Технология Power over Ethernet

Power over Ethernet (PoE) — технология, позволяющая передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными через стандартную витую пару в сети Ethernet. Данная технология предназначается для IP-телефонии, точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств, к которым нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель. Обычно используется кабель cat.5. c разъемами RJ45, один и тот же кабель используется и для передачи данных, и для питания устройства. Технология PoE описана стандартами IEEE 802.3af-2003 и IEEE 802.3at-2009. Существует несколько вариантов этой технологии, предшествующих первому стандарту, но они мало распространены.

О Коммутаторах, как таковых.

Разберемся, какие бывают виды сетевых коммутаторов, и что они из себя представляют. Сетевой коммутатор ( англ. switch — переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких узлов компьютерной сети в пределах одного или нескольких сегментов сети. Коммутатор работает на канальном (втором) уровне модели OSI. Коммутаторы были разработаны с использованием мостовых технологий и часто рассматриваются как много портовые мосты. Для соединения нескольких сетей на основе сетевого уровня служат маршрутизаторы (3 уровень OSI). В отличие от концентратора (1 уровень OSI), который распространяет трафик от одного подключённого устройства ко всем остальным, коммутатор передаёт данные только непосредственно получателю (исключение составляет широковещательный трафик всем узлам сети и трафик для устройств, для которых неизвестен исходящий порт коммутатора). Это повышает производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не предназначались.

Коммутаторы характеризуются:

• скоростью передачи данных (100Мб/сек, 1Гб/сек и 10Гб/сек и т.д.)
• количеством портов (2, 4, 8, 16, 24, 48, 64 и т.д.)
• поддержкой сетевого уровня (network layer- layer1, layer2, layer3)
• поддержкой PoE и без неё

Так-же условно можно разделить все коммутаторы на группы:

1. Неуправляемые коммутаторы – эти простые устройства, как правило уровня Layer 1 и Layer 2, не имеющие инструментов ручного управления. Нишей данных коммутаторов являются домашние сети, а так-же малые предприятия. Главное их достоинство – доступная цена. Из недостатков можно назвать малые предельные нагрузки, и как следствие стабильность работы. Затрудненная диагностика, отсутствие средств администрирования. Такие устройства редко используются на предприятиях среднего и большого размеров, т.к. издержки из-за отказов в работе и сложность диагностики превышают изначальную экономию бюджетов. Так-же отсутствие интерфейсов управления накладывает ряд ограничений в их использовании.
2. Управляемые коммутаторы – по большей части, это коммутаторы уровней Layer 2 и Layer 3. Они являются более сложными устройствами, имеющими встроенные средства управления, диагностики и отслеживания состояния. Как следствие, стоимость этих аппаратов выше, чем неуправляемых коммутаторов.

Разделение по уровням модели OSI:

Layer 1 - Сюда относятся хабы, повторители, другие устройства, работающие на первом уровне модели OSI. Эти устройства работают не с данными, как сущностью, а с сигналами. Приняв сигнал на один порт, она просто ретранслируют полученный сигнал на все остальные порты. Устройства с таким функционалом в нынешнее время не производится, редко используются, и ещё реже встречаются в продаже.

Layer 2 - К этой группе принадлежат устройства, работающие на втором (канальном) уровне модели OSI. В основном это неуправляемые коммутаторы. Данные коммутаторы работают с сигналом как с данными, считывая «фреймы». Они могут понять, с какого МАС адреса был принят кадр, и на какой адрес(а) его надо отправить. Эти коммутаторы составляют таблицы, в которых соотносят свои порты MAC-адресами устройств, отправляющих фреймы на данный порт.

Layer 3 - Третий уровень модели OSI называется сетевым уровнем. Его главная задача – определение оптимального маршрута передачи данных, трансляция логических адресов в физические, определение коллизий в сети. На сетевом уровне работают все маршрутизаторы, часть управляемых коммутаторов, все устройства, в характеристиках которых указаны протоколы Ipv4, ipv6, IPX, IPSec и прочие.

