Питание через Ethernet

ВВЕДЕНИЕ ПОЭ

Power over Ethernet (PoE) — это технология, обеспечивающая безопасную передачу электроэнергии постоянного тока и данных по стандартным сетевым кабелям. Данные и питание могут передаваться по одному и тому же проводу, независимо друг от друга и не зависят друг от друга. В этом руководстве представлен полный обзор технологии PoE и описывается, как использовать оптоволоконный кабель для преодоления ограничения расстояния в 100 метров, характерного для медных сетевых кабелей.

ПРЕИМУЩЕСТВА POE

Каковы преимущества использования PoE и почему проектировщику сетей стоит использовать эту технологию?
В настоящее время PoE применяется там, где доступ к переменному току (AC) неудобен, дорог или нецелесообразен. PoE может питать устройства, расположенные на потолках, крышах, фонарных столбах, вдоль заборов, трубопроводов, транспортных магистралей и других труднодоступных местах. Затраты на электроснабжение каждого устройства исключаются благодаря питанию оборудования по неэкранированной витой паре (UTP).

Технология PoE также экологична. Следующий отрывок посвящен умным зданиям и энергоэффективности: «
Умное здание» — это здание, где IP-сеть способна обеспечить питание по Ethernet (Power-over-Ethernet) для различных устройств с «подключаемой нагрузкой». PoE не только обеспечивает питание этих устройств низким, а не высоким напряжением, но, что более важно, позволяет управлять питанием устройств. В результате снижается энергопотребление устройств, снижается энергопотребление и здание становится более экологичным. Кроме того, PoE сокращает расход материалов, устраняя необходимость в прокладке кабеля питания к устройству.

Большинство сторонников технологии PoE ожидают, что она станет глобальным долгосрочным стандартом кабелей постоянного тока и заменит преобразователи напряжения, которые сложны в управлении, тратят энергию впустую, часто имеют плохую конструкцию и легко уязвимы к повреждениям из-за скачков напряжения и отключений электроэнергии.

МЕДНЫЕ КАБЕЛИ И ПОРТЫ

PoE использует стандартные сетевые кабели. Такие кабели называются Ethernet-кабелями, медными сетевыми кабелями, кабелями категории 5 или 6 и неэкранированными витыми парами (UTP). Они подключаются к сетевому устройству через порт RJ-45.

УСТРОЙСТВА POE

Оборудование для подачи питания (PSE) — это устройство, которое обеспечивает подачу питания в сеть PoE. Существует два типа PSE: конечный (endspan) и промежуточный (midspan). Как следует из названий, конечный (endspan) располагается в конце сегмента линии связи, а промежуточный (midspan) — в середине сегмента линии связи.

Powered Device (PD) — это устройство, получающее питание от PSE. Примером PD является настольный телефон с поддержкой VoIP. В этом руководстве приведено множество примеров PD.

Конечный коммутатор PoE — это коммутатор Ethernet со встроенными возможностями PoE, благодаря чему данные и питание передаются по кабелю UTP.

Инжектор PoE типа Midspan обычно представляет собой двухпортовое устройство, подающее питание в определённую точку кабеля UTP. Инжекторы используются для питания питаемых устройств, подключённых к коммутаторам, не поддерживающим PoE. Инжектор подаёт питание постоянного тока в кабель, и данные проходят через него прозрачно. Для большинства инжекторов Midspan ограничение по расстоянию в 100 метров распространяется на весь участок от коммутатора до питаемого устройства.

Примечание : Действующее PD (согласно стандартам IEEE) предоставляет PSE электрическую сигнатуру. Прежде чем PSE подаст питание по проводам, оно проверяет эту электрическую сигнатуру. Если сигнатура отсутствует, PSE НЕ подаёт питание на провода. Тем не менее, PSE продолжит передачу данных.

Сопутствующие устройства в Fiber-Mart включают PoE Media Converter и PoE Switch .

СТАНДАРТЫ IEEE POE

В 2003 году IEEE ратифицировал стандарт PoE 802.3af, который допускает до 15,4 Вт мощности для каждого порта. В конце 2009 года IEEE ратифицировал стандарт PoE 802.3at, известный как PoE+ . 802.3at необходим, поскольку поставщики питаемых устройств начинают выпускать устройства, которым требуется больше мощности, чем 15,4 Вт, доступные в 802.3af. С 802.3at питаемые устройства могут питаться мощностью до 25,5 Вт. 802.3at обратно совместим с 802.3af. Если PSE имеет тип «at», а питаемое устройство — «af», то всё будет работать нормально. PSE распознаёт, что питаемое устройство имеет тип «af», и даёт ему только столько мощности, сколько ему необходимо. Однако обратная ситуация не будет работать: если PSE имеет тип только «af», он не сможет питать питаемое устройство с типом «at». До появления этих стандартов некоторые производители устройств реализовывали собственные проприетарные реализации PoE. Наиболее распространённым типом является устаревший Cisco VoIP.

