Знакомство с PoE (управляемый poe ethernet)

Введение

На сегодняшний день все больше и больше устройств подключаются к внешнему миру через порт Ethernet. Иногда случается так, что это единственное возможное физическое подключение. Обычно для передачи данных через Ethernet используются высокоуровневые протоколы, такие как IP. В области оборудования для трансляций дела обстоят точно так же – повсеместное применение протокола IP уже невозможно остановить. Подобные большие системы, состоящие из различных устройств и терминалов, всегда включают в себя центральный узел, к которому подключаются все компоненты – Ethernet-коммутатор. Ярким примером такой структуры являются аудио интерфейсы AEQ NETBOX 4MH и комментаторские пульты Olympia 3.

Компания AEQ возлагает серьезные планы на развитие IP-устройств, которые не только управляются по протоколу IP, но также позволяют передавать высококачественный аудио-сигнал по той же сети, используя протокол Dante. В такой ситуации имеет смысл сделать так, чтобы устройства не нуждались в локальном источнике питания; было бы здорово, если бы питание к ним поступало по тому же кабелю – это значительно упростит их монтаж и обеспечит дополнительные преимущества, о которых будет сказано ниже. Такой способ питания устройств называется «Power over Ethernet» (или сокращенно РоЕ), его применение и характеристики определяются специальным стандартом.

Данная статья поможет объяснить пользователю все, что следует знать об этой технологии, при этом мы не будем вдаваться с глубокие технические подробности.

Составные части архитектуры РоЕ

Система Ethernet с РоЕ включает в себя следующие компоненты:

• Питаемые устройства (PD): сюда относятся устройства, которые запитываются от удаленного источника. Для того, чтобы эти устройства могли работать в составе инфраструктуры РоЕ, они должны удовлетворять характеристикам стандарта.
• Питающие устройства (PSE): это устройства, которые могут быть источниками питания. Например, к таким относятся коммутаторы с РоЕ (концевой монтаж), или специальные РоЕ-инжекторы (промежуточный монтаж), которые подключаются между коммутатором и питаемым устройством. Инжекторы бывают активные и пассивные, но только первые соответствуют стандарту РоЕ, при этом любые используемые PSE должны быть полностью совместимыми с передачей данных вашей сети.
• РоЕ-сплиттеры: эти устройства довольно распространены на рынке. Они позволяют разделять входящее РоЕ-подключение на отдельные порты данных и питания.
• Кабели: для обеспечения работы РоЕ не требуются какие-либо особенные кабели. Для РоЕ-питания применяются обычные кабели «витая пара» для сетей 10/100/1000 Мбит. Ограничение по длине кабеля соответствует ограничению по передаче данных с заданной скоростью (как правило, это 100 м). Обычно кабели 5 и 6 категорий не требуют замены – они прекрасно справляются с РоЕ, поэтому данная технология имеет существенное преимущество. Есть несколько способов, как можно «добавить» питание в существующий кабель. Обычно для этого используются резервные пары, однако в случае с гигабитным подключением для этого задействуются все 4 пары (с применением трансформаторов).

Преимущества технологии РоЕ

• Экономия средств: исключаются затраты на отдельный питающий кабель, равно как на отдельные источники питания. Кроме этого, некоторые питающие устройства способны управлять маршрутами питания, что в сумме позволяет значительно экономить электроэнергию и расходы на монтаж.
• Мобильность: создав инфраструктуру РоЕ, вы можете перемещать питаемые устройства в разные места объекта – оно будет работать всюду, где имеется подключение Ethernet.
• Безопасность: нет необходимости в обеспечении высокого напряжения 230 В, в РоЕ применяется напряжение около 48 В постоянного тока, которое обладает оптимальным балансом между эффективностью питания и безопасностью работы с кабелями. Кроме этого, нет необходимости соблюдать полярность питания – питаемые устройства автоматически корректируют входящее напряжение.
• Простота и гибкость: монтаж оборудования становится значительно проще ввиду отсутствия отдельных питающих кабелей – для работы РоЕ можно использовать существующую сеть Ethernet. Кроме этого теперь можно располагать оборудование на рабочем месте без учета наличия розеток 230 В. Например, если вам нужно расположить роутер в потолке, то обеспечить в таком месте розетку станет непростой задачей.
• Надежность: резервирование питания можно осуществлять со стороны источника (питающего устройства), поэтому технология РоЕ позволяет создавать централизованные источники качественного и надежного питания, включая использование UPS. Кроме этого, нет необходимости в отдельных разъемах для питания, ведь как известно, надежность системы уменьшается с ростом количества используемых разъемов.
• Управляемость: у пользователя есть возможность удаленно перезагрузить любое питаемое устройство в сети, находясь при этом у источника питания (питающего устройства). Кроме этого, в некоторых случаях можно удаленно отключать неиспользуемые устройства в целях экономии электричества или ограничения доступа к ним.

