что такое power over ethernet poe
PoE — питаемся по витой паре
Содержание
Содержание
Проводные локальные сети не спешат сдавать позиции даже несмотря на повсеместное распространение Wi-Fi. Подключение с помощью витой пары все еще надежнее беспроводного во многих аспектах. Системы видеонаблюдения, IP-телефоны, индустриальные локальные сети, и локальные сети предприятий — во всех этих случаях использование беспроводной связи нежелательно. Передача электрической энергии по витой паре (PoE — «Power over Ethernet») позволяет немного сократить расходы на построение такой сети, снимая необходимость оснащения розеткой 220В каждой точки подключения сетевого устройства.
Преимущества и недостатки
Оборудование с поддержкой PoE (концентраторы и конечные устройства) стоит дороже обычного, поэтому в некоторых случаях особой экономии не будет. Например, при построении сети IP-телефонии — как правило, в точках установки телефонов розетки уже есть. Но выгода от использования PoE может быть не только экономической.
Подключение устройств через PoE безопаснее, так как питание по витой паре стабилизировано и не зависит от помех в сети 220В. А еще с помощью PoE можно очень просто обеспечить все устройства сети гарантированным питанием — для этого всего лишь надо запитать с ИБП базовый концентратор сети (разумеется, и у него, и у сетевых устройств должна быть поддержка PoE).
PoE обеспечивает централизованное управление и контроль всех устройств сети: включение/выключение каждого отдельного устройства (в том числе автоматическое), ведение учета потребленной каждым устройством электроэнергии; интерфейс PoE-концентраторов обычно также позволяет определять режим работы отдельных устройств и своевременно обнаруживать поломки.
Подключение с использованием PoE выглядит эстетически совершеннее — меньше розеток, меньше проводов.
К недостаткам устройств с PoE (кроме уже упомянутой высокой цены) можно отнести ограниченную электрическую мощность и повышенный уровень энергопотерь: сечение жилы витой пары невелико, поэтому в ней возрастает сопротивление и падает напряжение. Кроме того, из-за большей мощности концентратора с поддержкой PoE, ему потребуется более мощный (и дорогой) ИБП.
Как это работает?
PoE-устройства делятся на несколько видов:
1. Конечные источники питания (endspan) — свитчи, коммутаторы, маршрутизаторы с поддержкой PoE. При подключении к такому коммутатору сетевого устройства, оно получит питание автоматически — если, конечно, тоже поддерживает PoE.
2. Промежуточные источники питания (midspan) — адаптеры (инжекторы) PoE и блоки питания PoE. Эти устройства используются, когда нужно организовать PoE на отдельных линиях сети. Они позволяют подключать PoE-потребителей к обычным коммутаторам.
3. Сплиттеры — устройства, предназначенные для подключения к сети с PoE обычных сетевых устройств. Они разделяют (англ. «split» — разделять) поступающее по одному кабелю питание и данные, выводя их на два отдельных разъема: RJ-45 и разъем питания.
PoE-инжектор и PoE-сплиттер в паре можно использовать для передачи питания по кабелю Ethernet в обычной сети без устройств с поддержкой PoE.
4. PoE-потребители — сетевые устройства (IP-телефоны, видеокамеры, точки доступа, коммутаторы и пр.), способные получать питание по сети Ethernet.
Технология PoE использует два метода передачи данных по витой паре, называемые метод «А» и метод «В». По методу «А» питание передается по тем же проводам, что и данные (1,2,3 и 6 контакты в разъеме). По методу «В» питание передается по другим проводам — 4,5,7 и 8. В сетях 10Base-T и 100Base-TX (10 Мбит и 100 Мбит соответственно) эти провода не задействованы, что позволяет использовать для них недорогой четырехпроводной кабель. Очевидно, метод «В» с такими кабелями работать не будет.
Все PoE-потребители и сплиттеры могут работать по обоим вариантам. А вот источники питания, как правило, поддерживают только один метод.