Примечание : хотя IEEE определил уровни мощности PoE и PoE+, на рынке имеются нестандартные устройства, обеспечивающие уровни мощности, выходящие за пределы спецификаций IEEE.

Уровень мощности PoE или PoE+, обеспечиваемый PSE, варьируется в зависимости от потребляемой мощности питаемого устройства. Например, PSE, соответствующий стандарту IEEE 802.3af, может обеспечивать мощность до 15,4 Вт, но если питаемое устройство представляет собой IP-телефон, которому требуется всего 6 Вт, то PSE обеспечит 6 Вт PoE.

Варианты питания IEEE PoE по кабелю UTP

PoE поддерживает четыре варианта питания с использованием различных комбинаций восьми контактов стандартного порта RJ-45, которые подключаются к четырем парам проводов в кабеле UTP.

На основе стандарта IEEE: IEEE Alternative A (питание на контактах 1/2 и 3/6); IEEE Alternative B (питание на контактах 4/5 и 7/8).

Стандарт IEEE PoE определяет два режима обнаружения и питания различных контактов и проводов: Альтернативный A или Альтернативный B. Как Альтернативный A, так и Альтернативный B поддерживают либо Fast Ethernet, либо Gigabit Ethernet, а также PoE или PoE+.

Чтобы соответствовать стандартам IEEE, PD должно поддерживать как Альтернативу A, так и Альтернативу B, тогда как PSE может поддерживать либо Альтернативу A, либо Альтернативу B, либо обе.

Условные обозначения к следующим схематическим иллюстрациям:

10/100BASE-T, вариант A : 10/100BASE-T, вариант A, подаёт положительный постоянный ток на контакты 1 и 2, а отрицательный — на контакты 3 и 6. В Fast Ethernet эти пары также используются для передачи данных, поэтому данные и питание передаются по одним и тем же проводам. «Совместное» использование провода достигается с помощью технологии, называемой фантомным питанием, которая изначально использовалась для передачи постоянного тока по микрофонным кабелям для работы микрофонов с активными электронными схемами.

10/100BASE-T Альтернатива B : 10/100BASE-T Альтернатива B подает положительный постоянный ток на контакты 4 и 5, а отрицательный постоянный ток — на контакты 7 и 8. В Fast Ethernet это «запасные» пары, поэтому электрический ток не делит провода с данными, и фантомное питание отсутствует.

1000BASE-T Alternative A : IEEE 1000BASE-T Alternative A подает положительное постоянное напряжение на контакты 1 и 2, а отрицательное постоянное напряжение — на контакты 3 и 6. В Gigabit Ethernet все четыре пары передают данные, поэтому для Gigabit PoE всегда требуется фантомное питание.

1000BASE-T Альтернатива B : IEEE Альтернатива B подает положительный постоянный ток на контакты 4 и 5, а отрицательный постоянный ток — на контакты 7 и 8.

Нестандартный : устаревший режим обнаружения и питания, не соответствующий стандартам IEEE, — это фирменный режим обнаружения и питания, который компания Cisco реализовала до ратификации стандарта 802.3af в 2003 году. В этом режиме для питания постоянного тока используются контакты 4/5 и 7/8, но полярность обратная.

Устаревшая функция «Обнаружение больших ёмкостей» доступна для питания как по альтернативному варианту A, так и по альтернативному варианту B. Для устаревших VoIP-устройств «Обнаружение больших ёмкостей» обычно используется альтернативный вариант B (питание подается на контакты 4/5 и 7/8), но метод обнаружения не соответствует стандартам IEEE. Вместо этого устройство питания (PSE) проверяет наличие на запитываемом устройстве уникальной сигнатуры большой ёмкости. Если она обнаружена, устройство подаёт питание по альтернативному варианту B.

УСТРОЙСТВА С ПИТАНИЕМ POE И PoE+

PoE и PoE+ позволяют питать широкий спектр сетевых устройств.

