Tomasz Noczyński

Krzysztof Leszczyński

Power over Ethernet

Wstęp

Power over Ethernet (PoE) jest technologią, która umożliwia bezpieczne przesyłanie energii do

ethernetowych urządzeń sieciowych po okablowaniu, które odpowiada za transmisję danych.
PoE wymaga do działania skrętki kategorii 5 albo wyższej, dla wyższych mocy zasilania, jednak w
przypadku niższych mocy może również działać w oparciu o skrętkę kategorii 3.

Zasilanie jest dostarczane do urządzeń peryferyjnych przez dwie lub więcej par przewodów

znajdujących się w okablowaniu. Źródłem może być sieciowy przełącznik obsługujący mechanizm PoE
lub urządzenie „wstrzykujące” (ang. Power injector) zasilanie do sieci LAN, jak na przykład koncetrator
PoE.

PoE jest z założenia proste w instalacji i konfiguracji, oszczędza miejsce (ponieważ nie trzeba

doprowadzać do urządzeń peryferyjnych oddzielnych kabli zasilających) i zapewnia o wiele wyższy
poziom bezpieczeństwa (w PoE napięcia są rzędu kilkudziesięciu V) oraz niezawodności – jedno
centralne, dobrze zaprojektowane i zbudowane źródło zasilania, jest odporne na skoki napięcia, itd.

Wiele implementacji PoE powstało jeszcze przed standaryzacją tej technologii, część z tych

rozwiązań jest cały czas wykorzystywana.



Typy urządzeń

 PD (ang. Powered Device) – urządzenie peryferyjne, pracujące w sieci, będące zasilane

poprzez PoE; mogą nimi być przykładowo: kamery przemysłowe (CCTV) lub punkty
dostępowe do WLAN

 PSE (ang. Power Sourcing Equipment) – urządzenie będące źródłem zasialania PoE w

sieci LAN; dzielą się na dwa rodzaje: endspan i midspan

 Endspan – rodzaj PSE; są to przełączniki ethernetowe, które obsługują technologię Power

over Ethernet, nazywane są w skrócie przełącznikami PoE; Endspany są zazwyczaj
używane w nowo tworzonych sieciach lub też przy wymianie starego switch'a (np. ze
względu na podniesienie szybkości transmisji).

 Midspan – rodzaj PSE; Są to urządzenia, które dostarczają zasilanie

do urządzeń peryferyjnych bez wpływu na przesyłane w sieci dane. Znajdują się
pomiędzy normalnym switchem ethernetowym, a urządzeniami peryferyjnymi, które mają
być zasilane. Urządzeniami typu midspan są np. koncentratory PoE; Midspany są
najczęściej używane w przypadku, gdy nie istnieje potrzeba kupna nowego przełącznika
czy reorganizacji całej lub części sieci, a jedynie obsługa PoE ma zostać przez nią
zaimplementowana.

 Splitter – urządzenie, które oddziela zasilanie od danych płynących w sieci LAN. Jest

wymagany w sytuacji, gdy urządzenie peryferyjne nie obsługuje PoE, wówczas splitter
jest umieszczany bezpośrednio przed nim. Poniższy schemat przedstawia zasadę działania

splittera:

Na wejściu splittera są transmitowane dane oraz napięcie stałe (Vdc), są one rozdzielane

na: DC Output oraz Data Output. W przypadku splittera aktywnego spotykamy się również z
konwerterem DC-to-DC – konwertuje on napięcie stałe z jednego poziomu na inny. Dzięki temu
możemy zasilać urządzenia peryferyjne napięciem większym niż maksymalne dopuszczalne napięcie
jakie może płynąć w sieci PoE (dokładne wartości w dalszej części opisu).

Drugim rodzajem splittera jest splitter pasywny. Składa się on jedynie z części pasywnych

(elementów nie przekształcających energii elektrycznej; np.: rezystorów, cewek czy kondensatorów), nie
może on zawierać konwertera DC/DC (jest to element aktywny) i przez to może dostarczać do urządzeń
peryferyjnych maksymalnie takie napięcie jakie jest zdefiniowane przez używany standard PoE.
Sprawność nowoczesnych konwerterów DC/DC to około 90%, więc 10% energii jest tracone, w
przypadku splitterów pasywnych nie występują starty energii wynikające z konwersji napięcia DC/DC.