Power-over-Ethernet

Пришло время поговорить о PoE – что это такое и зачем оно нужно. Эта технология предназначена для камер, телефонии, точек доступа и других устройств, к которым затруднительно подвести ещё один кабель для питания. PoE не влияет на скорость передачи данных, для её реализации используется вторая, незадействованная жильная пара. В восьмижильной витой паре используются 4-5, 7-8 жилы. Вторая польза заключается в том, что PoE позволяет управлять устройством по питанию, например, временно отключать, включать или выполнять перезапуск (при зависании, обновлении или другой необходимости). Это удобно, если приходится работать удалённо, или, когда устройства находятся в труднодоступных местах. Схемы PoE-A и PoE-B распиновки сетей 100 и 1000 Мбит/сек стандарта 802.3af

PINS on Switch	10/100 DC on Spares (метод B)	10/100 Mixed DC & Data (метод A)	1000 (1 Gigabit) DC & Bi-Data (метод B)
Pin 1	Rx +	Rx + DC+	TxRx A +
Pin 2	Rx -	Rx - DC+	TxRx A -
Pin 3	Tx +	DC- TxRx	B +
Pin 4	DC +	не используется	TxRx C + DC +
Pin 5	DC +	не используется	TxRx C - DC +
Pin 6	Tx -	Tx - DC-	TxRx B -
Pin 7	DC -	не используется	TxRx D + DC -
Pin 8	DC -	не используется	TxRx D - DC -

Питающие устройства могут отличаться, но все питаемые устройства универсальны, спроектированы для приема питания в любом варианте, в том числе приспособлены к изменению полярности. Питающее устройство подает питание на кабель только в том случае, если питаемое устройства является питаемым PoE устройством. Это предохраняет устройства, не поддерживающие PoE от поломки в случае случайного подключение к PoE кабелю. Процедуру подачи питания к устройству можно разбить на несколько этапов: На первом этапе устройство - хост определяет, является ли устройство на другом конце кабеля питаемым PoE устройством. Питающее устройство подает на кабель напряжение от 2,8 до 10 Вольт и определяет сопротивление питаемого устройства. Параметры питаемого устройства – сопротивление от 19 до 26,5 кОм с параллельно подключенным конденсатором ёмкостью от 0 до 150 нФ. На первом этапе питающее устройство может определить диапазон мощности питаемого устройства. Существует 5 классов потребления устройств PoE. 0-3 класс – рабочие, 4 класс – зарезервированный на будущее. Для выполнения классификации, питающее устройство подает на кабель напряжение 14,5 – 20,5В и замеряет силу тока в линии. Если параметры подключаемого устройства не входят в вышеуказанный диапазон, питающее устройство повторит проверку через 2 мс, если входит, то начнется второй этап проверки.

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

После прохождение первого этапа, питающее устройство подает на кабель напряжение в 48В с фронтом нарастания не более 400 мс. После, питающее устройство контролирует подачу питания двумя способами:

1. Питаемое устройство в течение 400 мс потребляет ток, меньше, чем 5мА, питающее устройство прекращает подачу питания на кабель.
2. Подается напряжение на кабель в 1,9-5,0В, частотой 500Гц, вычисляется входное сопротивление. Если сопротивление больше, чем 1980 кОм и течение 400мс, питающее устройство прекращает подачу питания на кабель. Так-же питающее устройство контролирует ток перегрузки. Если питаемое устройство потребляет ток, больше, чем 400 мА более 75 мс, питание на кабель подаваться перестает не менее, чем на 500мс.

Сравнение двух основных стандартов PoE - IEEE 802.3af PoE и IEEE 802.3at-2009 в таблице ниже.

Стандарт	PoEIEEE 802.3af	PoE Plus IEEE 802.3at
Требования к кабелю	Категория 3 (UTP CAT3) или выше	Type 1: Категория 3 (UTP CAT3) или выше
		Type 2: Категория 5 (UTP CAT5) или выше
Сила тока	0.35 А	Type 1: 0.35 А
		Type 2: 0.6 А
Выходное напряжение инжектора	44 - 57 В	Type 1: 44 - 57 В
		Type 2: 50 - 57 В
Входное напряжение питаемого устройства	37 - 57 В	Type 1: 37 - 57 В
		Type 2: 42.5 - 57 В
Максимальное энергопотребление питаемого устройства	Класс PoE 0, 3: 12.95 Вт	Type 1: Класс PoE 0, 3: 12.95 Вт
	Класс POE 1: 3.84 Вт	Класс PoE 1: 3.84 Вт
	Класс PoE 2: 6.49 Вт	Класс PoE 2: 6.49 Вт
	Класс PoE 4: не используется	Type 2: Класс PoE 4: 25.5 Вт
Поддерживаемые питаемые устройства	IP-камеры, IP-телефоны, точки доступа	Все устройства PoE, PTZ-камеры для наружного монтажа,
		точки доступа WiMAX, светодиодные табло, некоторые компьютеры

