку в обеих выходных линиях TX- и TX+. Ферритовая шайба - пассивный электрический компонент, используемый для подавления высокочастотных шумов в электронных схемах. Она представляет собой особый вид электронного дросселя. Ферритовая шайба использует рассеяние высокочастотных токов в ферритной керамике для подавления высокочастотных шумов. Ее также можно назвать блоком, сердечником, кольцом, фильтром электромагнитных помех (EMI) или дросселем.
Для отправки данных отвод или отбор тока в линиях TX- и TX+ дифференциально изменяется. В системах 10BASE-T импульс соединения продолжительностью от 100 до 200 нс со временем повторения 16 мс +/-8 мс поддерживает соединение в активированном или рабочем состоянии. В системе 100BASE-T для автоматического согласования и отправки холостого байта в течение неактивного соединения используется последовательность импульсов длиной 2 мс каждые 16 мс +/- 8 мс. В системе 1000BASE-T используется другой механизм подачи импульсов. В течение неактивного соединения отправляются только импульсы для поддержания соединения в активированном состоянии или холостые байты. Это оставляет продолжительный отрезок времени, в течение которого в систему отводится только неиспользуемый ток лишь для поддержания соединения в рабочем состоянии. В холостом режиме работы устройства нет необходимости в обмене информацией с другими устройствами в сети. Лишь иногда устройство должно посылать некоторые данные, например, при обновлении протокола динамической конфигурации хоста (DHCP).
На Фиг. 3 показано предложенное усовершенствование осуществления передачи (TX) Ethernet-устройства согласно второму варианту осуществления с реализацией предложенного механизма имитированного соединения для сбережения передаваемой мощности в режиме холостой передачи. Блок 130 управления соединением, который может представлять собой микроконтроллер, гетеродин и т.п., определяет, должны ли передаваться данные на Ethernet-соединении. Если данные не должны передаваться, блок 130 управления соединением переключается на энергосберегающий режим и переводит Ethernet-контроллер 110 в режим только прослушивания путем отключения TX+ и TX- выходов Ethernet-контроллера 110. Кроме того, в течение осуществления энергосберегающего режима блок 130 управления соединением генерирует имитированные или ложные сигналы активации соединения, необходимые для поддержания Ethernet-соединения в рабочем или активированном состоянии. Это достигается путем генерирования только положительных импульсов на TX+ или TX- линиях посредством соответствующих выходных цепей A и B, чтобы имитировать LIT-импульсы, которые бы в норме генерировались Ethernet-контроллером 110. Эти ложные сигналы активации соединения далее передаются на внешнее Ethernet-подключение (не показано) через Ethernet-порт 120.
Кроме того, ток смещения, обычно отбираемый от источника Vdd питания TX+ и TX- подключениями Ethernet-контроллера 110, прерывается блоком 130 управления соединением посредством управляющего выходного сигнала C, подаваемого на коммутационный транзистор 126 между источником Vdd питания и ферритовой шайбой. Коммутационный транзистор 126, таким образом, контролируется блоком 130 управления соединением. На сбереженный ток смещения приходится наибольшее количество энергии в схеме интерфейса Ethernet, которое в ином случае было бы "потрачено впустую", когда отправка данных не осуществляется.
Следует, однако, заметить, что эффективное генерирование сигналов активации с помощью выходных цепей (например, переключателей) A и B и подключение к проводам TX+ и TX-, представленным на Фиг. 3, можно также модифицировать путем использования только одной выходной цепи A или B и соответствующего подключения к линии TX+ или TX-.
Кроме того, следует отметить, что предложенный механизм имитированного соединения (т.е. выходные цепи A, B и C, а также любая соответствующая цепь(и) управления) для сбережения передаваемой мощности в режиме холостой передачи, показанный на Фиг. 3, может быть также интегрирован в сетевую микросхему Ethernet-контроллера 110.
При реализации теста предложенной схемы было достигнуто снижение потребления мощности на 65%. Потребление мощности понизилось от 561 мВт до 195 мВт. Путем дальнейшего совершенствования аппаратного обеспечения и программного обеспечения можно снизить мощность даже на 91% путем снижения потребления мощности до 50 мВт от уровня 561 мВт. Наибольшее влияние на такое снижение, составляющее от 65% до 91%, определялось переводом блока 130 управления соединением в режим ожидания на некоторое время и проведением регулярных проверок на предмет приема данных и необходимости в отправке данных.
Может существовать ряд других путей реализации предложенного механизма имитации соединения, но все они приводят к одному и тому же поведению на кабеле передачи данных (например, Ethernet-кабеле). А именно, отправляются только сигналы или импульсы для поддержания соединения энергосберегающим способом.
Кроме того, в альтернативном варианте реализации на основе программного обеспечения выполнение требуемых функций может осуществляться в компьютерном устройстве с помощью блока обработки данных, осуществляющего управление на основе программных процедур управляющей программы, хранящейся в блоке памяти. Управляющая программа может также храниться отдельно на машиночитаемом носителе. Инструкции программного кода извлекаются из блока памяти и загружаются в блок управления блока обработки данных для выполнения этапов, описанных со ссылкой на Фиг. 1-3, реализуемых в виде вышеупомянутых программных процедур. Этапы обработки данных могут выполняться на основе входных данных и могут генерировать выходные данные. В настоящем механизме имитации соединения входные данные могут соответствовать информации о том, должны ли данные передаваться на информационном подключении, а выходные данные могут соответствовать управляющей информации и имитированным сигналам активации соединения, сгенерированным функциональным элементом управления подключением или блоком 30.
Таким образом, функциональные возможности вышеприведенных вариантов осуществления могут быть реализованы в виде компьютерного программного продукта, содержащего средства кода для генерирования каждого отдельного этапа предложенной оценки канала при исполнении на компьютерном устройстве или процессоре для обработки данных.
В итоге, предложены способ и аппаратура для размыкания цепи протекания тока смещения, так чтобы ток смещения более не протекал для передающего вывода сетевого контроллера, например Ethernet-контроллера. Кроме того, информационное подключение, например, линии TX+ и TX- в Ethernet-порте или соединителе, подключены к контуру управления для имитации активного соединения путем принятия на себя подачи импульсов активации соединения, например LIT-импульсов. Эти две меры позволяют пользователю сберечь ток смещения на передающем выводе и сохранить сигналы активации соединения для поддержки соединения по направлению к сетевому контроллеру.
Хотя изобретение проиллюстрировано на чертежах и подробно представлено в вышеприведенном описании, эти иллюстрации и описания следует рассматривать как приведенные в качестве примера, но не ограничения; изобретение не ограничено раскрытым вариантом осуществления. Предложенное отключение вывода контроллера и генерирование имитированных сигналов активации соединения может быть реализовано в любом устройстве, подключенном к сети, требующей передачи сигналов для поддержания сетевых подключений в активном состоянии. Специалисты в данной области техники смогут предложить и осуществить другие разновидности раскрытого варианта осуществления, воплощая заявленное изобретение, изучив чертежи, раскрытие и прилагаемую формулу изобретения. В формуле изобретения термин "содержащий" не исключает наличия других этапов и элементов, а упоминание в единственном числе не исключает наличия множества. Тот факт, что определенные меры упоминаются во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что сочетание этих мер не может быть использовано с выгодой. Ни одна из ссылочных позиций в формуле изобретения не ограничивает определяемый ею объем.