Schemat przedstawiający sieć z endspanem:

Schemat przedstawiający sieć z midspanem oraz splitterem:





Rodzaje urządzeń peryferyjnych PD



Urządzenia komunikacji VoIP - np. Telefon Cisco SPA501G

 Kamery (internetowe, przemysłowe, itd.) - np. Videotec VERSO Hi-PoE



Punkty dostępowe WLAN – np. FactoryLine WLAN 24 AP 802-11



Odległe przełączniki sieciowe

 Systemy wbudowane

 Zegary cyfrowe



Wyświetlacze LCD

 Domofony

Zalety Power over Ethernet



PoE oferuję większą moc niż USB (w przypadku USB moc zasilania wynosi kilka wat)



Brak dodatkowego okablowania zasilającego dla urządzeń peryferyjnych



Uproszczony proces instalacji i oszczędność miejsca



Umiejscowienie PD nie jest ograniczone ze względu na dostępność sieci zasilającej – wystarczy
dostępność sieci LAN



Zwiększone bezpieczeństwo użytkowania niskonapięciowej sieci niż zwykłej sieci energetycznej



Opcjonalnie może również być podłączony UPS gwarantuje ciągłość zasilania PD



Łatwość konfiguracji i zarządzania – centralny punkt będący źródłem, w przypadku 802.3at
(PoE+) możliwość komunikacji PSE z PD poprzez protokół LLDP-MED (Link Layer Discovery
Protocol - Media Endpoint Discovery extension: protokół, który umożliwia urządzeniom w sieci
identifikację innych urządzeń)

Wczesne implementacje

Pierwsze implementacje PoE powstały wiele lat przed standaryzacją tego mechanizmu.

Jednym z przykładów może być implementacja firmy CISCO. Nie jest możliwa aktualizacja
firmware'u CISCO, tak aby urządzenia była kompatybilne ze standardami IEEE PoE. Maksymalna
moc zasilania urządzeń peryferyjnych wynosiła 10 W, dokładna wartość była ustalana na drodze
negocjacji pomiędzy PD, a PSE przy użyciu protokołu CDP (Cisco Discovery Protocol).

Inną firmą, która stworzyła własną implementację PoE była PowerDsine, jej wersja PoE była

wykorzystywana przez firmy takie jak m.in.: Level1, 3Com oraz Norte.


Standardy IEEE

Powstały dwa standardy organizacji IEEE na temat PoE. Pierwszy z 2003 to 802.3af, następny

powstał w 2009 roku – 802.3at znany również pod nazwami PoE+ oraz PoE Plus. Urządzenia
obsługujące standard 802.3at nazywane są również urządzeniami typu 2.

Porównanie obydwu standardów:

Właściwość

802.3af

802.3at

Moc zasilania dostępna dla PD 12.95 W

25.50 W na tryb

Maksymalna moc zasilania
dostarczana przez PSE

15.40 W

34.20 W na tryb

Zakres napięcia (dla PSE)

44.0–57.0 V

50.0–57.0 V

Zakres napięcia (dla PD)

37.0–57.0 V

42.5–57.0 V

Maksymalny prąd

350 mA

600 mA na tryb

Maksymalna rezystancja kabla 20 Ω (skrętka kat. 3)

12.5 Ω (skrętka kat. 5)

Zarządzanie zasilaniem

3 klasy mocy zasilania ustalane
przy inicjalizacji połączenia

4 klasy mocy zasilania ustalane
przy inicjalizacji połączenia lub
negocjowane w sposób ciągły
co krok wynoszący 0.1 W

Wspierany typ okablowania

skrętka kat. 3 oraz kat. 5

skrętka kat. 5

Wspierane tryby działania

Tryb A i B; nie mogą działać
jednocześnie przez co nie
można podłączyć dwóch
urządzeń PD do jednego złącza
8P8C

Tryb A i B; mogą działać
jednocześnie – wówczas
maksymalna moc jest
podwajana: 51 W

Klasy mocy

Klasa

Użycie

Zakres mocy [W]

Opis klasy

0

Domyślna

0.44 – 12.94

Klasyfikacja nie została
zaimplementowana w PD

1

Opcjonalna

0.44 – 3.84

Bardzo mała moc zasilania

2

Opcjonalna

3.84 – 6.49

Mała moc zasilania

3

Opcjonalna

6.49 – 12.95

Średnia moc zasilania

4

Klasa obsługiwana przez
urządzenia typu 2 (PoE+);
niepoprawna dla urządzeń w
standardzie 802.3af

12.95 – 25.50

Wysoka moc zasilania

Power over Ethernet – działanie

Podłączając nowe urządzenie peryferyjne do sieci Ethernet obsługującej PoE, PSE automatycznie

wykrywa obecność nowego PD. Jeśli nowe urządzenie nie obsługuje mechanizmu PoE (polega to na
sprawdzeniu rezystancji, musi się mieścić w przedziale 19 do 26.5 kΩ – urządzenia obsługujące PoE
posiadają rezystor 25 kΩ) to nie dzieje się nic, w przeciwnym wypadku PSE kontynuuje wykrywanie
ustawień PD – określana jest klasa mocy zasilania urządzenia (ang. Power Class) – czyli określane jest
zapotrzebowanie PD na zasilanie ze strony PSE.

