Power over Ethernet ( PoE ) описывает любой из нескольких стандартов или специальных систем, которые передают электроэнергию вместе с данными по витой паре Ethernet- кабеля. Это позволяет одному кабелю обеспечивать как подключение к данным, так и достаточное количество электроэнергии для питания сетевых устройств, таких как беспроводные точки доступа (WAP), IP-камеры и VoIP-телефоны .
Существует несколько распространенных методов передачи питания по кабелю Ethernet. Три из них были стандартизированы Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) стандартом IEEE 802.3 с 2003 года.
Эти три метода таковы:
Альтернатива A передает питание по тем же проводам, что и данные для вариантов Ethernet 10 и 100 Мбит/с. Это похоже на метод фантомного питания, обычно используемый для питания конденсаторных микрофонов. Питание передается по проводникам данных путем подачи общего напряжения на каждую пару. Поскольку Ethernet на витой паре использует дифференциальную сигнализацию , это не мешает передаче данных . Синфазное напряжение легко извлекается с помощью центрального отвода стандартного импульсного трансформатора Ethernet . Для Gigabit Ethernet и более быстрых вариантов A и B передают питание по парам проводов, также используемым для данных, поскольку все четыре пары используются для передачи данных на этих скоростях.
4PPoE обеспечивает питание, используя все четыре пары кабеля витой пары. Это обеспечивает более высокую мощность для таких приложений, как камеры с функцией поворота, наклона и масштабирования (PTZ), высокопроизводительные точки беспроводного доступа или даже зарядка аккумуляторов ноутбуков .
В дополнение к стандартизации существующей практики для резервной пары ( Альтернатива B ), питания синфазной пары данных ( Альтернатива A ) и передачи по 4 парам ( 4PPoE ), стандарты IEEE PoE предусматривают сигнализацию между оборудованием источника питания (PSE) и питаемым устройством (PD). Эта сигнализация позволяет источнику питания обнаружить наличие соответствующего устройства и позволяет устройству и источнику согласовывать объем требуемой или доступной мощности, избегая при этом повреждения несовместимых устройств.
Исходный стандарт PoE IEEE 802.3af-2003 [1] обеспечивает до 15,4 Вт постоянного тока (минимум 44 В постоянного тока и 350 мА) [2] [3] на каждом порту. [4] На питаемом устройстве гарантированно доступно только 12,95 Вт, поскольку часть мощности рассеивается в кабеле. [5]
Стандарт PoE IEEE 802.3at-2009 [6] , также известный как PoE+ или PoE plus , обеспечивает до 25,5 Вт мощности для устройств типа 2. [7] Стандарт 2009 года запрещает питаемому устройству использовать все четыре пары для питания. [8] Оба эти стандарта с тех пор были включены в публикацию IEEE 802.3-2012 . [9]
Стандарт IEEE 802.3bt-2018 еще больше расширяет возможности питания 802.3at. Он также известен как PoE++ или 4PPoE . Стандарт вводит два дополнительных типа питания: до 51 Вт поставляемой мощности (тип 3) и до 71,3 Вт поставляемой мощности (тип 4), опционально с использованием всех четырех пар для питания. [10] Каждая пара витых пар должна выдерживать ток до 600 мА (тип 3) или 960 мА (тип 4). [11] Кроме того, включена поддержка 2.5GBASE-T, 5GBASE-T и 10GBASE-T . [12] Эта разработка открывает двери для новых приложений и расширяет использование таких приложений, как высокопроизводительные беспроводные точки доступа и камеры наблюдения.
Поправка к стандарту IEEE 802.3bu-2016 [13] ввела однопарную передачу питания по линиям передачи данных (PoDL )для однопарных стандартов Ethernet100BASE-T1и1000BASE-T1,предназначенных для автомобильных и промышленных приложений.[14]В двухпарных или четырехпарных стандартах одинаковое напряжение питания подается на каждый проводник пары, так что внутри каждой пары нет никакого дифференциального напряжения, кроме того, которое представляет передаваемые данные. В однопарном Ethernet питание передается параллельно данным. PoDL изначально определил десять классов мощности в диапазоне от 0,5 до 50 Вт (при PD).
