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PoE技術詳細解讀 供電標準有哪些
編輯:淮創科技 更新:2022-10-19 查看:0

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PoE(Power over Ethernet)是指通過網線傳輸電力的一種技術,借助現有以太網通過網線同時為IP終端設備(如:IP電話、AP、IP攝像頭等)進行數據傳輸和供電。


PoE又被稱為基于局域網的供電系統(Power over LAN,簡稱PoL)或有源以太網( Active Ethernet),有時也被簡稱為以太網供電。


為了規范和促進PoE供電技術的發展,解決不同廠家供電和受電設備之間的適配性問題,IEEE標準委員會先后發布了三個PoE標準:IEEE 802.3af標準、IEEE 802.3at標準、IEEE 802.3bt標準。

為什么需要PoE?

隨著網絡中IP電話、網絡視頻監控以及無線以太網設備的日益廣泛,通過以太網本身提供電力支持的要求也越來越迫切。多數情況下,終端設備需要直流供電,而終端設備通常安裝在距離地面比較高的天花板或室外,附近很難有合適的電源插座,即使有插座,終端設備需要的交直流轉換器也難有位置安置。另外,在很多大型的局域網應用中,管理員同時需要管理多個終端設備,這些設備需要統一的供電和統一的管理,由于供電位置的限制,給供電管理帶來極大的不便,以太網供電PoE則正好解決了這個問題。


PoE是一種有線以太網供電技術,使用于數據傳輸的網線同時具備直流供電的能力,有效解決IP電話、無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭、數據采集等終端的集中式電源供電。PoE供電具有可靠、連接簡捷、標準統一的優勢:


  • 可靠:一臺PoE設備可以同時為多個終端設備供電,實現電源集中供電的同時,還可以進行電源備份。

  • 連接簡捷:終端設備不需外接電源,只需要一根網線。

  • 標準:符合國際標準,使用全球統一的RJ45電源接口,可保證與不同廠商的設備對接。


    3 
    PoE供電設備角色
    IEEE 802.1ab定義了可選的TLV(Type Length Value):Power via MDI(Media Dependent Interface) TLV。LLDP報文封裝Power via MDI TLV,進行MDI供電能力的發現和通告。當PSE檢測到PD后,PSE和PD即周期性地向對方發送LLDP報文,這個報文里包含了定義的TLV字段。將本端信息發送給對方,對方記錄下報文中包含的信息,達到信息交互的作用。
    但IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV格式僅能協商IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標準的供電參數,不能協商IEEE 802.3bt標準的供電參數,當相連的PD設備使用IEEE 802.3bt標準供電時,標準Power via MDI TLV將無法協商供電。華為S系列交換機為能夠支持協商IEEE 802.3bt標準的供電參數,自定義了一種Power via MDI TLV。

    IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV報文
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    IEEE 802.1ab定義的TLV報文格式

  • PoE是如何工作的?

  • 如下圖所示,PoE供電系統包括如下兩個設備角色:

  • 供電設備PSE(Power-sourcing Equipment):通過以太網給受電設備供電的PoE設備,提供檢測、分析、智能功率管理等功能,例如:PoE交換機。

  • 受電設備PD(Powered Device):如無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭等受電方設備。按照是否符合IEEE標準,PD分為標準PD和非標準PD。



  • PoE供電模式

  • 按照IEEE標準的定義,PSE設備分為MidSpan(PoE功能模塊在設備外)和Endpoint(PoE功能模塊集成到設備內)兩種類型。華為Cloudengine S系列PoE交換機的PoE功能模塊全部集成在設備的內部,屬于Endpoint的PSE設備。

  • Endpoint類型的PSE設備依據使用的供電線對不同分為Alternative A(1/2和3/6線對)和Alternative B(4/5和7/8線對)兩種供電模式。

  • Alternative A供電模式通過數據對供電。PSE通過1/2和3/6線對給PD供電,1/2鏈接形成負極,3/6鏈接形成正極。10BASE-T、100BASE-TX接口使用1/2和3/6線對傳輸數據,1000BASE-T接口使用全部的4對線對傳輸數據。由于DC直流電和數據頻率互不干擾,所以可以在同一對線同時傳輸電流和數據。

  • Alternative B供電模式通過空閑對供電。PSE通過4/5和7/8線對給PD供電,4/5鏈接形成正極,7/8鏈接形成負極。

  • IEEE標準不允許同時應用以上兩種供電模式。供電設備PSE只能提供一種用法,但是受電設備PD必須能夠同時適應兩種情況。

  • PoE供電協商流程

  • PSE設備上電,PD設備通過網絡連接到PSE設備后,PSE與PD就開始進行供電協商:

  • 檢測PD:PSE在端口周期性輸出電流受限的小電壓,用以檢測PD設備的存在。如果檢測到特定阻值的電阻,說明線纜終端連接著支持IEEE 802.3af標準或IEEE 802.3at標準的受電端設備(電阻值在19kΩ~26.5kΩ的特定電阻,通常的小電壓為2.7V~10.1V,檢測周期為2秒)。

