Power over Ethernet – mniej kabli, więcej mocy

Power over Ethernet to jedna z tych technologii, która wydaje się nam zbędna do momentu, w którym zaczniemy jej używać. Pozwala nam ona na zasilanie urządzeń używając kabla sieciowego, czyniąc konieczność prowadzenia dedykowanej infrastruktury elektrycznej zbędną. Za akronimem PoE kryje się jednak o wiele więcej. Przyjrzyjmy się tematowi nieco bardziej szczegółowo.

Czym jest PoE?

Jak już wspomniałem na wstępie, PoE to technologia, która pozwala nam na przesyłanie energii elektrycznej za pośrednictwem kabli sieciowych – a konkretnie, powszechnie używanej skrętki UTP. Większość urządzeń peryferyjnych takich jak np. Access Pointy czy też telefony IP, wymagają doprowadzenia zarówno połączenia sieciowego jak i zasilania.

PoE pozwala nam na skonsolidowanie obu tych połączeń w jednym kablu.

Na pierwszy rzut oka zaleta jest oczywista – potrzebujemy mniej kabli. Ale zastanówmy się głębiej…

Dlaczego używać PoE?

Zalet jest wiele. Gdyby wymienić 5 największych, to byłyby to w kolejności:

• Oszczędność – infrastruktura oparta o PoE będzie nie tylko wymagała mniej kabli. Przede wszystkim odciąży nas ona od konieczności instalowania nowych gniazdek elektrycznych do zaspokojenia potrzeb energetycznych rozrastającej się infrastruktury,
  
• Bezpieczeństwo – sposób w jaki została zaprojektowana technologia PoE maksymalizuje bezpieczeństwo. Zasilanie jest sterowane w sposób, który pozwala nam uniknąć zwarć, niedoborów w podawanej mocy lub wręcz przeciwnie – przeładowań,
  
• Elastyczność – brak konieczności doprowadzenia energii elektrycznej pozwala nam umieszczać urządzenia w optymalnych dla ich działania lokalizacjach. Mamy również możliwość swobodnego przemieszczania już zainstalowanych urządzeń,
  
• Skalowalność – scentralizowane zarządzanie zasilaniem (w PoE odpowiadają za nie urządzenia sieciowe takie jak np. switche) pozwala nam na nieograniczone i równoległe rozbudowywanie infrastruktury sieciowej i elektrycznej,
  
• Niezawodność – wspomniana centralizacja źródła zasilania w switchu pozwala nam korzystać ze wszelkich dobrodziejstw ich redundancji – w tym redundancji źródeł zasilania.

Jeśli miałeś wątpliwości czy warto wdrażać PoE, to mam nadzieję, że ta krótka lista je rozwiała. Zastanówmy się teraz…

Jak wdrożyć PoE?

Sprawa wydaje się tylko pozornie skomplikowana, a w rzeczywistości jest bardzo prosta. Mamy do wyboru trzy podejścia we wdrażaniu PoE:

• Wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieciowej – warto sprawdzić, czy zainstalowane w firmie przełączniki nie wspierają już teraz technologii PoE. Jest to często pomijany krok, który może organizację wiele kosztować.
  W przypadku urządzeń Cisco, informacja o tym czy PoE jest wspierane jest zawierana czasem w nazwie urządzenia. Przykładowo switch WS-C2960-24PC-L zawiera literę “P” w części określającej ilość portów co jest dla nas wskazówką, że urządzenie to wspiera PoE. Warto jednak mieć na uwadze, że nie jest to regułą. W każdym przypadku sprawdź dokładnie dokumentację danego urządzenia.
  
• Zmodernizowanie istniejącej infrastruktury sieciowej – w przypadku gdy istniejące urządzenia nie wspierają technologii PoE, warto jest rozważyć wymianę części z nich, dołożenie nowych przełączników, bądź zainstalowanie modułów wspierających PoE w już posiadanych switchach (o ile oferują one taką możliwość).

