Производительность выше, комфорта больше

При создании интерфейсов USB и Firewire разработчики учитывали возможность питания подключенных к ним конечных устройств. Так, оборудование, потребляющее незначительное количество электроэнергии (например, жесткие диски), может работать напрямую без дополнительных блоков питания. В 70-е годы, когда интерфейс Ethernet еще только разрабатывался, никто не мог представить себе такой сценарий его использования. Лишь в 2003 году стандарт IEEE 802.3af обеспечил соответствующее переоснащение традиционного сетевого интерфейса. Помимо передачи данных по медным кабелям Категории 5 и выше, технология Power over Ethernet (PoE) обеспечивает подачу электричества через тот же самый кабель. Таким образом, стандарт PoE предлагает принципиально новый, универсальный и дистанционно управляемый вид подключения для передачи данных и подвода электроэнергии.

Такая возможность позволяет сократить накладные расходы на каблирование при монтаже сети и ее активных компонентов. В результате, по сравнению с традиционными кабельными соединениями, достигается снижение затрат и сокращается число сбоев, техническое обслуживание становится более простым, а гибкость инфраструктуры повышается. Модули подачи питания (Power Sourcing Equipment, PSE) снабжают электроэнергией только нуждающихся в ней потребителей (Powered Devices, PD), а кроме того, контролируют и ограничивают доступную для них мощность.

При установке ИБП рядом с модулем подачи питания можно реализовать централизованную защиту от исчезновения напряжения для подключенных конечных устройств с поддержкой PoE. К примеру, камера видеонаблюдения сможет продолжить запись. В случае неполадок (коротких замыканий или перегрузок) технология PoE автоматически обеспечивает физическое размыкание цепи, и конечное устройство обесточивается. При стандартизации 802.3af поддержка технологии Gigabit Ethernet еще и не обсуждалась, так что при таких условиях предусматривается два различных варианта подачи питания, один из которых ограничивается стандартами 10BaseT и 100BaseT:

• Метод «свободных пар» (Spare Pairs) использует для питания обе незадействованные витые пары в сетевом кабеле 10BaseT и 100BaseT (4/5 и 7/8 жилы). Для Gigabit Ethernet этот способ не подходит, поскольку передача данных осуществляется по четырем парам.
• При «фантомном» методе питания электрический ток накладывается на сигналы передачи данных в соответствующих жилах. Таким образом, этот метод пригоден также для Gigabit Ethernet. В принципе он позволяет задействовать для электропитания все четыре витые пары, хотя стандарт 802.3af оговаривает использование только двух из них.

Подача PoE реализуется либо напрямую через сетевой коммутатор (Endspan), который сам предоставляет питание, либо через промежуточный инжектор (Midspan PoE Hub), подключаемый между коммутатором и нагрузкой. При использовании промежуточных систем подача питания осуществляется через обе витые пары, не задействованные для передачи данных. Преимущество решений с промежуточными инжекторами заключается в том, что имеющиеся сетевые коммутаторы не нужно менять на новое оборудование с поддержкой технологии PoE. Однако применение такого подхода ограничено оборудованием стандартов 10BaseT и 100BaseT. Максимальная скорость 100 Мбит/с — очень существенный недостаток для современных сетей. В случае поддержки PoE самими коммутаторами такие ограничения снимаются, поэтому эти устройства пригодны и для питания оборудования в сетях Gigabit Ethernet.

ПОВЫШЕНИЕ МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ POE PLUS

Поскольку разъемы RJ45, как и кабели с витыми парами, не рассчитаны на большую силу тока, стандарт PoE 802.3af использует, в зависимости от режима работы, напряжение в диапазоне от 44 до 57 В с силой тока до 350 мА. Следовательно, максимальная мощность, которую устройства подачи питания могут подать на один порт, составляет 15,4 Вт, но в результате потерь мощности при передаче на расстояние 100 м потребителю доступны только 12,95 Вт.

В новом стандарте PoE Plus рабочее напряжение повышается с 44 до 50 В, а сила тока увеличивается до 720 мА для двух витых пар. Поскольку 802.3at в отличие от 802.3af задействует для обеспечения электропитания все четыре витые пары, мощность составляет 60 Вт. С учетом потерь при передаче конечному устройству достается 50 Вт. Правда, в настоящее время спецификация, разработанная для PoE Plus, предоставляет конечному устройству только половину этой мощности — 25,5 Вт. До сих пор еще не определен класс мощности потребителей, которые использовали бы все теоретически возможные 50 Вт. Несмотря на нововведения в PoE Plus, стандарт 802.3at полностью обратно совместим с 802.af, так что после его внедрения можно не отказываться от имеющихся конечных устройств с поддержкой PoE.

