Технология Power over Ethernet

Устанавливая точку доступа Wi-Fi, IP-камеру или IP-телефон, часто приходиться учитывать, где находится ближайшая электрическая розетка, чтобы подключить к ней блок питания устройства. Иногда наилучшее положение устройства может вступать в противоречие с его физическим расположением. Например, для достижения лучшего уровня беспроводного сигнала требуется поместить точку доступа на потолке или крыше, а камеру на заборе или высокой стене. Установка оборудования в труднодоступных местах, где поблизости нет источника питания, а электропроводка отсутствует, представляет собой серьезную проблему. Прокладка силовых кабелей в подобных случаях может оказаться дорогостоящей и непростой задачей.

Установка оборудования сопряжена не только с подводкой кабеля питания к месту его монтажа, но и с подключением сетевых кабелей, по которым передаются данные.

Для решения проблемы электропитания устройств, находящихся в труднодоступных местах была разработана технология Power over Ethernet (PoE). Эта технология позволяет передавать удаленному (оконечному) устройству вместе с данными электрическую энергию через кабель на основе стандартной витой пары в сети Ethernet. Благодаря технологии РоЕ точку доступа, например, можно устанавливать в месте наилучшего приема сигнала, IP-камеру поместить в любом удобном для обзора месте, а для подключения IP-телефона не монтировать дополнительную розетку.

В качестве основных преимуществ технологии РоЕ можно выделить следующие:

• электропитание удаленного сетевого устройства и обмен данными с ним осуществляется по одному сетевому кабелю;
• низкие затраты на инсталляцию систем, их модернизацию и сервисное обслуживание;
• повышенная эксплуатационная безопасность: обеспечивается защита от короткого замыкания, падения напряжения, превышения потребляемого тока и т.п.;
• простота развертывания сети, особенно в сложных пространственных условиях (крыши, заборы, внутренние помещения в аэропортах и вокзалах, кафе, кинотеатры и т.п.) и простота перемещения PoE-совместимых оконечных устройств;
• возможность управления параметрами питания удаленных устройств, т.к. оборудование с поддержкой РоЕ часто является управляемым, что упрощает администрирование сети.

Технология PoE является расширением стандарта IEEE 802.3. Первая версия технологии была описана в стандарте IEEE 802.3af-2003, которая в 2005 году вошла в 33 раздел стандарта IEEE 802.3-2005. В 2009 году появилась новая расширенная версия технологии РоЕ, описанная в стандарте IEEE 802.3at-2009, также известном как PoE+ или PoE plus. В настоящее время требования к PoE-системам определяются разделом 33 стандарта IEEE 802.3- 2012 (в него полностью включен стандарт IEEE 802.3at-2009). Технология РоЕ предназначена для использования в устройствах с интерфейсами 10Base-T, 100Base-TX и 1000Base-T.

Спецификация РоЕ описывает работу двух типов устройств: питающих устройств (Power Sourcing Equipment, PSE) и питаемых устройств (Powered Device, PD).

Питающие устройства (PSE) выполняют функции источников питания и предназначены для подачи электропитания в сеть Ethernet, к которой подключены питаемые устройства (PD). Питаемые устройства (PD) получают электропитание через кабель от питающих устройств.

Питающее устройство (PSE) может входить в состав активного оборудования или быть выполнено в виде отдельного устройства, которое включается в сетевой сегмент (в разрыв Ethernet-канала). В первом случае питающее устройство в терминологии РоЕ обозначается как "Endpoint" и обычно представляет собой коммутатор с поддержкой РоЕ (коммутаторы D-Link с поддержкой РоЕ содержат букву "Р" в конце названия модели, например, DGS-1210-28P).

Инжекторы являются пассивными устройствами. Они не влияют на передачу данных и используются только для передачи электропитания через кабель. На вход инжектор получает данные и электропитание через соответствующие разъемы, а на выходе объединяет их и передает через стандартный разъем RJ-45, к которому подключен кабель. Инжекторы удобно использовать в том случае, когда в существующую сеть Ethernet требуется добавить функционал PoE, например, чтобы подключить камеру или точку доступа. В том случае, если требуется подключить большое количество устройств с поддержкой РоЕ, например, несколько камер видеонаблюдения, то наилучшим решением будет установка коммутатора РоЕ. При этом для питания коммутатора РоЕ рекомендуется использовать источник бесперебойного питания(UPS).