W obu powyższych przypadkach efektem końcowym będzie posiadanie infrastruktury sieciowej wspierającej PoE. W rezultacie uzyskamy następujące połączenie:

Jest jeszcze trzecia opcja:

• Wykorzystanie tzw. PoE injectors – czyli małych urządzeń podłączanych do źródła zasilania (może to być zarówno UPS jak i zwykłe gniazdko elektryczne), a następnie wpinanych inline w kabel sieciowy. Urządzenie to dosłownie „wstrzykuje” prąd w skrętkę UTP. 
  Jest to opcja dla tych, którzy nie chcą ponosić znacznych kosztów bądź nie mogą sobie na nie pozwolić. Niezawodne PoE injectory jednak też potrafią trochę kosztować, a te tańsze często się psują. Dodatkowo tracimy możliwość centralnego zarządzania PoE. Wykorzystanie PoE injectora wiąże się z koniecznością zastosowania tzw. passive PoE, o czym przeczytasz w dalszej części artykułu.

W rozwiązaniu z PoE injectors uzyskujemy następujące połączenie:

Wiemy już jakie mamy opcje instalacji. Spójrzmy teraz jakie są…

Standardy PoE

Powiązane publikacje

Role portów w STP

Konfiguracja banerów w IOS

Podstawowa konfiguracja RADIUS w IOS

Jak sprawnie poruszać się po IOS

Podstawy korzystania z IOS

W przypadku PoE mamy do czynienia z sześcioma standardami:

• Cisco Inline Power („ILP”) – stary standard należący do Cisco i opracowany jeszcze zanim IEEE zaoferowało rozwiązania dostępne publicznie. ILP jest w stanie dostarczyć do 7W mocy.
• IEEE 802.3at typu 1 (oryginalnie 802.3af, „PoE”) – pierwszy uniwersalny standard opracowany przez IEEE i mogący dostarczyć do 15,4W mocy. Standard ten obsługuje skrętki UTP kategorii 3 i nowsze.
• IEEE 802.3at typu 2 („PoE+”) – drugi uniwersalny standard opracowany przez IEEE i mogący dostarczyć do 25,5W mocy. Standard ten obsługuje skrętki UTP kategorii 5 i nowsze. 
• Cisco Universal PoE („UPoE”) – nowy standard należący do Cisco i będący w stanie dostarczyć do 60W mocy.
• IEEE 802.3bt typu 3 („4PPoE”) – odpowiedź IEEE na standard Cisco UPoE. Może on wykorzystywać do transmisji energii wszystkie cztery pary skrętki, stąd przedrostek „4P” w nazwie. Może on dostarczyć do 60W mocy.
• IEEE 802.3bt typu 4 – na chwilę obecną standard oferujący największe możliwości. Jest on w stanie dostarczyć do 100W mocy.

Istnieją również urządzenia niezaprojektowane do bycia kompatybilnym z którymkolwiek z wymienionych standardów. Sprzęty te wykorzystują tzw. passive PoE, o którym w dalszej części artykułu.

Zasada działania PoE

Kable sieciowe UTP składają się z ośmiu przewodów zestawionych w cztery skręcone ze sobą pary. Standard PoE traktuje każdą taką parę jako pojedynczy przewód. Aby prąd elektryczny swobodnie przepływał musimy utworzyć zamkniętą pętlę – stąd, do zasilania urządzeń za pomocą PoE potrzebujemy dwie pary (cztery kable). W przypadku standardów Fast Ethernet i niższych sprawa jest prosta – wykorzystują one tylko dwie z czterech par, pozostawiając dwie nieużyte pary na potrzeby PoE.

Co jednak w przypadku Gigabit Ethernet, który wykorzystuje wszystkie cztery pary do transmisji danych? Tak się składa, że przesył prądu nie koliduje w żaden sposób z danymi – możemy więc w takim przypadku zarówno zasilać urządzenie, jak i przesyłać do niego dane z prędkością 1Gbps.

Energia elektryczna podawana na kabel UTP może mieć napięcie pomiędzy 44 a 57 woltów (przy czym powszechnie stosuje się 48V). Jest to na tyle małe napięcie, aby nadal było uznawane za bezpieczne w użyciu i na tyle duże, aby było w stanie efektywnie przenosić ładunek elektryczny i zasilić podłączone urządzenie. Jednocześnie jest to napięcie, które mogłoby uszkodzić urządzenie do niego nieprzystosowane. Stąd PoE ma wbudowany mechanizm wykrywania podłączonego urządzenia i stwierdzania jakie napięcie jest ono w stanie przyjąć.

