🥇Технология PoE в вопросах и ответах

В статье в популярной форме вопрос-ответ рассказывается о ключевых моментах при использовании питания посредством PoE (Power over Ethernet). Приводятся различия между стандартами, даётся информация о защите устройств от импульсов перенапряжений и о других полезных вещах.

Что такое PoE?

PoE (Power over Ethernet) — технология подачи электропитания на клиентское устройство через витую пару стандарта Ethernet (обычно используется кабель cat.5. c разъемами RJ45). Один и тот же кабель используется и для передачи данных и для питания устройства.

Какие устройства поддерживаются?

В качестве питающих устройств могут выступать:

коммутаторы,
маршрутизаторы,
и другое сетевое оборудование.

В качестве клиентских устройств могут использоваться:

проводные телефоны,
видеокамеры,
точки доступа,
различные датчики и другое периферийное оборудование.

Существуют также устройства для интеграции с оборудованием, не поддерживающим
PoE.

Для чего это нужно?

Как писал поэт Владимир Маяковский: «Если звезды зажигаются, значит это кому-нибудь нужно». Ниже приводятся преимущества использования данной технологии.

Подключение устройств в труднодоступных местах

Например, на рабочем месте пользователя предусмотрены только две розетки: для монитора и системного блока. Часто такие требования возникают не из-за ошибки в планировании, а диктуются отраслевыми, региональными и другим стандартами ИТ-безопасности, пожарной безопасности, охраны труда и так далее.

Другой пример — если видеокамера или точка доступа закреплена под потолком, туда бывает сложно протянуть ещё и провод питания.

Управление по питанию

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.

Особенно это полезно при работе с точками доступа, которые могут находиться на значительном расстоянии или вообще скрыты где-нибудь над фальшь-потолком.

Примечание. Практически все современные точки доступа от Zyxel поддерживают PoE
и в том числе новые модели с поддержкой Wi-Fi 6: как самые «бюджетные» NWA110AX так и более продвинутые WAX650S и WAX510D

Рисунок 1. Двухдиапазонная точка доступа 802.11ax (Wi-Fi 6) NWA110AX.

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 пошла энергия, пошла…»

Впрочем, подобные проблемы с расстоянием могут быть решены при помощи использования специальных коммутаторов с увеличенной мощностью сигнала, например, Zyxel серий [GS1300] (https://www.zyxel.com/ru/ru/products_services/Unmanaged-Switch-For-Surveillance-GS1300-Series/) и GS1350.

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.

Стандарты PoE

Для новичков может возникнуть некоторая путаница. Существует 3 поколения
стандарта:

Первое поколение PoE (стандарт IEEE 802.3af) обеспечивает питание до 15,4 Вт постоянного тока для каждого подключенного устройства.

Второе поколение стандарт IEEE 802.3at, также называемое PoE+ может выдавать мощность до 30 Вт для каждого устройства. Данный стандарт используется для питания более «прожорливых» потребителей, например, камер видеонаблюдения Pan-Tilt-Zoom (PTZ) и беспроводных точек доступа 11n.

Для простоты восприятия основные отличия сведены в таблицу:

Параметры
PoE
PoE+

Напряжения постоянного тока на питаемом устройстве
от 36 до 57 V (номинальное 48V)
от 42,5 до 57 V

Напряжение, выдаваемого источником
от 44 до 57 V
от 50 до 57 V

Максимальная мощность PoE источника
15,4 Вт
30 Вт

Максимальная мощность, получаемая PoE потребителем
12,95 Вт
25,50 Вт

Максимальный ток
350 mA
600 mA

Максимальное сопротивление кабеля
20 Ом (для cat.3)
12,5 Ом (для cat.5)

Классы питания
0-3
0-4

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).

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:

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

Может питающее устройство понять, какое подключили клиентское устройство: с PoE или без?

Если речь идёт об End-span, например, о коммутаторе, все происходит не просто, а очень просто. Источник питания, например, коммутатор с портами PoE включает подачу питания для данного порта только в том случае, если подключенное устройство (например, точка доступа) поддерживает технологию PoE.

Как это работает?