Впоследствии PoDL был добавлен к однопарным вариантам 10BASE-T1 , [15] 2.5GBASE-T1, 5GBASE-T1 и 10GBASE-T1 [16] и по состоянию на 2021 год [обновлять]включает в себя в общей сложности 15 классов мощности с дополнительными промежуточными уровнями напряжения и мощности. [15]
Примеры устройств, работающих по технологии PoE: [17]
Оборудование для подачи питания (PSE) — это устройства, которые обеспечивают ( источник ) питание по кабелю Ethernet. Это устройство может быть сетевым коммутатором , обычно называемым конечным сегментом (IEEE 802.3af называет его конечной точкой ), или промежуточным устройством между коммутатором без поддержки PoE и устройством PoE, внешним инжектором PoE , называемым устройством среднего сегмента . [20]
Powered device ( PD) — это любое устройство, работающее от PoE, потребляющее энергию. Примерами могут служить беспроводные точки доступа , VoIP-телефоны и IP-камеры .
Многие устройства с питанием имеют дополнительный разъем питания для дополнительного внешнего источника питания. В зависимости от конструкции часть, никакое или все питание устройства может подаваться через дополнительный порт, [21] [22] при этом дополнительный порт также иногда действует как резервное питание в случае сбоя питания PoE.
Сторонники PoE ожидают, что PoE станет глобальным долгосрочным стандартом кабелей постоянного тока и заменит множество отдельных адаптеров переменного тока , которыми нельзя легко управлять централизованно. [23] Критики этого подхода утверждают, что PoE по своей сути менее эффективен, чем питание переменного тока из-за более низкого напряжения, и это усугубляется тонкими проводниками Ethernet. Сторонники PoE, такие как Ethernet Alliance , указывают, что указанные потери относятся к наихудшим сценариям с точки зрения качества кабеля, длины и энергопотребления питаемых устройств. [24] В любом случае, когда центральный источник PoE заменяет несколько выделенных цепей переменного тока, трансформаторов и инверторов, потери мощности в кабелях могут быть оправданы.
Интеграция PoE со стандартом IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet (EEE) потенциально обеспечивает дополнительную экономию энергии. Предварительно стандартизированные интеграции EEE и PoE (например, EEPoE от Marvell , описанный в официальном документе за май 2011 г.) заявляют о достижении экономии свыше 3 Вт на соединение. Эта экономия становится особенно значимой, когда в сеть подключаются устройства с большей мощностью. [25]
Стандартизованное питание через Ethernet реализуется в соответствии со спецификациями IEEE 802.3af-2003 (который позже был включен в качестве пункта 33 в IEEE 802.3-2005 ) или обновлением 2009 года IEEE 802.3at. Стандарты требуют кабель категории 5 или лучше для высоких уровней мощности, но допускают использование кабеля категории 3 , если требуется меньшая мощность. [26]
Питание подается в виде синфазного сигнала по двум или более дифференциальным парам проводов, имеющихся в кабелях Ethernet , и поступает от источника питания внутри сетевого устройства с поддержкой PoE, например, коммутатора Ethernet , или может быть введено в кабельную линию с помощью промежуточного источника питания — дополнительного источника питания PoE, который можно использовать в сочетании с коммутатором без поддержки PoE.
Используется метод фантомного питания, позволяющий парам с питанием также переносить данные. Это позволяет использовать его не только с 10BASE - T и 100BASE-TX , которые используют только две из четырех пар в кабеле, но также с 1000BASE-T (гигабитный Ethernet), 2.5GBASE-T, 5GBASE-T и 10GBASE-T , которые используют все четыре пары для передачи данных. Это возможно, поскольку все версии Ethernet по витой паре определяют дифференциальную передачу данных по каждой паре с трансформаторной связью ; подключение питания постоянного тока и нагрузки может быть выполнено к центральным отводам трансформатора на каждом конце. Таким образом, каждая пара работает в общем режиме как одна сторона питания постоянного тока, поэтому для замыкания цепи требуются две пары. Полярность питания постоянного тока может быть инвертирована с помощью перекрестных кабелей ; питаемое устройство должно работать с любой парой: запасными парами 4–5 и 7–8 или парами данных 1–2 и 3–6. Полярность определяется стандартами на запасных парах и неоднозначно реализуется для пар данных с использованием диодного моста .
