Energy Efficient Ethernet

Was ist Energy Efficient Ethernet — und warum empfehlen Audiohersteller, diese Stromsparfunktion an Switches abzuschalten?

Energy Efficient Ethernet — kurz EEE — senkt den Stromverbrauch einer Ethernet-Verbindung, wenn gerade wenig darüber läuft. Festgeschrieben ist es in IEEE 802.3az aus dem Jahr 2010, und es gilt nur für Kupferschnittstellen.

Der Grundgedanke ist einfach: Eine Netzwerkverbindung sendet auch dann dauernd Signale, wenn keine Daten anliegen — sonst wüsste die Gegenstelle nicht, dass sie noch da ist. Diese Leerlaufzeit kostet Energie, und EEE holt sie sich zurück.

Ein Netzwerkanschluss verbraucht auch dann Strom, wenn gerade nichts übertragen wird. Diese Funktion legt ihn in solchen Pausen schlafen und weckt ihn, sobald wieder etwas kommt. Für einen Bürorechner ist das eine gute Sache. Für Musik, die in mehreren Räumen gleichzeitig und im Takt laufen soll, ist es eine schlechte: Das Aufwachen dauert jedes Mal ein kleines bisschen, und dieses bisschen ist nie ganz gleich lang. Genau darauf reagiert eine synchrone Wiedergabe empfindlich. Deshalb wird die Funktion an Anlagen dieser Art abgeschaltet — und deshalb muss der Verteilerkasten das überhaupt zulassen.

Low Power Idle: der Ablauf

Das Verfahren hinter EEE heißt Low Power Idle, und es läuft in immer derselben Folge ab:

Sleep — der Sender kündigt an, dass er verstummt.
Quiet — die nicht benötigten Schaltungsteile sind abgeschaltet, auf der Leitung liegt nichts.
Refresh — in regelmäßigen Abständen wird kurz gesendet, damit Empfänger und Sender ihre Abstimmung nicht verlieren.
Wake — liegen wieder Daten an, weckt der Sender die Gegenstelle und wartet, bis sie so weit ist.

Der Trick liegt in Punkt 3. Die Elektronik einer Gigabit-Verbindung ist auf das konkrete Kabel eingemessen — sie kennt dessen Eigenheiten und rechnet Störungen heraus. Würde sie vollständig abschalten, müsste dieser Abgleich beim Aufwachen neu laufen, und das dauerte Größenordnungen länger. Die Auffrischung hält den Abgleich am Leben.

Für 1000BASE-T schlug die zuständige Arbeitsgruppe 2008 folgende Werte vor: rund 0,2 ms Senden vor dem Verstummen, rund 20 ms Ruhe, dann rund 0,2 ms Auffrischung — ein Verhältnis von etwa 100 zu 1. Für das Aufwachen wurde eine obere Grenze von 16 Mikrosekunden angesetzt. Rechnerisch bleibt bei diesem Muster ein Energiebedarf von rund 12 Prozent gegenüber dem aktiven Betrieb.

Warum das für synchrones Audio das falsche Verhalten ist

16 Mikrosekunden klingen nach nichts, und für die allermeisten Anwendungen sind sie es auch. Ein Dateidownload merkt davon nichts, ein Videostream puffert ohnehin, und ein Telefonat verträgt Größenordnungen mehr.

Das Problem ist nicht die Länge der Verzögerung, sondern ihre Unbeständigkeit. Netzwerk-Audio hält mehrere Zonen dadurch im Takt, dass alle Geräte auf eine gemeinsame Uhr gezogen werden; die Zeitpakete dafür sind nur dann brauchbar, wenn sie berechenbar lange unterwegs sind. Genau diese Berechenbarkeit nimmt EEE weg: Ein Paket, das auf eine wache Verbindung trifft, kommt sofort durch; eines, das auf eine schlafende trifft, wartet. Die Schwankung liegt in derselben Größenordnung wie die Genauigkeit, um die es bei der Taktführung geht. Wie diese Taktführung arbeitet, steht bei Word Clock und PTP, warum Schwankungen der Laufzeit hörbar werden, bei Jitter.

Audinate zieht daraus für Dante eine ausdrückliche Empfehlung: EEE an allen Ports mit Echtzeit-Audioverkehr abschalten — und beim Kauf darauf achten, dass der Switch das überhaupt zulässt. Der zweite Halbsatz ist der wichtigere. Viele preiswerte Geräte haben EEE fest eingeschaltet und bieten keinen Schalter dafür.

Die Vorlage aus der IEEE-Arbeitsgruppe selbst führt die Latenz übrigens als eigenen Betrachtungspunkt auf, mit dem denkbar schlichten Satz, dass das Aufwecken Zeit braucht. Der Zielkonflikt war also von Anfang an bekannt; er ist keine unerwünschte Nebenwirkung, sondern der Preis des Verfahrens.