Устройства с питанием 802.3at : IEEE 802.3at PoE обеспечивает подачу до 25,5 Вт для питания широкого спектра мощных питаемых устройств и открывает новые возможности для новых приложений по подаче питания на устройства, подключенные к сети.
Точки беспроводного доступа 802.11n : в сентябре 2009 года IEEE анонсировал стандарт беспроводной связи 802.11n. Многим беспроводным устройствам 802.11n требуется питание PoE+ для обеспечения высокоскоростного соединения на больших территориях. IP-камеры PTZ (панорамирование, наклон и масштабирование) : IP-камеры PTZ оснащены дополнительными двигателями для управления фокусом и направлением объектива камеры и обычно требуют питания PoE+. IP-камеры, защищенные от атмосферных воздействий : камеры, используемые в экстремально холодном климате, оснащены вентиляторами и антиобледенителями, которым часто требуется дополнительное питание по PoE+. Ноутбуки : на рынке появятся ноутбуки с поддержкой PoE+, которые потребляют меньше энергии и поддерживают технологию «капельной зарядки».

Помимо этих устройств с питанием, на рынке представлены устройства для точек розничной торговли, средства промышленной автоматизации, газоанализаторы и устройства удалённого мониторинга. Есть даже электрогитара с питанием через Ethernet.

ПРОБЛЕМЫ РАЗВЕРТЫВАНИЯ POE

PoE — полезная технология для питания удалённых устройств, но, как и в случае с любым медным сетевым кабелем, проблема заключается в ограниченном расстоянии и пропускной способности медного кабеля UTP. Согласно стандарту ANSI/TIA/EIA для кабелей категории 5e (CAT5e) (TIA/EIA 568-5-A), максимальная длина сегмента кабеля составляет 100 метров (328 футов). Инжекторы питания PSE, особенно мидспэны, не увеличивают дальность передачи данных.

ИНТЕГРАЦИЯ POE И ОПТОВОЛОКНА

Распространенным решением для преодоления ограничений медных кабелей по расстоянию и пропускной способности является использование оптоволоконных кабелей. Поскольку передача постоянного тока по оптоволокну невозможна, для подачи питания на порты RJ-45 используется медиаконвертер, выполняющий функцию источника питания (PSE). Медиаконвертер с поддержкой PoE преобразует оптоволоконный кабель в медный и подает постоянный ток на питаемое устройство по кабелю UTP.

Медиаконвертеры POE

Медиаконвертеры PoE работают так же, как и другие медиаконвертеры, преобразующие медный кабель в оптоволокно, но также передают питание по кабелю UTP.

Медиаконвертеры PoE доступны в версиях Gigabit Ethernet и Fast Ethernet и поддерживают PoE (15,4 Вт) или PoE+ (25,5 Вт). Медиаконвертеры PoE работают как мини-коммутаторы PoE и доступны в различных многопортовых конфигурациях, включая два разъёма RJ-45 и два оптоволоконных порта. Они могут поддерживать фиксированные оптоволоконные разъёмы или приёмопередатчики Small Form Pluggable (SFP).

Питание медиаконвертеров PoE

Медиаконвертеры PoE питаются от постоянного тока и доступны с блоком питания переменного тока в постоянный (от 100 до 240 В переменного тока), подключаемым через цилиндрический разъём. Они также могут питаться от источника постоянного тока.

Как работают медиаконвертеры PoE

Начиная с левой стороны рисунка, оптоволокно выходит из оптоволоконного коммутатора. Он может располагаться в ИТ-центре, серверной комнате, дата-центре и т. д. Это может быть также медный коммутатор со стойкой медиаконвертеров.

Оптоволокно подводится к медиаконвертеру PoE, расположенному рядом с удобным источником питания переменного или постоянного тока. Медиаконвертер не только преобразует оптоволоконный кабель в медный, но и выполняет функцию источника питания (PSE) и подаёт питание PoE (постоянный ток) по медному кабелю Ethernet.

На другом конце кабеля Ethernet находятся запитываемые устройства (ЗУ). Это могут быть IP-камеры, точки беспроводного доступа, IP-телефоны и т. д. Запитываемые устройства располагаются на расстоянии до 100 метров от медиаконвертера PoE.

Варианты сетевой архитектуры с медиаконвертерами PoE

Многопортовые медиаконвертеры PoE обеспечивают гибкую организацию сетей. Однопортовые оптоволоконные порты развёртываются в топологии «звезда» с топологией «точка-точка» с оптоволоконным коммутатором в центре сети.

Медиаконвертеры PoE с двумя оптоволоконными портами позволяют объединять несколько медиаконвертеров в линейную каскадную конфигурацию. Такая архитектура может использоваться в различных наружных приложениях, где питаемые устройства, такие как IP-камеры и/или точки беспроводного доступа, устанавливаются вдоль железнодорожных путей и линий метро, автомагистралей, трубопроводов, шахт, периметральных ограждений и т. д.

Двойные оптоволоконные порты также позволяют объединять несколько медиаконвертеров в