802.3af - более технически совершенна, но у неё имеется ряд недостатков, как более высокая стоимость устройств, произведенных по этому стандарту, так и более высокое энергопотребление питающих устройств. Третье поколение описано стандартом IEEE 802.3bt. Устройства, третьего поколения PoE позволяют обеспечить электропитание мощностью до 51 Вт по одному кабелю.

Примечание. Для питания устройств с использованием технологий стандарта IEEE 802.3bt. задействованы все восемь проводников кабеля современной витой пары (кат. 5 и выше), в то время как для первых двух поколений можно обойтись только четырьмя. Если говорить о совместимости, то устройства PoE обратно совместимы — более мощное питающее устройство стандарта 802.3bt может использоваться для более старых потребителей PoE и PoE+ (802.3af, и 802.3at).

Есть так-же промежуточные решение, как «Passive PoE», которые поддерживает характеристики, соответствующие стандарту 802.3af (инжектор Passive PoE подает любое напряжение, которое подается блоком питания, не обязательно 48 В), но не протокольное. Passive PoE не совместим с стандартом IEEE 802.3af.

Обычно комплект Passive PoE (PPoE) не имеет блока питания, т.к. используется блок питания комплекта поставки питаемого устройства. При использовании инжектора Passive PoE - 30-60 метров, против 100 метров стандарта IEEE 802.3af. Так-же максимальная длинна кабеля зависит от блока питания, и часто, вопрос можно решить заменой БП на более мощный, с напряжением от 12 до 48 вольт. Пассивный комплект PPoE-Light составляют два устройства: Инжектор и Сплиттер. Passive PoE в основном используют в уже существующих сетях, не проектировавшихся изначально для PoE. В комплекте PoE нет блока питания, т.к. подразумевается, что будет использоваться штатный из комплектации устройства. PPoE обеспечивает работу точек доступа, IP-телефонов, камер видеонаблюдения. Как и в обычном PoE, для питания используются пары 4-5 и 7-8.

Преимущества использования РоЕ

Упрощение обслуживания

Помимо удобства эксплуатации, применение PoE позволяет снять головную боль в плане закупки и ремонта адаптеров питания, обеспечения пользователей розетками, например, через приобретение PDU (проще говоря, «переносок-разветвителей). Меньше узлов — меньше точек отказа — меньше звонков в техподдержку.

Электробезопасность

Кто бы что ни говорил, а 220 Вольт — это много. Это больно бьёт, это убивает. А вот 57 вольт, что является максимумом для PoE — тоже неприятно опасно, но уже не так сильно. В некоторых организациях для того, чтобы сисадмин выполнял работу ещё и электрика — нужен специальный допуск. Регламентируется это всё теми же отраслевыми и региональными стандартами. А с PoE — ничего такого отродясь не знали. Слаботочка — она и есть слаботочка.

Эстетика

Техническому персоналу что в первую очередь нужно? Лишь бы работало. Но некоторым особенно продвинутым «товарищам» нужно, чтобы это было еще и «красиво». Например, чтобы «лишние» провода не свисали. Или чтобы всё одного цвета было. А PoE избавляет от этих самый «лишних» проводников. Особенно чувствительны к этому разного рода проверяющие, комиссии и «большое начальство».

Какие минусы у PoE?

Более высокая стоимость устройств

Действительно, стоит дороже. Особенно если брать более или менее проверенное оборудование, а не полагаться на «авось», покупая «недорогие NoName решения». С другой стороны, принцип «подороже — значит получше» работает не всегда. Поэтому охотиться за дорогим брендом имеет смысл, только если существуют дополнительные требования (есть список «разрешенного оборудования»). Но даже при высокой цене на оборудование с PoE, его цена может быть гораздо ниже, чем организация «с нуля» дополнительной разветвлённой кабельной системы для электропитания удалённых устройств.