Коммутаторы РоЕ бывают как управляемые так и неуправляемые. Управляемые коммутаторы предпочтительнее, так как позволяют устанавливать максимальные и минимальные значения потребляемого тока, приоритеты по портам, получать информацию об ошибках, а также автоматически проверять подключенные устройства с помощью прерываний и перегружать их путем кратковременного отключения питания в случае необходимости.

Рис. 8.1. Схема построение сети PoE с использованием коммутатора PoE

Рис. 8.2. Схема построение сети РоЕ с использованием инжектора РоЕ

Питающее устройство получает питание и данные через стандартный разъем 8P8C (RJ-45). При этом у устройства сохраняется возможность получать электроэнергию через традиционный источник питания, т.е. через розетку.

Спецификация РоЕ определяет два типа систем питания: Тип 1 (Type 1) и Тип 2 (Type 2). Система питания состоит из одного PSE и одного PD, связанных каналом связи. Каждый из типов систем питания имеет опре- деленные характеристики.

Устройства PSE и PD Типа 1 предназначены для работы только в сетях 10Base-T и 100Base-TX (этот тип устройств описан в стандарте IEEE 802.3af). В системе Типа 1 для передачи питания используются две пары кабеля на основе витой пары категории 3 и выше. Для систем питания Типа 1 определен номинальный постоянный ток 350 мА для каждой витой пары, сопротивление кабеля постоянному току 20 Ом. Выходное напряжение питания PSE Типа 1 лежит в диапазоне от 44 до 57 В постоянного тока, минимальный уровень выходной мощности равен 15,4 Вт. Входное напряжение PD Типа 1 лежит в диапазоне от 37 до 57 В постоянного тока, максимальная входная мощность в среднем равна 13 Вт с учетом потерь в кабеле.

Устройства PSE и PD Типа 2 предназначены для работы в сетях 10Base-T, 100Base-TX и 1000Base-T (этот тип устройств описан в стандарте IEEE 802.3at). В системе Типа 2 для передачи питания используются две пары кабеля на основе витой пары категории 5/5е и выше. Для систем питания Типа 2 определен номинальный постоянный ток 600 мА для каждой витой пары, сопротивление кабеля постоянному току 12,5 Ом. Выходное напряжение питания PSE Типа 2 лежит в диапазоне от 50 до 57 В постоянного тока, минимальный уровень выходной мощности равен 30 Вт. Входное напряжение PD Типа 2 лежит в диапазоне от 42,5 до 57 В постоянного тока, максимальная входная мощность в среднем равна 25,5 Вт с учетом потерь в кабеле.

Существует четыре базовых схемы подачи питания, каждая из кото- рых имеет два альтернативных (А и В) варианта передачи питания по витым парам:

• Endpoint PSE, поддерживающие работу в сетях 10Base-T/100Base- TX (рис. 8.3): в варианте A питание передается по сигнальным парам 1, 2 и 3, 6; в варианте В питание передается по зарезервированным парам 4, 5 и 7, 8.
  

  
  Рис. 8.3. Схема питания Endpoint PSE в сети 10/100Base-TX (вариант А – пунктирная линия; вариант В – сплошная линия)
• Endpoint PSE, поддерживающие 1000Base-T (рис. 8.4): в варианте A питание передается по сигнальным парам 1, 2 и 3, 6; в варианте В пита- ние передается по сигнальным парам 4, 5 и 7, 8.
  

  
  Рис. 8.4. Схема питания Endpoint PSE в сети 1000Base-T (вариант А – пунктирная линия; вариант В – сплошная линия)
• Midspan PSE, поддерживающие 10Base-T/100Base-TX (рис. 8.5): в варианте A питание передается по сигнальным парам 1, 2 и 3, 6; в вариан- те В питание передается по зарезервированным парам 4, 5 и 7, 8.
  