Jak wykryć podłączone urządzenie?

Switch nie podaje zasilania na porcie tak długo jak port jest w stanie not connected. Przełącznik musi jednak cały czas aktywnie usiłować wykryć czy jakieś urządzenie końcowe nie jest podpięte do portu – po to aby zacząć przesyłać energię i zasilić podłączony sprzęt. Jak jednak wykryć niezasilone (wyłączone) urządzenie podpięte do portu? W dużym uproszczeniu używana jest w tym celu tzw. signature resistance, czyli oporność przewodu. Przełącznik stale podaje na porcie bardzo niskie napięcie prądu i jest w stanie wykryć czy jest ono pobierane przez podłączone urządzenie. Jeśli mierzona oporność podczas transmisji zawiera się w przedziale od 19 do 26,5 kΩ to jest to dla switch’a sygnał, że po drugiej stronie znajduje się urządzenie wspierające PoE.

Jak stwierdzić jaka moc jest potrzebna urządzeniu?

Gdy przełącznik wie już, że podłączone jest urządzenie wspierające PoE, zaczyna on zwiększać napięcie (i moc) podawane na porcie. Robi to w celu określenia tzw. klasy PoE urządzenia. Każda z klas charakteryzuje się większą mocą:

Jeśli zasilany sprzęt jest w stanie ją wykorzystać to przełącznik „zauważy” zmianę we wcześniej wspomnianej signature resistance. Na podstawie tej informacji urządzenie końcowe zostanie odpowiednio zaklasyfikowane i będzie miało podawaną stosowną moc. To jest pierwsza metoda rozpoznawania z jakiej klasy PoE urządzeniem mamy do czynienia.

Jest jeszcze druga metoda klasyfikacji, a polega ona na wykorzystaniu LLDP.  W tym scenariuszu urządzenie końcowe po podaniu bazowego, niskiego napięcia wykonuje rozruch po to, aby móc zacząć wykonywać podstawowe funkcje. Dzięki temu jest w stanie nawiązać komunikację z przełącznikiem i przy użyciu pakietów LLDP dokonać negocjacji klasy PoE. Efekt końcowy jest identyczny jak w przypadku testowania sygnatury oporności – switch identyfikuje do jakiej klasy urządzeń przynależy odbiorca i na podstawie tej informacji podaje stosowną moc. Nagłówek LLDP posiada następującą konstrukcję:

Podsumowując – przełącznik cały czas podaje niskie napięcie na porcie. Po podłączeniu urządzenia wspierającego PoE, pobiera ono to zasilanie i zaczyna się bootować. W międzyczasie przełącznik jest w stanie określić klasę PoE (czyli jaką moc ma podawać) na podstawie stopniowego zwiększania napięcia i sprawdzania signature resistance. Alternatywną metodą jest skomunikowanie się z już zbootowanym urządzeniem i przeprowadzenie negocjacji klasy za pośrednictwem LLDP.

Passive PoE

Osobnym przypadkiem są urządzenia niekompatybilne z opisanymi wcześniej standardami. Sprawia to, że nie są one w stanie wynegocjować z przełącznikiem potrzebnej mocy ani za pośrednictwem sygnatury, ani za pośrednictwem LLDP. W większości przypadków w pudełku z takimi urządzeniami znajdziemy dedykowany PoE injector dostosowany do wymagań energetycznych sprzętu. Przykładem producenta, który poszedł tą drogą jest Ubiquiti:

Na obrazku powyżej widzimy etykietę access point’a Ubiquiti z wymaganym zasilaniem 24V / 0.5 A. Podłączenie takiego urządzenia do switch’a PoE nie będzie w stanie go zasilić ze względu na brak możliwości negocjacji zasilania. Na pomoc przyjdzie w takiej sytuacji dołączony do opakowania PoE injector. Trzeba mieć jednak na uwadze, że skrętka UTP z podpiętym injectorem będzie zawsze podawała stosunkowo wysoką moc. Podłączenie do takiego przewodu urządzenia, które nie było zaprojektowane do pracy z tym konkretnym injectorem w najlepszym przypadku po prostu nie zadziała. Jeśli mamy pecha to możemy nawet spalić podłączone urządzenie. Ostrożność wskazana!