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PoE技术原理和常见问题

1 概述

随着大数据、云计算和5G技术的发展,在许多应用场景中,互联网的接入终端对于供电的灵活性提出了更高的要求。例如在智慧楼宇应用中,随着智能化与物联网智能终端设施越来越多,新建楼宇的设备数量及其安装位置很难提前准确确定,进而难以提前规划供电;一些楼宇进行智能化改造时难以对其供电线路进行改造优化,就地供电成为棘手的问题。面对这一困局,依托网络布线基础进行数据信号传递和电力供给的以太网供电技术成为了行业内一致认可和行之有效的解法。那么,什么是以太网供电?它是怎么实现的?它有哪些优点?本文将一探究竟。

2 PoE简介

PoE(Power over Ethernet)是以太网供电技术的英文简写,它能够通过10BASE-T、100BASE-T和1000BASE-T以太网双绞线传输直流电,实现为基于IP的终端传输信号的同时提供直流供电。虽然PoE供电方式不能提升网络的质量和速度,但极大拓展了互联网接入设备布置场景。PoE功能还带来了其他许多优点,包括:

  • 成本降低

直接通过网线提供电力,显著减少安装网络设备所需电源插座的数量以及因此带来的电力布线,可降低接入成本和部署成本。

  • 灵活性

无需与电源插座相连,监控摄像头、无线接入点和IP网络电话等设备可以放置在任意理想的位置,并且移机方便,提升了部署灵活性。同时可以通过控制PoE供电设备远程管理受电设备进行下电和重启等操作,提升了管理灵活性。

  • 安全性

使用符合标准的PoE供电能够智能地保护网络设备免受过载和供电不足的影响,也自然避免了电源安装不正确所带来的潜在风险。

  • 易用性

PoE供电的有关标准向下兼容,符合标准的供电和受电端设备能够自行协商参数,提供近乎于“即插即用”的体验。

  • 可靠性

PoE供电端可以通过不间断电源(UPS)进行电源冗余备份,即使在主电源故障期间也可以保证连续运行。

2.1   术语解释

PoE供电技术中常用的术语解释如表2-1。

表2-1     术语解释表

术语 名词释义
PoE(Power over Ethernet) 以太网供电技术。PoE设备指支持以太网供电功能的设备,如PoE交换机、PoE供电的WIFI AP等。
IEEE 802.3 af、IEEE 802.3 at、IEEE 802.3 bt 电子与电子工程师协会(IEEE)分别在2003年、2009年、2018年批准的PoE标准。
PSE(Power Sourcing Equipment) 可以通过以太网电缆为受电设备供电的电源控制器,即供电设备,如PoE交换机。
PD(Powered Device) 消耗功率或请求功率的设备,即受电设备,如要求PoE供电的监控摄像头、无线AP等。
Active PoE 主动PoE,符合IEEE 802.3相关标准的PoE功能。
Passive PoE 被动PoE,不适用IEEE 802.3相关标准的PoE功能。
LLDP(Link Layer Discovery Protocol) 链路层发现协议,PD可以通过LLDP报文与PSE交互。


2.2   PoE供电原理

2.2.1  IEEE 802.3 af/at/bt标准

为了解决不同厂商生产PoE设备的兼容性问题,IEEE标准委员会在2003年6月发布了第一个针对PoE的标准——IEEE 802.3af标准。基于当时的需求以及技术水平,IEEE 802.3 af标准规定PSE设备每个端口仅需要支持输出最高15.4W的电力。2009年,随着对大功率PoE设备接入的需求,IEEE 802.3 at标准发布,将端口需要支持的电力输出提升至25.5W。目前最新的标准是2018年发布的IEEE 802.3 bt,支持的最高电力输出被提升至90W。表2-2汇总了这三个标准的主要参数信息。