Таким образом, если у вас сеть 10Base-T или 100Base-TX, построенная на четырехпроводном кабеле, источники питания должны поддерживать метод «А». К сожалению, определить, какой метод поддерживается источником, не так просто. Почему-то в спецификации эта особенность указывается нечасто и порой определить метод питания можно только по документации или по наклейке на корпусе. Если там указаны контакты 1-2-3-6, то питание подается по методу «А», если 4,5,7,8 — по методу «В».
Если же вы используете в ЛВС восьмипроводной кабель, о методе PoE можно не думать — на таких кабелях будет работать любое PoE-оборудование.
У незнакомых с технологией часто возникает вопрос: не опасно ли подключать в сеть с РоЕ «обычные» устройства без поддержки РоЕ? В общем, это безопасно — инжектор подаст в кабель питание только после того, как получит ответ о поддержке протокола от питаемого устройства. Это защищает оборудование от повреждений не только когда PoE не поддерживается, но и если сетевой кабель был обжат неправильно.
Однако существует технология Passive PoE, в которой передача питания по кабелю осуществляется парой отдельных устройств — подключенный к питанию инжектор подает напряжение на свободные пары, а сплиттер снимает его и выводит на отдельный разъем (розетку), к которому уже подключается обычное сетевое оборудование.
Инжектор Passive PoE подает питание в кабель сразу после включения и, если с другой стороны кабеля подключить не сплиттер Passive PoE, а непосредственно сетевое устройство, оно может выйти из строя. Ну и ошибка при обжимке кабеля в этом случае также может привести к неприятным последствиям.
Passive PoE может упростить (и удешевить) подключение «обычных» сетевых устройств без внедрения PoE в локальную сеть, но пользоваться им следует с осторожностью. Кроме того, поскольку Passive PoE может передавать питание только по свободным парам (как метод В в РоЕ и РоЕ+), в сетях 1000Base-T его использовать нельзя.
Стандарты
PoE описан стандартом 802.3af. В настоящее время разработаны и поддерживаются многими устройствами новые стандарты — 802.3at (PoE+) и 802.3bt (PoE++). Различия стандартов приведены в таблице:
Кроме того, последний стандарт 802.3bt задействует для передачи питания все 4 пары, поэтому использовать его на кабелях с двумя парами проводов не получится.
Стандарты 802.3 частично обратно совместимы: питающее устройство 802.3bt снабдит питанием и питаемое устройство 802.3af, и 802.3at. А вот сплиттер 802.3at от инжектора 802.3af может и не заработать — производители порой реализуют обратную совместимость и для приемников, но стандарт этого не требует; кроме того, порой таковая совместимость просто невозможна — например, если сплиттер потребляет больше, чем способен выдать инжектор.
Как мы видим, PoE — это достаточно просто и безопасно, и — в некоторых случаях — может значительно упростить внедрение распределенной системы на базе сети Ethernet и снизить её стоимость. Однако при её использовании следует уделить большее время планированию системы и правильно подобрать оборудование в соответствии с требуемыми скоростями передачи данных, используемыми кабелями, потребляемой мощностью и так далее.
Питание по витой паре: главное о технологии Power over Ethernet
Технология PoE помогает сэкономить на проводах, подводимых к сетевому устройству, и на количестве источников питания. Работает она просто — одна и та же витая пара используется как для передачи данных, так и для энергоснабжения подключенного устройства. Впрочем, это лишь верхушка айсберга, так что давайте копнем глубже.
Технология создавалась для IP-телефонии, систем видеонаблюдения и прочего оборудования, расположенного, к примеру, в труднодоступных местах или в зоне дефицита свободных розеток.
Что это такое и какое оборудование поддерживает технологию?
В развернутом виде аббревиатура PoE выглядит как Power over Ethernet, что в дословном переводе означает «питание по сети Ethernet». Технология создана с прицелом на передачу удаленному устройству электрической энергии вкупе с данными через обычную витую пару.
На роль источников питания в таких сетях могут быть назначены коммутаторы, роутеры и другое активное сетевое оборудование. Принимающая сторона питания PoE — точки доступа, камеры видеонаблюдения, IP-телефоны, всевозможные охранные и служебные датчики. Также существуют промежуточные звенья цепочки, позволяющие связать активное оборудование PoE с устройствами, не поддерживающими технологию. Об этом ниже.
 |
| Существует три стандарта технологии PoE. |
В сетях с пропускной способностью до 100 Мбит/с данные передаются только по двум парам Ethernet-кабеля. Соответственно, две оставшиеся пары остаются свободными. По ним то и налажена подача удаленного питания в простейшей схеме PoE. На деле же это не единственный вариант распиновки провода — она зависит еще и от стандарта технологии питания по сети.
