에너지 효율 이더넷

3. 동작 원리

에너지 효율 이더넷(EEE)은 이더넷 링크에서 데이터 전송이 없을 때 물리 계층(PHY)의 전력 소모를 줄이기 위한 기술이다.^[8] 기존의 패스트 이더넷 및 그 이상의 속도를 가진 링크에서는 데이터를 전송하지 않는 동안에도 송신기가 계속 활성화되어 상당한 에너지를 소비하는데, EEE는 이러한 비효율을 개선한다.

핵심 원리는 데이터 전송이 필요 없을 때 PHY를 저전력 유휴(LPI, Low Power Idle) 상태로 전환하여 송신기의 전력 소모를 줄이고, 필요시 빠르게 정상 상태로 복귀하는 방식이다.^[8][9][17] 이 상태에서도 수신 회로는 활성 상태를 유지하여 링크는 항상 연결된 것으로 간주된다.^[9] 즉, EEE는 이더넷 프레임을 전송하지 않을 때 기존에 계속 보내던 아이들 신호를 중지하거나 대체하여 전력 소모를 줄인다.^[16]

EEE 기능은 링크 양단의 장비가 자동 협상(Auto-Negotiation)을 통해 서로 지원 여부를 확인하고 양쪽 모두 기능을 활성화했을 때 동작한다.^[22] EEE는 트위스트 페어 케이블, 광섬유 등 다양한 전송 매체와 여러 이더넷 표준에서 지원된다.^[21]

3. 1. 기본 개념

• 슬립: 182~202 마이크로초 동안 LPI 신호 전송.
• 리프레시: 20~24 밀리초 간격으로 198~218.2 마이크로초 동안 LPI 신호 전송.
• 웨이크: 16.5 마이크로초 동안 아이들 신호 전송.

두 기기가 EEE를 사용하기 위해서는 연결 시 자동 협상(Auto-Negotiation) 과정을 통해 서로의 EEE 지원 여부 및 설정을 교환해야 한다. 양쪽 기기 모두 EEE 기능이 활성화되어 있을 때 절전 모드가 동작하게 된다.^[22]

25Gbps 이상의 고속 통신 규격에서는 절전 모드 중에도 전송 동작을 완전히 멈추는 대신, 일반적인 아이들 신호 대신 특수한 'fast wake' 신호를 계속 보내는 방식을 사용하기도 한다. 이는 더 빠른 복귀 시간을 가능하게 한다.^[17] 이러한 fast wake 신호의 세부 파라미터는 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 통해 교환될 수 있다.^[23]

3. 2. 상세 동작 (일본어 위키 참고)

링크 양단의 장비는 자동 협상(Auto-Negotiation) 과정을 통해 서로의 EEE 지원 여부와 설정을 교환하며, 양쪽 모두 EEE를 사용하도록 설정된 경우에만 절전 모드가 활성화된다.^[22]

25Gbps 이상의 고속 통신 규격에서는 절전 모드 중에도 전송 동작을 완전히 멈추는 대신, 일반 아이들 신호 대신 특수한 'fast wake' 신호를 계속 전송하는 방식이 사용되기도 한다. 이는 더 빠른 복귀 시간을 가능하게 한다.^[17] 이러한 fast wake 신호의 세부 파라미터는 LLDP(Link Layer Discovery Protocol)를 통해 교환될 수 있다.^[23]

3. 2. 1. 1000BASE-T의 예

• 슬립(Sleep) 시: 182~202 마이크로초 동안 저전력 유휴(LPI, Low Power Idle) 신호를 전송한다.^[18]
• 리프레시(Refresh) 시: 링크 유지를 위해 20~24 밀리초 간격으로 198~218.2 마이크로초 동안 LPI 신호를 전송한다.^[19]
• 웨이크(Wake) 시: 절전 모드에서 복귀하기 위해 16.5 마이크로초 동안 일반 아이들(Idle) 신호를 전송한다.^[20]

4. 지원 규격

EEE는 다음의 전송 매체 및 규격에서 지원된다^[21].

접속 시 기기는 자동 협상을 통해 서로 EEE 설정을 통지하며, 양쪽 모두 유효 설정일 때 절전 모드가 동작한다^[22].

25Gbps 통신 이상의 고속 통신 규격에서는 절전 모드 중에도 전송 동작을 멈추지 않고, 일반적인 아이들 신호 대신 특수 심볼(fast wake 신호)을 계속 보내는 것을 필수 요건으로 하는 경우가 있다^[17]. fast wake 신호의 각종 파라미터는 LLDP로 교환할 수 있다^[23].