Etap

Akcja

Napięcie [V]

802.3af

802.3at

Wykrywanie

PSE sprawdza czy PD ma na
przewodach zasilających
odpowiednią rezystancję:
19 – 26.5 kΩ

2.7 – 10.0

Klasyfikacja

PSE wykrywa klasę mocy na
podstawie odpowiedniego
rezystora w PD

14.5 – 20.5

Znaczniki 802.3at

PSE sygnalizuje, że jest zgodny
ze standardem 802.3at; PD daje
na wyjściu obciążenie: 0.25 –
0.4 mA

-

7 – 10

/

14.5–20.5

Start

Włącznie urządzenia PD

> 42

Normalna operacja

Zasilanie PD przez PSE

37 - 57

42.5 - 57

Urządzenie PSE próbkuje urządzenia peryferyjne zaczynając od małych napięć (etap

wykrywania), jeśli PD obsługuje PoE to następuje klasyfikacja już przy większym napięciu. Następnie
PSE sprawdza czy urządzenie obsługuje standard 802.3at również przy większym napięciu. Jeśli
przedstawić wartość napięcia dla kolejnych etapów tego procesu na wykresie to wyszłyby schodki –
kolejnym etapom odpowiadają wyższe napięcia. Dzięki temu mechanizmowi PSE nie uszkodzi urządzeń
sieciowych nieobsługujących technologii PoE.

W etapie klasyfikacji PD określa do swoje zapotrzebowanie na zasilanie, tzn. sygnalizuje do

jakiej klasy mocy należy. Dzięki klasom mocy PSE może wydajniej zarządzać dystrybucją zasilania do
urządzeń peryferyjnych. Klasyfikacja w przypadku standardu 802.3at może przebiec na dwa sposoby:

- standardowy, PSE na podstawie odpowiednich rezystorów w urządzeniu PD dokonuje

klasyfikacji; w standardzie 802.3af występuje tylko ten tryb.

- za pomocą protokołu LLDP-MED, wówczas procedura klasyfikacji wygląda następująco:

po sprawdzeniu przez PSE czy PD obsługuje standard 802.3at, PD „przedstawia się” i

informuje o swoim zapotrzebowaniu PSE, następnie PSE również „przedstawia się” i na

podstawie żądania podaje jakie zasilanie będzie dostarczane.

Protokół LLDP-MED

Protokółu LLDP-MED umożliwia PSE ogłaszanie swojej aktualnej konfiguracji PoE na danych

portach oraz sygnalizowaniu przez PD swojego zapotrzebowania na zasilanie.

Tyczy się to następujących danych:

- typ urządzenia: PSE czy PD

- źródło zasilania: PSE, lokalne czy PSE/lokalne

- priorytet zasilania: dla PSE na poszczególnych portach są określane priorytety (przydatne

w

sytuacjach, gdy zapotrzebowanie będzie większe niż oferowana moc to używane są

priorytety)

- wartość zasilania: wyrażone w watach, w przypadku PSE określa ile źródło zasilania może

dostarczyć mocy, w przypadku PD jakie ma zapotrzebowanie

- rodzaj alokacji zasilania dla urządzeń na danych portach: domyślna (w zależności od

producenta istnieją różne stałe wartości zasilania w trybie domyślnym, np. 17W), na

podstawie klas mocy (PSE rozpoznaje klasę mocy PD i na tej podstawie podaje odpowiednie

zasilanie) lub na podstawie dokładnie przypisanej ręcznie w konfiguracji wartości zasilania.

Protokół LLDP-MED nie jest obsługiwany przez standard 802.3af.