Примечания:
Доступны три режима: A, B и 4-парный. Режим A подает питание на пары данных 100BASE-TX или 10BASE-T. Режим B подает питание на запасные пары. 4-парный подает питание на все четыре пары. PoE также может использоваться на 1000BASE-T, 2.5GBASE-T, 5GBASE-T и 10GBASE-T Ethernet, в этом случае запасные пары отсутствуют, и все питание подается с использованием фантомной техники.
Режим A имеет две альтернативные конфигурации (MDI и MDI-X), использующие те же пары, но с разной полярностью. В режиме A контакты 1 и 2 (пара № 2 в разводке T568B ) образуют одну сторону 48 В постоянного тока, а контакты 3 и 6 (пара № 3 в T568B) образуют другую сторону. Это те же две пары, которые используются для передачи данных в 10BASE-T и 100BASE-TX, что позволяет подавать как питание, так и данные всего по двум парам в таких сетях. Свободная полярность позволяет PoE использовать кроссоверные кабели, коммутационные кабели и Auto MDI-X .
В режиме B контакты 4–5 (пара № 1 в T568A и T568B) образуют одну сторону источника постоянного тока, а контакты 7–8 (пара № 4 в T568A и T568B) обеспечивают возврат; это «запасные» пары в 10BASE-T и 100BASE-TX. Таким образом, для режима B требуется 4-парный кабель.
PSE, а не PD, решает, какой режим питания использовать: A или B. PD, которые реализуют только режим A или режим B, запрещены стандартом. [36] PSE может реализовать режим A или B или оба. PD указывает, что он соответствует стандартам, размещая резистор 25 кОм между парами питания. Если PSE обнаруживает слишком высокое или слишком низкое сопротивление (включая короткое замыкание), питание не подается. Это защищает устройства, которые не поддерживают PoE. Дополнительная функция класса питания позволяет PD указывать свои требования к питанию, изменяя сопротивление датчика при более высоких напряжениях.
Для сохранения питания PD должен использовать не менее 5–10 мА в течение не менее 60 мс за раз. Если PD не выполняет это требование более 400 мс, PSE посчитает устройство отключенным и, в целях безопасности, отключит питание. [37]
Существует два типа PSE: конечные и промежуточные. Конечные (обычно называемые коммутаторами PoE) коммутаторы Ethernet, которые включают схему передачи питания по Ethernet. Промежуточные — это инжекторы питания, которые находятся между обычным коммутатором Ethernet и питаемым устройством, подавая питание, не влияя на данные. Конечные обычно используются на новых установках или когда коммутатор необходимо заменить по другим причинам (например, переход с 10/100 Мбит/с на 1 Гбит/с), что делает удобным добавление возможности PoE. Промежуточные используются, когда нет желания заменять и настраивать новый коммутатор Ethernet, и в сеть нужно добавить только PoE.
Устройства, совместимые с IEEE 802.3at, также называются Типом 2. PSE 802.3at также может использовать связь LLDP для сигнализации о возможностях 802.3at. [40]
Класс 4 может использоваться только устройствами IEEE 802.3at (Type 2), требующими допустимых токов Class 2 и Mark 2 для стадий включения питания. Устройство 802.3af, представляющее ток класса 4, считается несоответствующим и, вместо этого, будет рассматриваться как устройство класса 0. [43] : 13
Протокол обнаружения на уровне канала (LLDP) — это протокол Ethernet уровня 2 для управления устройствами. LLDP позволяет обмениваться информацией между PSE и PD. Эта информация форматируется в формате тип-длина-значение (TLV). Стандарты PoE определяют структуры TLV, используемые PSE и PD для сигнализации и согласования доступной мощности.
Этапы настройки следующие:
Правила переговоров о власти таковы:
Существует более десяти фирменных реализаций. [48] Наиболее распространённые из них обсуждаются ниже.
Некоторые точки доступа Cisco WLAN и VoIP-телефоны поддерживали фирменную форму PoE [49] за много лет до того, как появился стандарт IEEE для доставки PoE. Первоначальная реализация PoE Cisco не является программно обновляемой до стандарта IEEE 802.3af. Первоначальное оборудование PoE Cisco способно поставлять до 10 Вт на порт. Количество подаваемой мощности согласовывается между конечной точкой и коммутатором Cisco на основе значения мощности, которое было добавлено в фирменный протокол Cisco Discovery Protocol (CDP) Cisco. CDP также отвечает за динамическую передачу значения Voice VLAN от коммутатора Cisco к телефону Cisco VoIP.