Применяемые стандарты

Технология Power over Ethernet определена в стандарте IEEE 802.3af, который включает в себя следующие аспекты:

• Физические показатели, такие как напряжение питания, тип кабеля для передачи, подключение и т.д.
• Описание устройств, которым необходимо питание, и устройств, которым нельзя подавать питание по Ethernet.
• Описание классов устройств в зависимости от потребляемого тока, методы определения этих классов и их управление.
• Описание мер безопасности, таких как изоляция, защита и т.п.

Относительно недавно был разработан улучшенный стандарт IEEE 802.3at (он также называется РоЕ+), определяющий пятый по счету класс питания (класс 4), который обеспечивает мощность до 25,5 Вт. Этот стандарт допускает к использованию множество новых устройств, которые помечены как «Type 2» – к ним относятся, например, коммутатор Cisco SG300 и инжектор Linksys LACPI30. К типу 1 относятся все устройства с классом питания 0–4.

Классификация устройств представлена в таблице:

Примечание: стандарт 802.3at обратно совместим с прежним стандартом, поэтому любое устройство 802.3af можно подключать к питающим устройствам 802.3at.

Требование к источнику питание заключается в том, что он должен обеспечивать 20%-ный запас по мощности относительно суммы мощности потребления всех подключенных устройств – это объясняется компенсация потерь энергии в кабелях. Следует избегать наихудшего варианта, при котором все питаемые устройства класса 4 подключены очень длинными кабелями Cat5.

Принцип работы РоЕ

Запуск питания РоЕ осуществляется в три этапа:

1. Из соображений безопасности, перед подачей питания в сеть следует определить совместимость подключенного устройства с РоЕ. Для этого используется специальная процедура Определения, при которой питающее устройство подает по кабелю краткий импульс питания от 3 до 10 В и измеряет входное сопротивление подключенного устройства, которое должно составлять в среднем 25 кОм.
   Обратите внимание, что некоторые устройства могут оснащаться дополнительным гнездом питания. Если в схеме этого устройства данное гнездо имеет приоритет и питание поступает по нему, то процедура определения не покажет входного сопротивления, следовательно, питание по Ethernet подаваться не должно.
2. Если процедура определения дала положительный результат (подключенное устройство поддерживает РоЕ), то происходит переход к этапу Классификации, при котором питающее устройство определяет необходимую мощность питания подключенного устройства. Для того через кабель подается напряжение порядка 20 В в виде импульса 50 мс, в течение которого происходит замер потребляемого тока. Таким образом, питающее устройство определяет класс мощности подключенного устройства (см. таблицу ниже). В случае устройств РоЕ+ эта процедура повторяется дважды, в результате чего замеряется максимальная мощность.

3. Только после первых двух этапов – определения и классификации – запускается третий этап Активации. В этот момент в линию подается номинальное напряжение 44–57 В, причем это делается плавно, чтобы избежать воздействия на данные. При этом питаемое устройства должны иметь ограничение по пусковому току, а его преобразователь напряжения должен активироваться только при достижении 36 В. Номинальный диапазон питания составляет 30–42 В, вне этих пределов преобразователь напряжения должен автоматически отключаться.

Питающее устройство постоянно следит за потребляемым током на каждом порте. В случае, когда потребление превышает безопасный порог, питание автоматически отключается из соображений безопасности. После этого каждые 3–5 секунд питающее устройство должно автоматически осуществлять три вышеописанных этапа. Обычно пусковой ток превышает этот порог, однако это допустимо только на небольшой отрезок времени. В целом пороговые параметры соблюдаются достаточно строго.

Также питающее устройство следит за минимальным порогом энергопотребления, и при достижении нижнего безопасного порога питание также автоматически отключается. Некоторые питающие устройства имеют возможность индивидуально ограничивать класс мощности по своим портам и даже предоставлять статистику по мощности, сбоям и тд.

Помимо необходимого функционала выполнения этапов запуска, питаемые устройства имеют преобразователи питания с изолированной топологией (обычно это обратноходовой преобразователь), которые понижают входное напряжение до необходимого для работы своих схем. Разработка таких преобразователей – задача не из простых, т.к. требует учета множества требований, особенно это касается устройств РоЕ+. Помимо стандартной процедуры классификации, устройства типа 2 должны поддерживать классификацию Layer-2 (которая, впрочем, используется довольно редко).