Стандарты PoE
Всего существует три стандарта PoE:
Для первого стандарта IEEE 802.3af предусматривается распиновка типа А и типа В:
Во втором стандарте IEEE 802.3at (PoE+) применяется только схема В. Наглядные отличия между стандартами PoE можно лицезреть в табличке:
| Характеристики | PoE | PoE+ | PoE++ |
|---|---|---|---|
| Напряжение постоянного тока на питаемом устройстве (В) | 36-57 | 42.5-57 | 41.1-57 |
| Напряжение, выдаваемое источником (В) | 44-57 | 50-57 | 52-57 |
| Максимальная мощность PoE-источника (Вт) | 15,4 | 30 | 90 |
| Максимальная мощность, получаемая потребителем (Вт) | 12.95 | 25.5 | 71.3 |
| Максимальный ток (мА) | 350 | 600 | 960 |
| Максимальное сопротивление кабеля (Ом) | 20 (для cat.3) | 12.5 (для cat.5) | 12.5 (для cat.5) |
| Классы питания | 0-3 | 0-4 | 0-8 |
В довесок каждому питаемому устройству присваивается определенный класс от 0 до 4 в зависимости от уровня потребляемой мощности. Это необходимо для дальнейшего управления мощностью.
| Класс | Вт на порт PoE | Вт на устройство |
|---|---|---|
| 0 | 15.4 | от 0.44 до 12.95 |
| 1 | 4.5 | от 0.44 до 3.84 |
| 2 | 7 | от 3.84 до 6.49 |
| 3 | 15.4 | от 6.49 до 12.95 |
| 4 | 30 | от 12.95 до 25,5 |
Сетевое устройство подает питание потребителям только в том случае, если подключенное оборудование поддерживает технологию PoE. На первом этапе производится проверка питаемого устройства, в ходе чего на него подается напряжение от 2.8 до 10 B и определяется входное сопротивление. Если параметры соответствуют требуемым, питающее оборудование переходит к определению вышеупомянутых классов. После прохождения этапов определения и классификации питающее устройство подает в кабель напряжение 48 В с фронтом нарастания не быстрее 400 мс.
Технология Power over Ethernet
Power over Ethernet, или PoE — технология, позволяющая передавать удалённому устройству вместе с данными электрическую энергию через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, Web-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель.
Отукуда сразу же становится понятно с какой целью изобреталась данная технология — кому охота тащить питающий кабель до веб-камеры или VoIP девайса, тем самым и так увеличивая кабельное хозяйство офиса или дома.
Правда кидаться внедрять PoE везде и всюду надо внимательно, т.к. это внедрение требует пересмотра вопросов электропитания и охлаждения (естественно речь идет о промышленном внедрении)
Если не принять в расчет возросшие потребности в мощности энергоснабжения и охлаждения, то следует быть готовым к непредвиденным отключениям и нарушениям в работе оборудования. Поскольку PoE обычно применяется в системах связи и контроля доступа, негативный эффект от таких отключений особенно заметен.
Как подается питание в линию?
Технология PoE не оказывает влияния на качество передачи данных. Для ее реализации используются свойства физического уровня Ethernet:
А) Использование высокочастотных трансформаторов на обоих концах линии с центральным отводом от обмоток. Постоянное напряжение питания подается на центральные отводы вторичных обмоток этих трансформаторов, и так же с центральных отводов снимается на приемной стороне. Использование центральных отводов сигнальных трансформаторов позволяет без взаимного влияния, передавать по одной паре проводов и высокочастотные данные и постоянное напряжение питания.
В) Использование свободных пар для подключения питания. Современные кабельные сети Ethernet, соответствующие стандарту 100Base-TX, состоят из четырех пар, две из которых не задействованы.