  
  Рис. 8.5. Схема питания Midspan PSE в сети 10/100Base-TX (вариант А – пунктирная линия; вариант В – сплошная линия)
• Midspan PSE, поддерживающие 1000Base-T (рис. 8.6): в варианте A питание передается по сигнальным парам 1, 2 и 3, 6; в варианте В питание передается по сигнальным парам 4, 5 и 7, 8.
  

  
  Рис. 8.6. Схема питания Midspan PSE в сети 1000Base-T (вариант А – пунктирная линия; вариант В – сплошная линия)

Устройство PSE может поддерживать передачу питания в соответствии с вариантом А, вариантом В или в соответствии с обоими вариантами. В последнем случае не допускается, чтобы PSE одновременно подавало питание по варианту А и варианту В в подключенный сегмент. Устройство PD обязано уметь принимать из сети и выделять питание при любом варианте его подачи (А или В), в том числе и при изменении полярности подключения (при использовании прямых или перекрестных кабелей).

Устройство PSE подает питание в кабель только в том случае, когда определит, что подключенное к нему устройство является устройством типа PD. Если удаленное устройство не поддерживает РоЕ, то питание ему подаваться не будет. У всех устройств типа PD величина сопротивления приемника должна лежать в диапазоне от 19 до 26,5 кОм. Специальная процедура инициализации PSE позволяет автоматически определять величину сопротивления подключенного устройства. Для того чтобы удостовериться, что подключенное устройство является устройством типа PD, PSE проводит двойное измерение тока с двумя разными уровнями напряжения (от 2,80 до 10 В) и на основе этих параметров вычисляет значение сопротивления приемника. Если полученное значение сопротивления лежит в диапазоне от 19 до 26,5 кОм, то PSE считает, что подключенное устройство является устройством типа PD и переходит к следующему этапу.

После идентификации удаленного устройства как РоЕ-совместимого PSE выполняет его классификацию. Классификацией называется способность PSE отправлять запросы PD с целью определения мощности, потребляемой PD.

Процедура классификации по мощности предназначена для взаимной идентификации PSE и PD. Механизм взаимной идентификации позволяет PD Типа 2 отличить PSE Типа 1 от PSE Типа 2, PSE Типа 2 отличить PD Типа 1 от PD Типа 2.

Существует две формы классификации: классификация на физическом уровне и классификация на канальном уровне.

Классификация на физическом уровне использует электрические характеристики PD, на основе которых PSE определяет какой класс при- своить PD на основе потребляемой им мощности и вычисляет свою минимальную мощность на выходе (таблица 8.1). Спецификация РоЕ делит устройства PD в зависимости от потребляемой мощности на 5 классов: от 0 до 4 (таблица 8.2).

Классификация на канальном уровне выполняется PSE и PD с помощью протокола Data Link Layer (DLL). Эта классификация обеспечивает более точное определение потребляемой мощности PD и позволяет PSE динамически изменять значение выходной мощности в зависимости от текущих потребностей PD. Устройства РSЕ могут выполнять классификацию PD на физическом уровне, на канальном уровне или использовать комбинацию обоих методов.

После завершения процесса классификации устройство PSE подает в кабель напряжение 48 В. Спецификация РоЕ предусматривает автоматическое отключение напряжения питания, если сопротивление приемника или отдаваемый ток резко меняется.

Следует рассказать об еще одном типе устройств РоЕ, которые не описаны стандартом. Это РоЕ-сплиттеры. Сплиттер является пассивным устройством и используется для подключения к сети РоЕ устройств без поддержки функции РоЕ. Функция сплиттера противоположна функции инжектора. Сплиттер подключается к сети РоЕ, из которой получает данные и питание по кабелю на основе витой пары. На выходе он разделяет данные и питание, которые далее передаются соответственно через кабель на основе витой пары и стандартный кабель питания. То есть, на входе у сплиттера стандартный разъем RJ-45, а на выходе – разъем RJ-45 и разъем питания.

Рассмотрим пример подключения IP-камеры без поддержки технологии PoE через сплиттер PoE, например DKT-50. Схема подключения устройств показана на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Подключение IP-камеры с помощью сплиттера к сети РоЕ

Шаг 1. Соединить между собой PoE-порты коммутатора и сплиттера с помощью Ethernet-кабеля.