表2-2    PoE标准技术参数对比

                       标准

技术参数

IEEE 802.3 af IEEE 802.3 at IEEE 802.3 bt
分类 PoE PoE+ PoE++或4PPoE
类型 Type 1 Type 2 Type 3 Type 4
PSE最大输出功率 15.4W 30.0W 60W 90W
PSE输出直流电压范围 44V~57V 44V~57V 44V~57V 52V~57V
PD最大输入功率 12.95W 25.5W 51.0W 71.3W
PD输入直流电压范围 36V~57V 42.5V~57V 39.9V~57V
最大传输电流 350mA 600mA 1730mA
双绞线中供电电芯对数 2对 2对 4对
网线类型 Cat3及以上双绞线 Cat5及以上双绞线 Cat5及以上双绞线


2.2.2  功率等级

图2-1 IEEE 802.3 af/at/bt标准功率等级划分

PoE技术原理和常见问题

出于对安全性和节能性要求的考虑,IEEE 802.3 af/at/bt标准中除了定义了功率类型,还进一步细化了功率等级。不同标准,不同类型和不同功率等级间的对应关系如图3-1所示。

2.2.3  PoE供电过程

PD设备通过网线连接到PSE设备后,PSE设备将与其开始进行供电参数协商,即“握手”。“握手”成功PSE才会开始供电。协商过程如下:

(1) 检测PD

PSE设备在端口以2秒为周期输出电流受限的小电压,电压范围为2.7V~10.1V,用以检测PD设备的存在。如果检测到阻值在19kΩ~26.5kΩ范围内的分级电阻,说明网线连接着支持IEEE 802.3 af/at/bt标准的PD设备。

(2) 功率分级

在供电正式启动之前,PSE和PD双方需要协商具体的供受电功率等级。功率等级划分详见3.2.2  功率等级。具体协商过程为:

a  PSE首先对PD施加电压脉冲,通过检测链路上流过的电流,PSE将识别PD设备的功率类型是Type 1或者Type 2及以上。这一协商过程基于硬件实现。

b  如果识别PD功率类型是Type 1,那么将根据检测电流自动识别功率等级属于Class 0~3中哪一个等级,然后按对应等级的功率要求,直接进入供电启动阶段。

c  如果识别PD功率类型是Type 2及以上,PSE将会首先将输出功率提升至Type 1最高支持的15.4W,然后启动第二次功率分级。第二次功率分级可以是基于硬件的Two-Event协商方式,这时PSE将进一步输出若干脉冲电压确定PD所需的功率等级;或者是基于软件的LLDP协商方式,这时PSE和PD之间的参数将会封装在特定的以太网报文中进行传递和协商,详见3.2.4  LLDP分级。支持IEEE 802.3at标准的PD设备必须同时支持这两种功率分级方式,PSE设备只需支持其中一种即可。

(3) 供电启动

功率分级完成后,PSE将从低电压到高电压向PD供电,直至到达48V,这一过程称为软启动,时间一般在15微秒以内。

(4) 正常供电

电压达到48V之后,PSE设备按照协商的功率等级为PD设备提供稳定可靠的48V直流电。

(5) 断电

供电过程中,PSE会不断监测PD电流输入,当PD电流消耗下降到最低值以下,或电流激增时,PSE会主动断开供电,并重复检测过程。例如设备供电网线意外断开或者遇到PD设备短路、功率过载等情况。

2.2.4  LLDP分级

IEEE 802.1ab定义了关于以太网供电的TLV(Type Length Value)报文:Power via MDI TLV。PSE设备和PD设备通过将Power via MDI TLV封装在LLDP报文中,进行以太网供电能力的发现和通告。当PSE检测到PD后,PSE和PD可以周期性地向对方发送包含该字段LLDP报文,以便及时对设备状态变化做出相应调整。

例如,Class 4 Type2的PD设备插入支持LLDP分级的PSE设备以后,PSE设备默认识别PD设备为Type 1设备,并输出最大15.4W的功率。在进行LLDP分级以后,PD设备可以被识别为Type2设备,如果PoE设备功率足够,那么PD可以得到最大25.5W的功率。如果PoE设备已经无法分配更多的功率,那么PD设备会不断的发送LLDP功率请求报文,请求功率分配。