  • 供電能力協商即PD設備分類過程:PSE對PD進行分類,并協商供電功率。供電能力協商不僅可以通過解析PSE與PD發送的電阻實現的,還可以通過鏈路層發現協議LLDP(Link Layer Discovery Protocol)協議發現和通告供電能力進行協商。

  • 開始供電:在啟動期內(一般小于15μs),PSE設備開始從低電壓向PD設備供電,直至提供48V的直流電壓。

  • 正常供電:電壓達到48V之后,PSE為PD設備提供穩定可靠48V的直流電,PD設備功率消耗不超過PSE最大輸出功率。

  • 斷電:供電過程中,PSE會不斷監測PD電流輸入,當PD電流消耗下降到最低值以下,或電流激增,例如拔下設備或遇到PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等,PSE會斷開電源,并重復檢測過程。

  • 通過LLDP協議進行供電能力協商

    IEEE 802.1ab定義了可選的TLV(Type Length Value):Power via MDI(Media Dependent Interface) TLV。LLDP報文封裝Power via MDI TLV,進行MDI供電能力的發現和通告。當PSE檢測到PD后,PSE和PD即周期性地向對方發送LLDP報文,這個報文里包含了定義的TLV字段。將本端信息發送給對方,對方記錄下報文中包含的信息,達到信息交互的作用。
    但IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV格式僅能協商IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標準的供電參數,不能協商IEEE 802.3bt標準的供電參數,當相連的PD設備使用IEEE 802.3bt標準供電時,標準Power via MDI TLV將無法協商供電。華為S系列交換機為能夠支持協商IEEE 802.3bt標準的供電參數,自定義了一種Power via MDI TLV。

    IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV報文

由2字節的TLV報文頭和12字節的TLV信息字段組成,報文格式如下圖所示:

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    IEEE 802.1ab定義的TLV報文格式

  • Power via MDI和Extended Power via MDI各字段含義如下圖所示。


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  • Power via MDI各字段含義

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  • Extended Power via MDI各字段含義

  • 華為公司自定義的Power via MDI TLV


  • 由2字節的TLV報文頭和4字節的TLV信息字段組成,報文格式如下圖所示:


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  • 華為公司自定義的TLV報文格式

TLV報文中各字段含義如下:

  • TLV Type:TLV的類型,占1個字節。取值為1,表示PD支持的供電模式;取值為2,表示PD當前工作的供電模式。

  • TLV Length:TLV的長度,占1個字節。取值為4,表示TLV信息字段值占4個字節。

  • TLV Value:TLV的值,占4個字節,共32位。第0位、1位、2位、3位的含義如下圖所示,第4~31位預留。

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自定義TLV Value字段含義


PoE供電標準有哪些?

前面我們提及了IEEE標準委員會為解決不同廠家供電和受電設備之間的適配性問題,會先后發布了三個PoE標準:IEEE 802.3af標準、IEEE 802.3at標準、IEEE 802.3bt標準。那么這三個標準有什么不同呢?

2003年6月,IEEE 802.3工作組制定了IEEE 802.3af標準,作為以太網標準的延伸,對網絡供電的電源、傳輸和接收都做了細致的規定。例如:IEEE 802.3af標準規定PSE設備需要在每個端口上提供最高15.4W的直流電源。

由于電纜中的一些功率耗散,因此受電設備僅有12.95W可用。2009年10月,為對應大功率終端的需求,誕生了IEEE 802.3at標準,IEEE 802.3at標準在兼容802.3af標準的基礎上,提供最高25.5W的功率,滿足新的需求。

2018年9月,為進一步提升PoE供電功率以及對標準進行優化,IEEE標準委員會的發布了IEEE 802.3bt標準。IEEE 802.3bt標準進一步提升了供電能力,類型3可提供高達51 W的供電功率,類型4可提供高達71.3W的供電功率。此外,還包括對2.5GBASE-T、5GBASE-T和10GBASE-T的支持,擴大了高性能無線接入點和監控攝像頭等應用程序的使用。

一般將IEEE 802.3af標準對應的供電技術稱為PoE供電,將IEEE 802.3at標準對應的供電技術稱為PoE+供電,將IEEE 802.3bt標準對應的供電技術稱為PoE++供電,也稱為4PPoE。三種供電技術對應的參數如下圖所示。


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PoE供電技術參數對比


有哪些設備可以支持PoE供電

PoE供電設備非常普遍,例如華為S系列園區交換機、無線接入控制器AC和AR接入路由器都有款型可以支持PoE供電,設備是否可以支持PoE供電,是由硬件決定的,不能通過升級軟件把不支持PoE供電的設備變更為支持PoE供電的設備。

以華為S系列園區交換機為例,能夠支持PoE供電的交換機叫做PoE交換機,一般部署在接入層,通過內置或外置的PoE電源為終端設備供電??蚴浇粨Q機要作為PoE交換機,需要同時滿足:一是機框必須是支持PoE供電的機框,二是機框中插入的單板必須是PoE單板;盒式交換機只要設備款型支持PoE功能,設備上電后就可以支持PoE供電。


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