Häufiges Missverständnis

„Stromsparen kann nicht schaden." In der Summe der Ports eines Firmennetzes spart EEE messbar Energie, und dafür wurde es gebaut. In einem Wohnhaus mit einer Handvoll Ports geht es um wenige Watt. Dem steht eine Eigenschaft gegenüber, die eine ganze Anlage unzuverlässig machen kann. Die Abwägung fällt deshalb im Wohnbereich anders aus als im Rechenzentrum, und das ist kein Widerspruch zum Standard, sondern seine bestimmungsgemäße Anwendung.

„Der Switch hat kein EEE, da steht Green Ethernet." Das ist nicht dasselbe, und der Unterschied ist unangenehm. EEE ist genormt und verhandelt sich beim Verbindungsaufbau zwischen beiden Seiten. Herstellereigene Sparfunktionen unter Namen wie Green Ethernet tun Ähnliches auf eigene Rechnung — etwa die Sendeleistung an kurze Kabel anpassen oder Ports bei fehlendem Verbindungspartner abschalten. Was ein konkretes Gerät darunter versteht, steht selten im Datenblatt, und ein abgeschaltetes EEE bedeutet nicht, dass diese Funktionen mit aus sind.

„Ich habe es einmal abgeschaltet, damit ist es erledigt." Diese Einstellungen fallen bei Firmware-Aktualisierungen und nach Werksrücksetzungen zurück. Wenn eine Anlage nach einem Wartungsfenster plötzlich Aussetzer zeigt, gehört sie zu den ersten Dingen, die man nachsieht.

Nicht zu verwechseln mit

Power over Ethernet: liefert Strom über dieselbe Leitung — die umgekehrte Richtung derselben Diskussion, siehe Power over Ethernet.
Wake on LAN: weckt ein ausgeschaltetes Gerät über das Netz. EEE weckt eine schlafende Verbindung zwischen zwei eingeschalteten Geräten.
Green Ethernet und ähnliche Namen: herstellereigene Sparfunktionen ohne gemeinsame Definition.
Auto-Negotiation: die Aushandlung von Geschwindigkeit und Duplex beim Verbindungsaufbau. EEE wird bei dieser Gelegenheit mitverhandelt, ist aber eine andere Sache.

Aus der Praxis

Eine MultiRoom-Anlage mit sechs Zonen läuft nach der Inbetriebnahme sauber. Zwei Monate später berichtet der Kunde von gelegentlichen Aussetzern in einzelnen Zonen — nicht reproduzierbar, nicht an eine Tageszeit gebunden, meist an Zonen, die gerade erst dazugeschaltet wurden.

„Welches Gerät ist schuld" führt hier in die Irre. Die brauchbare Frage ist: Welche Eigenschaft dieser Anlage ist die empfindlichste? Bei synchroner Wiedergabe ist es die gemeinsame Zeitbasis, und damit ist alles verdächtig, was Laufzeiten unberechenbar macht — Sparfunktionen an Ports, Funkstrecken im Signalweg, überlastete Uplinks.

Die Nacharbeit beginnt deshalb bei der Konfiguration und nicht bei der Hardware: EEE an allen Ports mit Audio- oder Videoverkehr aus, und zwar auch an den Uplink-Ports zwischen zwei Switches — dort wird es regelmäßig vergessen, weil dort kein Endgerät hängt. Danach die Einstellung dokumentieren und nach jedem Firmware-Stand erneut prüfen. Das Muster „Aussetzer bevorzugt an gerade zugeschalteten Zonen" passt zur Erwartung, denn eine Verbindung, über die längere Zeit nichts lief, ist genau die, die schlafen gegangen ist.

Für das nächste Projekt fällt die Gerätefrage danach nüchtern aus: Ein Switch, an dem sich EEE nicht abschalten lässt, ist für diese Aufgabe das falsche Gerät — unabhängig davon, was er sonst kann.

Verknüpfte Inhalte

Warum eine gemeinsame Zeitbasis überhaupt nötig ist und wie sie hergestellt wird, steht bei Word Clock und PTP; warum Schwankungen der Laufzeit hörbar werden, bei Jitter. Die übrigen Anforderungen an einen Switch im Audionetz — Warteschlangen, Snooping, Querier — behandeln QoS und Multicast und IGMP; der Zusammenhang mit der Plattformwahl steht auf Audio over IP.

Quellen

Zweck, Geltungsbereich und Ablauf des Low-Power-Idle-Verfahrens einschließlich der Zeitgrößen und der Wachzeiten der Backplane-Schnittstellen stammen aus einer Übersichtsvorlage von Michael J. Bennett (Lawrence Berkeley National Laboratory) an eine IEEE-802-Arbeitsgruppe von 2011. Die Zeitwerte für 1000BASE-T einschließlich der 16 Mikrosekunden Wachzeit und der Restenergie von rund 12 Prozent stammen aus einer Vorlage von Mike Grimwood (Broadcom) an die Task Force P802.3az von 2008. Beide wurden für diese Seite am Objekt gelesen. Die Empfehlung, EEE an Ports mit Echtzeit-Audioverkehr abzuschalten, stammt von Audinate und ist auf der Seite Audio over IP belegt.