5. 그린 이더넷(Green Ethernet)

IEEE 802.3az 표준(에너지 효율 이더넷, EEE)이 제정되기 이전부터 일부 네트워크 장비 제조사들은 자체적인 절전 기술을 구현하여 제품에 적용했으며^[24], 이러한 기술들을 통칭하여 '그린 이더넷'이라고 부르기도 한다.^[25] 그린 이더넷 기술은 EEE 표준의 기능을 포함하거나 유사한 접근 방식을 가지며, 때로는 EEE 표준의 상위 집합으로 간주되기도 했다.^[10]

그린 이더넷은 주로 두 가지 방식으로 전력 소모를 줄인다. 첫째, 이더넷 포트에 연결된 장치가 꺼져 있거나 비활성 상태일 때 해당 포트의 전원을 자동으로 차단하거나 대기 상태로 전환한다(링크 상태 감지). 둘째, 연결된 LAN 케이블의 길이를 감지하여 필요한 만큼만 신호 전송 전력을 사용하도록 조절한다(케이블 길이 감지).^[10] 표준 이더넷 규격은 최대 100m 길이의 케이블 연결을 지원하지만,^[10][26] 실제 SOHO 환경이나 소규모 데이터 센터 내부에서는 5m에서 10m 내외의 짧은 케이블을 사용하는 경우가 많아^[10] 케이블 길이에 따른 전력 조절이 효과적이다. 또한, 전송 전력을 낮춤으로써 신호 간섭의 일종인 누화 발생을 줄여 통신 품질을 향상시키는 부가적인 이점도 있다.^[10]

이 외에도 이더넷 칩 자체의 전력 효율을 높인 회로 설계,^[6] 네트워크 서버용 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 등에서 TCP 오프로드 엔진을 사용하여 CPU 부하를 줄이는 기술,^[6][27] Wi-Fi 무선 라우터에서 사용자가 Wi-Fi를 사용하지 않는 특정 시간대를 설정하여 무선 신호 송출을 중단하는 기능^[11][28] 등도 그린 이더넷이라는 용어에 포함되기도 한다.

이러한 그린 이더넷 기술을 적용한 스위치는 최대 80%까지 전력 소비를 절감할 수 있는 것으로 알려졌으며,^[12] 이는 장비의 발열 감소로 이어져 제품의 수명을 연장하는 효과도 기대할 수 있다.^[13]

5. 1. 주요 기능

• 링크 상태 감지: 컴퓨터와 같이 이더넷 포트에 연결된 장치가 꺼져 있거나 비활성 상태여서 링크가 연결되지 않은 경우, 해당 포트로의 전력 공급을 자동으로 차단하거나 최소화하여 대기 상태로 전환한다. 이를 통해 불필요한 전력 소모를 줄인다.
• 케이블 길이 감지: 이더넷 포트에 연결된 LAN 케이블의 길이를 자동으로 감지하여, 길이에 필요한 만큼만 신호 전송 전력을 조절한다. 표준 이더넷 규격은 최대 100m 길이의 케이블에서도 안정적인 통신을 보장하기 위해 충분한 전력을 사용하도록 설계되었지만,^[10][26] 실제 가정이나 소규모 사무실 환경, 또는 데이터 센터 내부에서는 5m에서 10m 내외의 짧은 케이블을 사용하는 경우가 많다.^[10] 그린 이더넷은 이렇게 짧은 케이블 연결 시 과도한 전력 사용을 막아 에너지를 절약한다. 또한, 전송 전력을 낮춤으로써 신호 간섭의 일종인 누화 발생을 줄여 통신 품질을 향상시키는 부가적인 이점도 있다.

• 이더넷 칩 자체의 전력 효율을 높인 회로 설계^[6]
• 네트워크 서버용 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 등에서 오프로드 엔진을 사용하여 CPU의 부하를 줄이고 전력 소모를 개선하는 기술^[6][27]
• 무선 라우터에서 사용자가 Wi-Fi를 사용하지 않는 특정 시간대를 설정하여 해당 시간에는 무선 신호 송출을 중단하는 기능^[11][28]

5. 2. 추가 절전 기술

• 링크 상태 감지: 이더넷 포트에 연결된 장치가 꺼져 있거나 링크가 활성화되지 않은 경우, 해당 포트의 전원을 차단하거나 대기 상태로 전환하여 불필요한 전력 소모를 줄인다.^[10]
• 케이블 길이 감지 및 전력 조정: 연결된 LAN 케이블의 길이를 자동으로 감지하여, 길이에 맞춰 신호 전송에 필요한 전력 수준을 최적화한다.^[10] 표준 이더넷 규격은 최대 100m 길이의 케이블 연결을 지원하지만^[26], 실제 가정 환경이나 소규모 데이터 센터에서는 5m에서 10m 정도의 짧은 케이블이 주로 사용되는 경우가 많다.^[10] 따라서 케이블 길이에 맞게 전송 전력을 낮추면 상당한 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. 또한, 짧은 거리에서 전송 전력을 줄이면 신호 간섭의 일종인 누화 현상을 감소시켜 통신 품질을 향상시키는 부가적인 장점도 있다.
• 고효율 회로 설계: 이더넷 칩(IC) 내부 회로의 전력 효율을 높여 칩 자체의 에너지 소비를 줄인다.^[6][27]
• 오프로드 엔진 활용: 네트워크 서버용으로 설계된 이더넷 인터페이스 카드(NIC)에서 오프로드 엔진과 같은 기능을 사용하여 CPU의 부하를 줄이고 시스템 전체의 에너지 효율을 높인다.^[6][27]
• 무선 통신 비활성 기간 설정: 무선 라우터와 같은 Wi-Fi 장비에서 사용자가 직접 무선 신호 송수신이 필요 없는 시간대를 설정하여 해당 시간에는 무선 기능을 자동으로 비활성화함으로써 전력 소비를 줄인다.^[11][28]