PSE устройства (инжекторы) отличаются, в зависимости от вариантов А или В, при этом сплиттеры, то есть PD устройства, являются универсальными. Устройство PD обязано уметь принимать питания в любом варианте, в том числе и при изменении полярности (например, когда используется перекрестный кабель типа компьютер — компьютер). Важным является то обстоятельство, что устройство PSE подает питание в кабель только в том случае, если подключаемое устройство является устройством типа PD. Таким образом, оборудование, не поддерживающее стандарт PoE и случайно подключенное к устройству PSE, не будет выведено из строя. Процедура подачи и отключения питания на кабель состоит из нескольких этапов.
Предельно допустимый уровень мощности порядка 15-16 Вт на порт при токе 350мА и напряжении 48В, исходя из этих ограничений вырисовывается список устройств, который может запитываться по этой технологии.
Типичный IP-телефон потребляет до 5 Вт энергии, IP-телефон с поддержкой видео, как и считыватель меток RFID или фиксированная камера видеонаблюдения, — 10-12 Вт, беспроводная точка доступа, считыватель карт или электромеханический замок — от 8 до 12 Вт.
Находящаяся на стадии разработки версия стандарта PoE+ (IEEE 802.3at) позволит подключать устройства с энергопотреблением до 30 Вт при передаче данных по двум парам (10BaseT и 100BaseTX) и оборудование мощностью до 60 Вт в случае передачи по всем четырем парам (для гигабитного Ethernet 1000BaseT). Таким образом, точки доступа Wireless Mesh Network мощностью до 50 Вт, управляемые камеры видеонаблюдения с энергопотреблением до 20 Вт и другие достаточно мощные устройства смогут получать питание по одному проводу.
На что следует обратить внимание при внедрении PoE в корпоративной сети?
Допустим наш офис насчитывает 50 машин. Имеется два 48-портовых коммутатора и «инжектор» для подачи напряжения на устройства с поддержкой PoE. И, предположим, что наши устройства потребуют не более 7Вт по мощности.
Без использования технологии PoE энергопотребление коммутационного оборудования малого офиса не превысит 90 Вт. Для поддержки такой нагрузки достаточно ИБП мощностью 500 Вт/750 ВА.
Однако если мы запитаем от ИБП всё телекоммуникационное оборудование, веб-камеры и другое дополнительное оборудование, то нам придется учесть увеличившуюся нагрузку (для малого офиса на 50 активных устройств она увеличится примерно в 6 раз)на ИБП, что может повлечь за собой замену ИБП на более мощный аналог.
Также, возможно, придется выполнять расчет тепловыделения, т.к. новый ИБП в режиме заряда батарей будет выделять больше тепла.
Технологии PoE (Power over Ethernet). Подача питания по сетевому кабелю Ethernet
Проблему можно решить лобовой атакой – протянуть везде линии 220 В, и возле каждого устройства установить розетку с индивидуальным блоком питания, но такой метод совершенно нерационален, поэтому был выбран другой путь.
Идея РоЕ
На практике перечисленные выше устройства и устройства более высокого уровня (коммутаторы, контроллеры, компьютеры и т.п.) соединяются Ethernet-кабелем для передачи информации и сигналов управления. Для напряжения 220 В он не предназначен, но постоянное напряжение для питания электронных устройств по нему подать можно. Идея РоЕ как раз в этом и заключается, — в подаче постоянного напряжения питания по тому же самому Ethernet кабелю. Причем, для реализации совсем необязательно наличие свободных пар в кабеле.
Постоянное напряжение можно обеспечить по сигнальным линиям, поскольку есть способ разделить питание и сигналы. Для этого используются высокочастотные трансформаторы. В источнике постоянное напряжение прикладывается к их вторичной обмотке и отправляется в кабель. В потребителе постоянное напряжение снимается с первичной обмотки, а информационная часть, представляющая, по сути, переменное напряжение снимается со вторичной обмотки. Постоянный ток ничего в этой обмотке индуцировать не может, что и дает возможность разделить информацию и питание.