В начале выполняется проверка: поддерживает ли устройство-клиент питание через PoE. Подается напряжение от 2,8 до 10Bольт, определяется входное сопротивление. В случае, когда полученные результаты можно признать удовлетворительными для питания чрез PoE, питающее устройство переходит к следующему этапу.
Питающее устройство определяет требуемую мощность для питания устройства-клиента, для последующего управления этой мощностью. В зависимости от уровня потребления устройствам присваивается класс: от 0 до 4.

Однако если речь идёт о недорогих устройствах Mid-Span, включаемых после обычного сетевого оборудования (без PoE), здесь всё не так радужно. В таких случаях обычно в линию подаётся постоянное питание с фиксированными параметрами, а проверка на предмет: «Какое устройство находится на другом конце линии?», — не производится.

А что делать, когда нужно подключить устройства без поддержки PoE, а розетки для адаптера электропитания не предусмотрено?

Для таких ситуаций служит Passive PoE с использованием PoE сплиттера.

В этом случае источник питания не опрашивает подключенное устройство и не согласовывает его мощность. Питание просто подается по свободным проводникам витой пары при помощи PoE сплиттера.

PoE сплиттер разделяет поступающий по витой паре сигнал на данные и питание (12В-24В). Таким образом становится возможным подать питание и интегрировать в существующую инфраструктуру устройство без поддержки PoE. При данном способе подключения необходимо тщательно подбирать мощность источника питания, и его потребителя.

А если наоборот? 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.

Рисунок 2. Zyxel PoE инжектор PoE12-HP

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.

Рисунок 3. Иллюстрация работы Extended Range.

Что такое защиты 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.

Ну и напоследок ответ на вопрос: какие устройства выбрать?

Выбор питающего устройства

Когда говорят о выборе устройства-источника для питания PoE, имеют в виду end-span, и обычно это коммутатор. Коммутатор — самый используемый вариант, они применяются и в IP телефонии, и видеонаблюдении, и при развешивании точек доступа, и при расстановке всевозможных датчиков охранных систем, контроллеров СКУД и так далее.

Тут важно учитывать несколько факторов:

Совместимость сверху вниз. То есть более современное устройство, поддерживающее последний стандарт IEEE 802.3bt может использоваться для подключения и питания более старых устройств. А вот наоборот — нет.
Удаленность PD (питаемых устройств). Помимо длины, которая есть «здесь и сейчас», стоит задуматься о будущем. Например, если будет расширяться складская территория, или намечается переезд офиса. Лучше заложить некоторый запас характеристик «на перспективу».
Управление устройствами. Помимо варианта ««зайти» на коммутатор и вручную выключить-включить питание», существуют и другие возможности управления, например, с использованием протокола LLDP для видеокамер.
Защита от импульсных перенапряжений (УЗИП) и других вредных факторов.

У Zyxel есть коммутаторы, которые советуют всем указанным выше требованиям. Это модели новой серии GS1350. Мы уже писали о них ранее Данная серия изначально позиционировалась как «Смарт-управляемые коммутаторы для систем видеонаблюдения» Однако они без проблем применяются и для других случаев, например, для питания телефонов, точек доступа и других устройств с PoE.

Рисунок 4. Специализированный управляемый коммутатор PoE GS1350-26HP.

Неуправляемые коммутаторы серии GS1300 также являются неплохим выбором. Подборку специализированных коммутаторов от Zyxel можно посмотреть на рисунке 5.

Рисунок 5. Модельный ряд управляемых и неуправляемых коммутаторов с поддержкой PoE от Zyxel.

Выбор устройства-потребителя

Обычно при выборе конечных устройств ориентируются на их потребительские характеристики, например, на качество картинки при выборе видеокамеры, поддержке Wi-Fi стандартов при выборе точек доступа и так далее.

Однако электропитание также накладывает свой отпечаток. Имеет смысл учитывать следующие факторы:

Экономичность устройства.
Возможности управления.
Цена и качество.

Важно! Несмотря на заявленную совместимость сверху вниз не стоит 100% уповать на эту возможность. В хорошем проекте источник питания и потребители должны поддерживать один стандарт, желательно самый актуальный, иметь полную совместимость, приобретаться в расчёте на использование новых технологий, например, Wi-Fi 6. Переделка целого куска инфраструктуры, гордо именуемая «модернизацией», чаще всего обходится дороже, чем некоторые дополнительные затраты на этапе внедрения.