Шаг 2. Отдельным кабелем Ethernet подключить порт LAN OUT сплиттера к LAN-порту IP-камеры.

Шаг 3. На сплиттере установить выходное напряжение (5В или 12В), которое требуется для питания IP-камеры, используя встроенный переключатель.

Шаг 4. Подключить кабель питания постоянного тока, входящий в комплект поставки, к сплиттеру и к разъему питания IP-камеры.

Предположим, что организации требуется подключить устройство (точку доступа или IP-камеру), расположенное в труднодоступном месте, но локальная сеть не поддерживает функционал РоЕ. Решить проблему подведения питания к удаленному устройству с минимальными затратами можно с помощью установки инжектора и сплиттера в разрыв сегмента Ethernet между коммутатором и удаленным устройством. Рассмотрим пример организации подачи питания для IP-камеры с помощью инжектора DKT-200 и сплиттера DKT-50 ( рис. 8.8).

Рис. 8.8. Организация подачи электропитания в сети без поддержки технологии РоЕ

Для этого необходимо выполнить следующие шаги по подключению устройств.

Шаг 1. Подключить к инжектору DKT-200 адаптер питания, кото- рый входит в комплект поставки.

Шаг 2. С помощью Ethernet-кабеля соединить порт DATA IN инжек- тора и порт коммутатора.

Шаг 3. Соединить отдельным кабелем Ethernet порт P+DATA OUT инжектора и порт PWR+DATA IN сплиттера DKT-50.

Шаг 4. Подключить один конец Ethernet-кабеля к порту DATA OUT сплиттера, другой конец – к LAN-порту IP-камеры.

Шаг 5. На сплиттере установить выходное напряжение (5В, 9В или 12В), которое требуется для питания IP-камеры, используя встроенный переключатель.

Шаг 6. Подключить кабель питания постоянного тока, входящий в комплект поставки, к сплиттеру и к разъему питания IP-камеры.

Как выбрать коммутатор РоЕ для сети

Подбирая коммутатор РоЕ, проектировщик или сетевой администратор должен ответить на ряд вопросов:

1. Поддерживается ли функция PoE на всех портах коммутатора? В модельном ряду коммутаторов D-Link существуют устройства с поддержкой функции РоЕ как на всех, так и на отдельных портах. Например, из пяти портов Ethernet коммутатора, РоЕ поддерживает только один.
2. Хватит ли мощности для обеспечения питания всех подключаемых устройств? Надо учитывать, что для питания уличных IP-камер, снабженных нагревателем для работы в холодное время года и вентилятором для защиты от повышенной температуры, а также IP-камер с ИК-подсветкой и функциями поворота требуется больше энергии, чем для IP-телефонов.
3. Поддерживается ли коммутатором функция защиты от превышения величины тока для каждого порта?

Вся необходимая информация, позволяющая найти ответы на эти вопросы, находится в описаниях коммутаторов.

Для того чтобы определить хватит ли мощности для обеспечения питания всех подключаемых к коммутатору устройств, сначала надо определить их суммарную мощность. Исходя из полученного значения, выбирается коммутатор, количество портов РоЕ и энергетический потенциал которого, позволяют подключить нужное количество устройств и справиться с задачей питания.

Энергетический потенциал PoE (PoE Power Budget) – это общая мощность PoE, которую коммутатор может доставить ко всем портам. Высокое значение энергетического потенциала при небольшом количестве РоЕ- портов на коммутаторе говорит о более высокой выходной мощности, обеспечиваемой каждым РоЕ-портом. Низкое значение энергетического потенциала с большим количеством РоЕ-портов говорит о более низкой выходной мощности, обеспечиваемой каждым РоЕ-портом. При этом максимальное значение выходной мощности может быть равно либо 15,4 Вт, либо 30 Вт, в зависимости от типа системы питания. В модельном ряду коммутаторов D-Link имеются устройства с повышенным энергетическим потенциалом, позволяющие осуществлять питание IP-камер с функциями поворота, ИК-подсветкой, со встроенными нагревателями и вентиляторами.