Лучшим вариантом является передача питания по двум витым информационным парам. В этом случае между проводами одной пары постоянного тока нет, что делает такую схему привлекательной. Напряжение подается на центральные точки вторичных обмоток трансформаторов источника, а снятие напряжения идет с центральных точек первичных обмоток приемника (см.рис.1). В такой схеме сводится на минимум взаимное влияние каждой из составляющих тока в линиях передачи.
Какие возможности обещает реализация этой идеи? Попробуем их перечислить:
В результате мы получаем новую философию энергоснабжения – питание через сеть. Это и есть РоЕ.
Чем приходится платить за преимущества? Цена невелика, — устройства должны поддерживать технологию РоЕ.
Стандарты и технология РоЕ
Главную роль в создании технологии РоЕ сыграла стандартизация. Все слаботочные сети уже давно строятся из стандартных компонентов. В частности, по стандартам сетей Ethernet для проводных линий связи между устройствами используется унифицированный кабель с витыми парами проводников.
В устаревших вариантах это был кабель с двумя парами, в более современных сетях применяется 4-х парный кабель (категория 3 или 5). Кабель универсальный с фиксированной расцветкой проводников в парах. В Ethernet унифицирован не только кабель, но и разъемы, соответственно стандартизирована и разводка проводников по контактам разъемов (распиновка).
Все это дало возможность создать стандартные системы питания с использованием стандартных сетевых компонентов.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы РоЕ, соответствующие стандартам IEEE802.3af и IEEE802.3at («РоЕ плюс»). Прежде чем перейти к протоколам подключения и описанию типовых представителей этой технологии, рассмотрим схемы подключения питания.
Рис.1. Подключение по типу А.
PSE (power sourcing equipment) – устройство с источником питания,
PD (powered device) – устройство потребитель.
Spare pair – резервная пара.
Signal Pair – сигнальная пара.
Цифрами 1;2;3;4;5;6;7;8 обозначены контакты стандартного разъема для сетей Ethernet.
В этом варианте для подачи питания использованы две сигнальные пары: 1 – 2 и 3 – 6. Еще две пары: 4 – 5 и 7 – 8 остаются свободными. Стоит обратить внимание на то, что полярность источника в этом варианте строго не задана. Поэтому выпускаются PSE, где «плюс» на клеммах 1;2, а «минус» на 3;6 и также выпускаются устройства с обратной полярностью.
Схема подключения питания по варианту Б показана на рисунке ниже. Обозначения здесь те же, что и в варианте А.
Рис. 2. Подключение по типу Б.
Как видно из схемы, в этом варианте питание подается не по сигнальным, а по свободным витым парам кабеля. «Плюс» идет по проводам 4 – 5, «Минус» по проводам 7 – 8.
По стандартам IEEE802.3af/at устройство потребителя PD должно быть универсальным и совместимо с источниками типа А и В. Т.е. схема PD автоматически задействует нужные пары контактов для питания и учтет полярность.
Разница в стандартах заключается в максимальной мощности выводимой/принимаемой на один порт устройства с РоЕ (см. табл.)
Таблица 1. Параметры РоЕ по стандартам IEEE802.3af и IEEE802.3at
РоЕ по стандарту IEEE802.3at обеспечивает практически двукратное увеличение мощности подключаемых устройств. Это дает возможность подключать видеофоны, камеры наблюдения с регулировкой положения и оптического увеличения. Недавно, в 2018г. появился еще один стандарт IEEE 802.3bt. По этому стандарту передача питания идет по 4-м парам, мощность поднята до 95 Вт. Принцип передачи питания такой же, как в варианте А, утверждается, что устройства PSE, работающие по IEEE 802.3bt, совместимы с PD предыдущих стандартов.
Алгоритм работы устройств по стандартам РоЕ
В сетях Ethernet стандартизировано буквально все, поэтому существует и стандартный протокол взаимодействия источника питания с потребителем. В рамках этого протокола источник в следующем порядке:
Определяет, относится ли подключенное к порту устройство РоЕ-потребителем (PD). Для этого источник измеряет его входное сопротивление. В стандартном потребителе между парами питания добавляется сигнатурное сопротивление в 25 кОм. Если результат проверки близок к этому значению (≈ 5%), то источник опознает потребителя PD;
Определяет класс PD по потребляемой мощности (всего их пять). Данный этап необязателен и может отсутствовать;
Подает потребителю постоянное напряжение 48В.