В соответствии с предварительной схемой Cisco PSE (коммутатор) отправит быстрый импульс связи (FLP) на передающую пару. PD (устройство) подключает линию передачи к линии приема через фильтр нижних частот . PSE получает FLP в ответ. PSE обеспечит синфазный ток между парами 1 и 2, что приведет к 48 В постоянного тока [50] и 6,3 Вт [51] по умолчанию выделенной мощности. Затем PD должен предоставить Ethernet-соединение в течение 5 секунд с портом коммутатора режима автосогласования. Более позднее сообщение CDP с TLV сообщает PSE его окончательное требование к мощности. Прекращение импульсов связи отключает питание. [52]
В 2014 году компания Cisco создала еще одну нестандартную реализацию PoE под названиемУниверсальное питание через Ethernet (UPOE). UPOE может использовать все 4 пары, после согласования, для подачи до 60 Вт.[53]
Запатентованная мощная разработка под названием LTPoE++, использующая один кабель Ethernet Cat 5e, способна обеспечивать различные уровни мощности в 38,7, 52,7, 70 и 90 Вт. [54]
PowerDsine , приобретенная Microsemi в 2007 году, которая затем была приобретена Microchip в 2018 году, продает инжекторы питания Midspan с 1999 года. Используя многофункциональные PoE PSE-микросхемы Microchip, инжекторы и коммутаторы PoE могут поддерживать стандарты IEEE 802.3 PoE, а также предстандартные конфигурации. Несколько компаний, таких как Polycom , 3Com , Lucent и Nortel, использовали более старую реализацию Power over LAN PoE от PowerDsine . [55]
В пассивной системе PoE инжектор не взаимодействует с питаемым устройством для согласования его требований к напряжению или мощности, а просто подает питание в любое время. Обычные пассивные приложения 100 Мбит/с используют распиновку 802.3af mode B (см. § Распиновки) — с положительным постоянным током на контактах 4 и 5 и отрицательным постоянным током на контактах 7 и 8 и данными на 1–2 и 3–6, но поляризация может различаться. Гигабитные пассивные инжекторы используют трансформатор на контактах данных, чтобы позволить питанию и данным совместно использовать кабель, и обычно совместимы с 802.3af Mode A. Доступны пассивные инжекторы midspan с количеством портов до 12.
Устройства, которым требуется 5 В, обычно не могут использовать PoE при 5 В по кабелю Ethernet на больших расстояниях (около 15 футов (4,6 м)), поскольку падение напряжения на кабеле становится слишком значительным, поэтому на удаленном конце требуется преобразователь постоянного тока с 24 В или 48 В на 5 В. [56] [ ненадежный источник? ]
Пассивные источники питания PoE обычно используются с различным внутренним и наружным беспроводным радиооборудованием, чаще всего от Motorola (теперь Cambium), Ubiquiti Networks , MikroTik и других. Более ранние версии пассивных источников питания PoE 24 В постоянного тока, поставляемые с радиоустройствами на базе 802.11a, 802.11g и 802.11n, обычно имеют скорость только 100 Мбит/с.
Существуют также пассивные инжекторы постоянного тока, которые преобразуют источник питания постоянного тока напряжением 9 В в 36 В или 36 В в 72 В в стабилизированный источник питания PoE напряжением 24 В 1 А, 48 В 0,5 А или до 48 В 2,0 А с «+» на контактах 4 и 5 и «−» на контактах 7 и 8. Эти инжекторы постоянного тока PoE используются в различных телекоммуникационных приложениях. [57]
Проекты стандартов ISO /IEC TR 29125 и Cenelec EN 50174-99-1 описывают повышение температуры кабельного жгута, которое можно ожидать при использовании 4PPoE. Различают два сценария:
Второй сценарий во многом зависит от окружающей среды и установки, тогда как первый зависит исключительно от конструкции кабеля. В стандартном неэкранированном кабеле повышение температуры, связанное с PoE, увеличивается в 5 раз. В экранированном кабеле это значение падает до 2,5–3, в зависимости от конструкции.