5. 3. 효과

• 링크 상태 감지: 컴퓨터 등 연결된 장치가 꺼져 있거나 이더넷 링크가 활성화되지 않은 포트는 자동으로 대기 모드로 전환하여 불필요한 전력 소모를 막는다.
• 케이블 길이 감지: 연결된 LAN 케이블의 길이를 감지하여 신호 전송에 필요한 만큼만 전력을 사용하도록 조절한다. 표준 이더넷 규격은 최대 100m 길이의 케이블 연결을 지원하지만,^[10][26] 실제 가정이나 소규모 사무실, 데이터 센터 등에서는 5m에서 10m 정도의 짧은 케이블이 사용되는 경우가 많아^[10], 길이에 맞춰 전력을 조절하는 것이 효과적이다. 또한, 짧은 거리 연결 시 전송 전력을 낮추면 누화 현상이 줄어들어 통신 품질이 향상되는 부가적인 장점도 있다.

참조

_[1] 문서 IEEE 802.3 Clause 78
_[2] 웹사이트 Energy Efficient Ethernet hits standards milestone — InternetNews:The Blog — Sean Michael Kerner https://web.archive.[...] 2009-07-17
_[3] 웹사이트 IEEE 802.3 Energy Efficient Ethernet Study Group http://www.ieee802.o[...] 2011-07-05
_[4] 뉴스 IEEE ratifies new 8023az standard to reduce network energy footprint https://web.archive.[...] 2011-07-05
_[5] 간행물 Top OEMs 'Go Green' With Broadcom's 65nm SMB Switch Family http://www.broadcom.[...] Broadcom Corporation 2011-07-05
_[6] 웹사이트 Broadcom Energy Efficiency Initiatives https://web.archive.[...] Broadcom 2011-07-05
_[7] 뉴스 Energy-Efficient Ethernet https://spectrum.iee[...] IEEE 2011-07-05
_[8] 뉴스 Energy-efficient Ethernet standard gains traction http://www.eetimes.c[...] 2011-07-05
_[9] 서적 Ethernet: The Definitive Guide O'Reilly
_[10] 웹사이트 Ethernet 100BaseTX and 10BaseT Cables: Guidelines and specifications http://www.cisco.com[...] Cisco Systems 2010-08-29
_[11] 웹사이트 D-Link First Company to Offer Green Wi-Fi Home Networking https://web.archive.[...] D-Link 2008-07-28
_[12] 뉴스 D-Link First Company to Offer 'Green Ethernet™' Technology for Network Connectivity, Embrace Energy-Saving Initiatives https://web.archive.[...] D-Link 2007-10-24
_[13] 뉴스 Green Ethernet https://web.archive.[...] 2011-07-05
_[14] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 78
_[15] 웹사이트 IEEE 802.3az-2010, IEEE Standard for Information technology, Amendment 5: Media Access Control Parameters, Physical Layers, and Management Parameters for Energy-Efficient Ethernet https://standards.ie[...] 2023-11-04
_[16] 뉴스 Energy-efficient Ethernet standard gains traction http://www.eetimes.c[...] 2011-07-05
_[17] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 78.1.3.3 PHY LPI operation
_[18] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 35.2.2.6 Transmit direction LPI transition
_[19] 문서 IEEE 802.3-2022, Table 78–2, Summary of the key EEE parameters for supported PHYs or interfaces
_[20] 문서 IEEE 802.3-2022, Table 78–4, Summary of the LPI timing parameters for supported PHYs or interfaces
_[21] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 78.1.4 PHY types optionally supporting EEE
_[22] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 78.3 Capabilities Negotiation
_[23] 문서 IEEE 802.3-2022, Clause 78.4 Data Link Layer capabilities
_[24] 간행물 Top OEMs 'Go Green' With Broadcom's 65nm SMB Switch Family http://www.broadcom.[...] Broadcom Corporation 2011-07-05
_[25] 웹사이트 Configure Green Ethernet Port Settings on a Switch https://www.cisco.co[...] Cisco Systems 2023-11-04
_[26] 웹사이트 Ethernet 100BaseTX and 10BaseT Cables: Guidelines and specifications http://www.cisco.com[...] Cisco Systems 2010-08-29
_[27] 웹사이트 Broadcom Energy Efficiency Initiatives https://web.archive.[...] Broadcom 2011-07-05
_[28] 웹사이트 D-Link First Company to Offer Green Wi-Fi Home Networking http://www.dlinkgree[...] D-Link 2008-07-28
_[29] 웹인용 Energy Efficient Ethernet hits standards milestone — InternetNews:The Blog — Sean Michael Kerner https://web.archive.[...] 2009-07-17
_[30] 뉴스 IEEE ratifies new 8023az standard to reduce network energy footprint http://www.lightwave[...] 2011-07-05