Podgląd przykładowej konfiguracji urządzenia za pomocą LLDP-MED:

(config)# show lldp info remote-device <port>
LLDP Remote Device Information Detail
Local Port : 2
ChassisType : network-address
ChassisId : 0a 03 6c 43
PortType : mac-address
PortId : 08 00 0f 15 fc 04
SysName : URL 3004@10.3.108.67,MITEL ...
System Descr : URL 3004@10.3.108.67,MITEL 5220 DM,h/w rev 0,ASIC rev 0,f...
PortDescr : LAN port
System Capabilities Supported : bridge, telephone
System Capabilities Enabled : bridge, telephone
Remote Management Address
Type : ipv4
Address : 10.3.108.67
MED Information Detail
EndpointClass :Class3
Media Policy Vlan id :108
Media Policy Priority :6
Media Policy Dscp :44
Media Policy Tagged :True
Poe Device Type :PD
Power Requested :47
Power Source :Unknown
Power Priority :High

Przykład alokacji zasilania na podstawie klasy mocy dla przełącznika ProCurve dla portów 6-8:

ProCurve(config)# int A6-A8 poe-allocate-by class

Przykład alokacji zasilania na dokładnej wartości podanej w konfiguracji dla portu 7:

ProCurve(config)# int A7 poe-allocate-by value

Etap

Działanie

Napięcie

[V]

802.3af

802.3at

Wykrywanie

PSE sprawdza czy PD ma na przewodach zasilających
odpowiednią rezystancję: 19 – 26.5 kΩ

2.7–10.0

Klasyfikacja

PSE wykrywa klasę mocy na podstawie
odpowiedniego rezystora w PD

14.5–20.5

Okablowanie i tryby działania

PoE wymaga do działania skrętki kategorii 5 lub wyżej dla wyższych klas mocy, dla niższych

(klasa 1 i 2) wystarcza kategoria 3. Kable te składają się z 4 par przewodów. Przykładowo dla 10BASE-
T oraz 100BASE-TX używane do transmisji danych są 2 pary. W przypadku 1000BASE-T (Gigabit
Ethernet) wszystkie cztery przewody są używane do przesyłu danych.

W zależności od trybu działania (tryb A czy B) zasilanie biegnie po parach przewodów

nieużywanych lub tych odpowiedzialnych za transmisję danych.

 Tryb A – zasilanie jest dostarczane po tych samych parach przewodów, które są odpowiedzialne

za transmisję danych, nie jest istotne czy wszystkie 4 pary są używane do tego celu (jak w
przypadku 1000BASE-T).

 Tryb B - zasilanie jest przesyłane po nieużywanych (wolnych) parach przewodów.

Istotną sprawą jest to, że to PSE decyduje jaki tryb będzie wykorzystywany przy zasilaniu

danego urządzenia. Zgodnie ze standardem PD musi mieć zaimplementowaną obsługę obu trybów.

Ograniczenia oferowanej mocy

Istniejące ograniczenia przy poborze energii przez urządzenia końcowe wynikają z parametrów

okablowania. Maksymalna rezystancja dla skrętki kategorii 3 wynosi 20 Ω natomiast dla kategorii 5 to
12.5 Ω, im większa oporność tym większy spadek napięcia, a co za tym idzie większa strata mocy.
Utracona moc zostaje oddana w postaci ciepła. Można zredukować spadek napięcia dokonując transmisji
energii dla dużych napięć, jednak wówczas, aby położyć sieć z PoE będą wymagane odpowiednie
uprawnienia – praca przy zasilaniu powyżej 60V. Ponadto przestaje wówczas być aktualna zaleta PoE
jako bezpiecznej sieci niskonapięciowej i takiej, którą każdy może zbudować.


Przykład „ugotowanego” kabla:

3. Standardy i porównanie

Tryb

802.3af

802.3at

Moc zasilania dla PD

12.95 W

25.50 na tryb

Moc zasilania dostarczana przez PSE

15.40 W

34.20 W na tryb

Zakres napięć PD/PSE

37.0–57.0 V/44.0–57.0 V 42.5–57.0 V/50.0–57.0 V

Maksymalny prąd

350 mA

600 mA na tryb

Maksymalny opór w przewodach

20 Ω

12.5 Ω

Zasilanie

3 klasy mocy ustalane

przy inicjacji połączenia

4 klasy mocy ustalane

przy inicjacji połączenia

lub negocjowane w

sposób ciągły (co krok

wynoszący 0.1W)

Okablowanie

Skrętka typu 3 i 5

Skrętka typu 5

Tryby działania

Tryb A lub Tryb B

Tryb A, Tryb B lub oba

jednocześnie

4. Klasy mocy

Klasa

Użycie

Zakres mocy [W]

Opis klasy

0

Domyślna

0.44-12.94

Nie zaimplementowa w PD

1

Opcjonalna

0.44-3.84

Bardzo mała moc zasilania

2

Opcjonalna

3.84-6.49

Mała moc zasilania

3

Opcjonalna

6.49-12.95

Średnia moc zasilania

4

802.3at

12.95-25.50

Duża moc zasilania