一文了解PoE供電技術(shù)

PoE(Power over Ethernet)是指通過網(wǎng)線傳輸電力的一種技術(shù)，借助現(xiàn)有以太網(wǎng)通過網(wǎng)線同時為IP終端設(shè)備(如：IP電話、AP、IP攝像頭等)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電。

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

為了規(guī)范和促進(jìn)PoE供電技術(shù)的發(fā)展，解決不同廠家供電和受電設(shè)備之間的適配性問題，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會先后發(fā)布了三個PoE標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)。

為什么需要PoE?

隨著網(wǎng)絡(luò)中IP電話、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控以及無線以太網(wǎng)設(shè)備的日益廣泛，通過以太網(wǎng)本身提供電力支持的要求也越來越迫切。多數(shù)情況下，終端設(shè)備需要直流供電，而終端設(shè)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(shè)備需要的交直流轉(zhuǎn)換器也難有位置安置。另外，在很多大型的局域網(wǎng)應(yīng)用中，管理員同時需要管理多個終端設(shè)備，這些設(shè)備需要統(tǒng)一的供電和統(tǒng)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(wǎng)供電PoE則正好解決了這個問題。

PoE是一種有線以太網(wǎng)供電技術(shù)，使用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)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(shè)備充電器、刷卡機(jī)、攝像頭、數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的優(yōu)勢：

可靠：一臺PoE設(shè)備可以同時為多個終端設(shè)備供電，實現(xiàn)電源集中供電的同時，還可以進(jìn)行電源備份。

連接簡捷：終端設(shè)備不需外接電源，只需要一根網(wǎng)線。

標(biāo)準(zhǔn)：符合國際標(biāo)準(zhǔn)，使用全球統(tǒng)一的RJ45電源接口，可保證與不同廠商的設(shè)備對接。

PoE是如何工作的?

如下圖所示，PoE供電系統(tǒng)包括如下兩個設(shè)備角色：

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

受電設(shè)備PD(Powered Device)：如無線AP、便攜設(shè)備充電器、刷卡機(jī)、攝像頭等受電方設(shè)備。按照是否符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)，PD分為標(biāo)準(zhǔn)PD和非標(biāo)準(zhǔn)PD。

PoE供電設(shè)備角色

PoE供電模式

按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)的定義，PSE設(shè)備分為MidSpan(PoE功能模塊在設(shè)備外)和Endpoint(PoE功能模塊集成到設(shè)備內(nèi))兩種類型。華為Cloudengine S系列PoE交換機(jī)的PoE功能模塊全部集成在設(shè)備的內(nèi)部，屬于Endpoint的PSE設(shè)備。

Endpoint類型的PSE設(shè)備依據(jù)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(shù)據(jù)對供電。PSE通過1/2和3/6線對給PD供電，1/2鏈接形成負(fù)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(shù)據(jù)，1000BASE-T接口使用全部的4對線對傳輸數(shù)據(jù)。由于DC直流電和數(shù)據(jù)頻率互不干擾，所以可以在同一對線同時傳輸電流和數(shù)據(jù)。

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(fù)極。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)不允許同時應(yīng)用以上兩種供電模式。供電設(shè)備PSE只能提供一種用法，但是受電設(shè)備PD必須能夠同時適應(yīng)兩種情況。

PoE供電協(xié)商流程

PSE設(shè)備上電，PD設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接到PSE設(shè)備后，PSE與PD就開始進(jìn)行供電協(xié)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)或IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)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(xié)商即PD設(shè)備分類過程：PSE對PD進(jìn)行分類，并協(xié)商供電功率。供電能力協(xié)商不僅可以通過解析PSE與PD發(fā)送的電阻實現(xiàn)的，還可以通過鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議LLDP(Link Layer Discovery Protocol)協(xié)議發(fā)現(xiàn)和通告供電能力進(jìn)行協(xié)商。

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

正常供電：電壓達(dá)到48V之后，PSE為PD設(shè)備提供穩(wěn)定可靠48V的直流電，PD設(shè)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(jiān)測PD電流輸入，當(dāng)PD電流消耗下降到最低值以下，或電流激增，例如拔下設(shè)備或遇到PD設(shè)備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負(fù)荷等，PSE會斷開電源，并重復(fù)檢測過程。

通過LLDP協(xié)議進(jìn)行供電能力協(xié)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(jìn)行MDI供電能力的發(fā)現(xiàn)和通告。當(dāng)PSE檢測到PD后，PSE和PD即周期性地向?qū)Ψ桨l(fā)送LLDP報文，這個報文里包含了定義的TLV字段。將本端信息發(fā)送給對方，對方記錄下報文中包含的信息，達(dá)到信息交互的作用。 但I(xiàn)EEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV格式僅能協(xié)商IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標(biāo)準(zhǔn)的供電參數(shù)，不能協(xié)商IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的供電參數(shù)，當(dāng)相連的PD設(shè)備使用IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)供電時，標(biāo)準(zhǔn)Power via MDI TLV將無法協(xié)商供電。華為S系列交換機(jī)為能夠支持協(xié)商IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)的供電參數(shù)，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(jié)的TLV報文頭和12字節(jié)的TLV信息字段組成，報文格式如下圖所示：

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。

Power via MDI各字段含義

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(jié)的TLV報文頭和4字節(jié)的TLV信息字段組成，報文格式如下圖所示：

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(jié)。取值為1，表示PD支持的供電模式;取值為2，表示PD當(dāng)前工作的供電模式。

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

TLV Value：TLV的值，占4個字節(jié)，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(yù)留。

自定義TLV Value字段含義

PoE供電標(biāo)準(zhǔn)有哪些?

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

2003年6月，IEEE 802.3工作組制定了IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)，作為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的延伸，對網(wǎng)絡(luò)供電的電源、傳輸和接收都做了細(xì)致的規(guī)定。例如：IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PSE設(shè)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(shè)備僅有12.95W可用。2009年10月，為對應(yīng)大功率終端的需求，誕生了IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)在兼容802.3af標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提供最高25.5W的功率，滿足新的需求。

2018年9月，為進(jìn)一步提升PoE供電功率以及對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會的發(fā)布了IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提升了供電能力，類型3可提供高達(dá)51 W的供電功率，類型4可提供高達(dá)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(kuò)大了高性能無線接入點和監(jiān)控攝像頭等應(yīng)用程序的使用。

一般將IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的供電技術(shù)稱為PoE供電，將IEEE 802.3at標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的供電技術(shù)稱為PoE+供電，將IEEE 802.3bt標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的供電技術(shù)稱為PoE++供電，也稱為4PPoE。三種供電技術(shù)對應(yīng)的參數(shù)如下圖所示。

PoE供電技術(shù)參數(shù)對比

有哪些設(shè)備可以支持PoE供電

PoE供電設(shè)備非常普遍，例如華為S系列園區(qū)交換機(jī)、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(shè)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(shè)備變更為支持PoE供電的設(shè)備。

以華為S系列園區(qū)交換機(jī)為例，能夠支持PoE供電的交換機(jī)叫做PoE交換機(jī)，一般部署在接入層，通過內(nèi)置或外置的PoE電源為終端設(shè)備供電。框式交換機(jī)要作為PoE交換機(jī)，需要同時滿足：一是機(jī)框必須是支持PoE供電的機(jī)框，二是機(jī)框中插入的單板必須是PoE單板;盒式交換機(jī)只要設(shè)備款型支持PoE功能，設(shè)備上電后就可以支持PoE供電。

審核編輯：湯梓紅