LLDP报文结构和字段解释如图2-2和表2-3。

图2-2 Power via MDI TLV报文示意图

PoE技术原理和常见问题

表2-3 Power via MDI TLV报文字段说明表

字段 说明
MDI Power Support bit 0:端口类型。0表示PD端口,1表示PSE端口。
bit 1:PSE MDI供电支持标志位。0表示不支持,1表示支持。
bit 2:PSE MDI供电状态标志位。0表示未启动,1表示启动。
bit 3:PSE供电线对控制标志位。0表示线对选择不可控,1表示线对选择可控。
bit 4~bit 7:预留位。
PSE Power Pair 供电对数(十进制):

1:采用Alternative A模式供电,通过网线中1、2和3、6两对线芯传输电力。

2:采用Alternative B模式供电,通过网线中4、5和7、8两对线芯传输电力。

其余值未定义。

Power Class 供电等级表示位,根据RFC 3621中关于PSE端口功率等级的定义,取值如下(十进制):

1:Class 0,对应参考功率是15.4W

2:Class 1,对应参考功率是4W

3:Class 2,对应参考功率是7W

4:Class 3,对应参考功率是15.4W

5:Class 4,对应参考功率是30W

其余值未定义。

3 典型应用场景

3.1   园区网络

图3-1 园区网络AC+AP无线网络拓扑图

PoE技术原理和常见问题

在大型园区网络中,PoE交换机为园区网络的部署提供了便利和更多可能性。通过在网络接入层增加PoE交换机,可以灵活地在园区架设AP,在实现信号的最佳覆盖的同时无需考虑额外供电问题;核心交换机旁挂AC实现对AP的集中配置下发和管理,提高了无线网络部署的灵活性和可拓展性。同时,其他业务如监控系统、门禁系统和IP电话系统等,也能够通过PoE交换机接入,使得各个网络系统实现供电和管理运维的统一,大大节省了部署和管理成本。通过将PoE交换机接入UPS还可以进一步保证断电情况下监控摄像头、门禁等安全系统的正常运作,提升园区网络的可靠性和安全性。

3.2   家庭网络

图3-2 家庭全屋WiFi网络拓扑

PoE技术原理和常见问题

在家庭网络中,PoE技术也逐渐得到应用。例如通过在家庭弱电箱部署PoE多功能网关,可以实现面板AP或者吸顶AP的灵活部署,不再受到设备供电条件的约束,实现信号覆盖无死角的同时更加美观。家庭PoE网关通常内置AC功能,通过简单配置即可实现全屋WiFi无缝漫游,相比传统多台路由器Mesh组网的实现方式,不仅能做到“无明线”的优雅布局,同时保证了无线网络的质量。因此,PoE供电方式的网关+AP方案也逐渐成为家庭网络铺设和改造的热门方案。

4 常见问题

4.1   什么是Active PoE和Passive PoE?

根据PoE设备是否符合IEEE 802.3相关标准以及PoE供电原理,可以将PoE划分为Active PoE和Passive PoE。

  • Active PoE

由于符合IEEE 802.3相关标准规范,通过双绞线相连的PSE和PD设备无需特别注意电压、功率匹配的问题,PSE和PD设备会进行一系列的通信协商,通常也被称为“握手”。只有PSE和PD设备双方对有关参数达成一致并“握手”成功,正式供电才会开始。硬件级别的PoE控制芯片会负责判断过程中PD是否符合标准。以锐捷千兆以太网全光网络入室PoE交换机RG-SF2920-16GT2SFP-P为例,软件层面通常可以通过CLI来开启或关闭PoE端口的供电、查看设备PoE的供电情况、设置供电模式和功率告警水线等,硬件层面PoE芯片能够识别在PoE口接入非PoE受电设备并自动关闭电力供给,防止接入设备被击穿。因此,Active PoE具有更高的安全性。

  • Passive Poe

也被称为非标准PoE,即不符合IEEE 802.3相关标准,这类PoE设备没有检测和“握手”过程、没有专门PoE控制芯片,因此无论通过双绞线连接的终端是否支持和需要PoE供电,都将会直接输出固定电压值的直流电,可能造成端口损坏甚至设备击穿等故障。