Контролирует потребление устройством PD.
Пункт 4 из этого списка указывает на контроль потребления, поэтому возможен вопрос, каким именно образом это происходит?.
Для контроля потребителя источник оперирует интервалами по 60 мс и 400 мс. В каждом интервале 60 мс ток потребления должен быть не менее 5 мА. Если в течение 400 мс такой интервал не появляется, PSE считает потребителя отключенным и прекращает подачу питания. Также питание прекращается, если в интервале 400 мс ток превысит значение 75мА. Таким образом обеспечивается безопасность источника, потребителя и линии подачи питания.
Устройства РоЕ
В настоящее время значительное количество компонентов структурированных кабельных сетей выпускается с поддержкой РоЕ. Кроме того, предлагаются устройства, обеспечивающие расширение сетей РоЕ и применение этой технологии с устройствами, не поддерживающими РоЕ:
Сплиттер для организации питания по сетевому кабелю, если потребитель не поддерживает РоЕ. Для таких устройств сплиттер отделит сигнал от питания (5,9В,12В) и отправит их на соответствующие порты. На иллюстрации ниже на примере подключения IP-камеры показано, как применяется сплиттер.
Инжекторы предназначены для питания в сетевой кабель. С их помощью организуется применение РоЕ технологии в сети, или на участке сети, где нет PSE. У инжектора есть порт, куда подключается обычный кабель без РоЕ и вход для напряжения 220В.
Выход инжектора – это уже выход PSE по стандартам IEEE802.3af или IEEE802.3at. На рисунке продемонстрирована схема организации РоЕ для IP-камеры с поддержкой РоЕ.
Удлинитель РоЕ (экстендер) позволяет увеличить протяженность линии передачи питания и данных. Без удлинителя длина такой линии Ethernet не превышает 100 м. Экстендер дает возможность увеличить ее еще на 100 м.
В заключение следует сказать еще о двух важных вещах: пассивное РоЕ и двухпроводной РоЕ.
Пассивное РоЕ (Passive PoE)
Как мы уже знаем, в стандартном кабеле остаются свободные пары. Естественно, радиолюбители использовали их для питания 5 и 12 вольтовых устройств от обычных источников еще до появления стандартов РоЕ. В дальнейшем появились устройства с пассивным РоЕ, так же подающие питание на свободные пары.
Пассивное PoE подает фиксированное постоянное напряжение 5; 12; 24; 48 вольт с распиновкой по стандарту 802.3af в режиме B. Также необходимое напряжение можно получить, используя адаптер РSЕ. Он преобразует имеющееся постоянное напряжение в напряжение необходимое для питания потребителя. Например, 12В преобразует в 24 или наоборот. Во всех случаях никакой идентификации, согласования и контроля не производится.
Пассивные PSE для гигабитных сетей делают то же самое только с распиновкой по режиму Б.
Двухпроводное РоЕ
Технология РоЕ начиналась со стремления избавиться от дополнительных силовых линий и максимально использовать стандартный кабель CAT5e. По большей части это удалось, но в ряде случаев кабель из четырех пар там, где хватило бы и одной, представляется излишеством. В таких областях как автомобилестроение, авиация, транспорт любое уменьшение веса, диаметра проводников дает дополнительные преимущества при разработке продукции. В последнее время к этим областям прибавились интернет и растущие масштабы применения систем «умный дом». В итоге возникла острая потребность в устройствах, обеспечивающих питание и передачу данных только по одной паре проводников.
В ответ на это запрос разработан новый стандарт IEEE 802.3bu-2016: Power over Data Lines (PoDL). Он описывает физический уровень и параметры управления линий электропередачи Ethernet с одинарной сбалансированной витой парой.
PST и PD, соответствующие IEEE 802.3bu-2016 будут работать так же «умно» как устройства IEEE802.3af и IEEE802.3at. Однако они будут несовместимы с ними. Так что, скорее всего впереди нас ждет массовый переход на подключение конечных устройств по однопарным кабельным линиям