Падение мощности

При передаче низковольтного сигнала по тоненьким проволочкам КПД, скажем так, будет не очень. Чем дальше от питающего устройства, тем меньше электрической мощности останется для питания потребителей. Остальное тратится на сопротивление и нагрев проводов. С местным питанием (не PoE) дело обстоит проще. Сунул блок питания в розетку и никакого падения мощности.

Требования к квалификации персонала

Скажем так, хотя применение PoE не требует великих знаний, кое-какие детали освоить нужно. Информацию по данному вопросу найти можно без особого труда, хотя, если человек ни разу не работал с данной технологией, он столкнется с некоторой разрозненностью и фрагментацией учебного материала.

Терминология: End-span и Mid-Span

End-span — устройство обеспечивающее подачу электропитания от начала кабельной линии. Классический пример: коммутатор IP телефонии обеспечивает электропитание небольшой сети стационарных телефонов в пределах офиса. Другой пример — система видеонаблюдения на небольшом складе, где видеокамеры получает электропитание от коммутатора через PoE Обычно в таких системах не предусмотрено дополнительных устройств для усиления питающего сигнала. Mid-span — когда питающее устройство, подключается не с начала кабельной линии, а дополнительно между коммутатором и конечным устройством. Например, питание видеокамеры через инжектор, который включается после коммутатора в промежуточном кроссовом шкафу.

Ещё немного терминологии:

1. PSE (Power Source Equipment) — питающее оборудование.
2. PD (Powered Device) — питаемое устройство.

Если необходимо подключить PD (клиентское устройство с PoE) к обычному сетевому оборудованию.

Для питания клиентских устройств с PoE, можно использовать PoE инжектор, который и предназначен для подачи в сетевой кабель дополнительного электропитания. PoE инжектор имеет на входе разъём RJ45 и разъем для подключения к источнику питания. На выходе у него единственный разъем RJ45 с PoE. PoE инжектор принимает стандартный сетевой сигнал и приводит «инъекцию» электропитания в линию для сетевого подключения, что позволяет подключить на выходе устройство c PoE.

Какие требования к кабелю?

Для подключения при питании через PoE используется витая пара не ниже cat.5e.

Важно. Проводники должны быть медными, а не омедненными, толщиной не менее 0,51 мм (24 AWG). Сопротивление в проводниках не должно превышать 9,38Ом/100 м. Обычно на практике рекомендуют не использовать кабели длиной более 75м, хотя стандарты 802.3af и 802.3at говорят о поддержке 100м. В случае с Passive PoE практические рекомендации носят ещё более пессимистичный характер — реальная длина кабеля для нормальной работы не должна превышать 60м. Однако специальные коммутаторы, например, управляемые GS1350 Extended Range Essentials могут поддерживать устройства на расстоянии 250м при скорости 10Mb/s.

Защита от импульсных перенапряжений (УЗИП)

В любой протяженной электрической цепи существует угроза возникновения краткосрочных импульсов, вызванных накоплением заряда (увеличения разности потенциала — перенапряжения) с последующим разрядом. Ниже приводятся причины возникновения коротких импульсов перенапряжений.

• Удар молнии поблизости от объекта, в том числе в молниеотвод вызывает электрический импульс и электромагнитное возмущение, что создает наведенную ЭДС в кабеле.
• Накопление статического электричества, вызванное ионизацией воздуха и другими внешними явлениями, приводит к появлению импульсов статического напряжения, способных вывести из строя оборудование.
• Перенапряжения вследствие коммутаций и переключений оборудования, например, коммутация патчкордов в кроссовой, включение дополнительных устройств питания, включение и отключение мощной нагрузки приводит к возникновению переходных процессов в электрических цепях с резкими скачками напряжения импульсного характера, что может привести к выходу из строя оборудования.

Примечание. Из-за ряда причин: удар молнии поблизости от объекта во время грозы, а также ионизации воздуха и накопления атмосферного электричества перед грозой такой вид защиты иногда называют «грозозащита». Не следует путать данный термин с термином «молниезащита» — то есть с защитой от непосредственного удара молнии.

Для предотвращения подобных угроз применяются устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Существует два варианта защиты (УЗИП): приобретение и установка внешних устройств и встраивание защиты в устройства с PoE.

Вместо послесловия:

Вопрос использование технологии PoE был и остается дискуссионным. Наиболее частый довод «против» - мнимая дороговизна внедрения PoE. Однако всегда выбор за вами.