4.2   PoE设备是否安全?

根据PoE供电原理,只要是符合IEEE 802.3 af/at/bt标准的PoE功能都是安全的。以PoE交换机为例,即使在设备开启PoE功能时接入非PoE设备,也不会对其造成损坏。正如上文所述,在网线连接后、电力传输正式开始以前,PSE和PD之间会进行“握手”来确定功率等级等参数。这一过程使用较低的电压进行信号传递。“握手”成功后,PSE才会按照协商一致的参数输出PD需要的电力,否则将不会传输电力。由于这一过程在IEEE 802.3 af/at/bt中明确定义,因此符合这些标准的PoE供电方式是安全可靠的。锐捷PoE设备支持设置功率告警水线等PoE监测告警功能,能够实时监控设备供电情况,进一步提供了安全保障。

4.3   用于PoE设备间连接的双绞线一定要是纯铜的吗?

不一定。理论上只要是能够保证数据通信的网线,都能够直接在PoE设备上使用,但是推荐用纯铜网线连接供、受电设备。目前除了纯铜网线外,常见的还有铜包铝网线。出于成本考虑,铜包铝网线的内芯为铝金属制成,外层包覆铜金属。同样以100米为例,纯铜网线的内阻大约是20欧姆,而铜包铝网线内阻大约为28欧姆,增加了40%。同时由于网线内包含两种金属,在长期潮湿环境下,铜包铝网线容易发生氧化。因此在PoE设备间使用铜包铝网线连接会带来更大的传输损耗和更高的温升,不利于设备长期稳定运行。

4.4   PoE是否会影响网速?

以太网信号是差分信号,PoE通过在2对或4对差分信号线对上加载电力,不改变线对上电平信号的差值,因此供电和通信二者互不影响。

4.5   怎么确定需要多大功率的PoE供电设备?

以PoE交换机为例,交换机的PoE端口输出总功率是有限的。通常根据PoE交换机的供电输出总功率、受电设备需要的额定功率和需要的端口数量来选型。多种功率需求的PD设备接入,需要提前确定好PoE交换机的供电输出总功率能够大于所有接入PD设备输入总功率,以及PoE交换机是否支持相应功率等级的标准。

以满足802.3at标准、8口总输出功率为130W的PoE交换机为例,根据802.3 af标准,PSE设备单口最大输出功率为15.4W,那么该设备可以满足8口全部接上802.3 af标准PD设备的需求。根据802.3 at标准,PSE设备需要单口输出最高30W的功率,所以该设备最多只能接入4个需要30W供电的802.3 at设备。因此选型时除了要注意标准兼容性和接口数量外,还需特别关注PoE供电设备整机输出总功率是否满足需求,避免出现由于设备整机带载能力不足导致标准兼容但是供电功率不足的问题。

4.6   PoE交换机可以当作普通交换机使用吗?普通交换机可以软件升级获得PoE功能吗?

根据PoE供电原理,符合标准的PoE交换机,即Active PoE交换机,是能够识别接入设备是否需要供电的,并且通常能够通过软件禁用PoE功能,因此是能够当作非PoE交换机使用的。非标准PoE交换机,即Passive PoE交换机,通常端口会输出恒定功率的直流电压,接入非PoE设备可能有损坏设备的风险,因此此类交换机不建议应用在非PoE场景。

PoE功能需要依赖硬件功能实现,因此交换机的PoE功能无法通过软件版本升级获得。对于非PoE交换机需要接入PoE设备的应用场景,在设备和交换机之间跨接PoE注入器(PoE Injectors)是一种可行的过渡方案。PoE Injectors需要独立的电源供电,入接口通过网线接入非PoE交换机,即可在出接口输出叠加一定功率电力的数据信号,使非PoE设备实现通信和电力供给的功能。

图4-1 以太网供电电源典型拓扑示意图

PoE技术原理和常见问题

本文由 @孔明 发布于弱电智能网 。

题图来自Unsplash,基于CC0协议

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