Таким образом, PoE Plus представляет собой дальнейшую модификацию предшествующего стандарта. При этом необходимая дифференциация различных конечных устройств осуществляется с помощью нескольких механизмов: во-первых, в PoE Plus задан дополнительный класс мощности потребителей, во-вторых, в этом стандарте предусмотрена «двухэтапная» (Two-Event) классификация для физического уровня, а также классификация для канального уровня (Data Link Layer, DLL). При первой классификации устройство PSE отправляет два импульса. Потребитель, которому требуется мощности больше, чем предлагаемые стандартом 802.3af 12,95 Вт, отвечает подписью четвертого класса. Затем устройство PSE при второй классификации отправляет один-единственный импульс и подает ток на конечное устройство. После этого конечное устройство способно активно взаимодействовать с модулем PSE по протоколу на уровне DLL (Link Layer Discovery Protocol, LLDP) и договориться с ним о подаче необходимой мощности. В Таблице 1 представлены классы мощности потребителей для стандарта PoE Plus: тип 2 обозначает конечные устройства, соответствующие 802.3at, а тип 1 — 802.3af.

Как и в стандарте 803.2af, в 802.3at предусматривается дополнительный защитный механизм для проверки всех подключенных конечных устройств на предмет поддержки технологии PoE. Напряжение подается на порт, только если к нему подключено подходящее конечное устройство. Чтобы отличать конечные устройства с поддержкой PoE от всех остальных, модули PSE используют метод под названием Resistive Power Directory. Для реализации этого метода конечному устройству достаточно лишь пассивных элементов. При этом посредством измерительной схемы модуль PSE проверяет, попадает ли внутреннее сопротивление нагрузки в диапазон между 19 и 26,5 кОм с максимальной емкостью 10 мкФ. При положительном результате устройство PSE активирует подачу питания и с помощью еще одного теста определяет класс мощности конечного устройства. Кроме того, имеется механизм защиты, который активируется, когда конечное устройство отключается от порта PoE. Тогда модуль подачи питания сразу же прекращает подвод электроэнергии на соответствующий порт во избежание, к примеру, подключения к интерфейсу Ethernet оборудования, не поддерживающего PoE.

АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ POE PLUS

Рисунок 1. Концентраторы PoE Plus, предоставляющие каждому порту до 30 Вт, способны обеспечить электропитание наружных камер наблюдения, беспроводных точек доступа стандарта 802.11n и даже небольших коммутаторов.

Благодаря более высокой отдаче мощности в стандарте 802.3at, технологию PoE теперь можно использовать для тех конечных устройств, которым мощности 802.3af было недостаточно. К примеру, 802.3at позволяет реализовать подключение сенсорных панелей, беспроводных точек доступа с поддержкой 802.11n или даже внешних IP-камер наблюдения с интегрированным подогревом, вентиляцией и инфракрасным режимом (см. Рисунок 1). С помощью специальных разветвителей PoE (PoE Splitter), преобразующих постоянный ток в переменный, обеспечивается поддержка дополнительного оборудования, нуждающегося в переменном напряжении. Таким образом, открываются совершенно новые возможности применения этой технологии — как в промышленной среде, так и в домашних условиях. PoE Plus позволит добиться дальнейшего прогресса в технологиях автоматизации: уже сейчас в фабричных цехах применяются системы обработки изображений и пользовательские интерфейсы.

В домашней среде PoE Plus поможет сделать использование различных устройств еще более удобным. Так, с помощью PoE Plus уже можно интегрировать сенсорные панели. Дело недалекого будущего — подключение систем управления отоплением, климатических установок, средств сигнализации, дверных замков и сенсорных датчиков. В сфере автоматизации зданий комбинация централизованного электроснабжения и сетей передачи данных приобретает ключевую роль — это позволит реализовать удаленный доступ к этим системам.

Кроме того, теперь стандарт 802.3at позволяет преодолевать большие расстояния: благодаря использованию усилителей сигнала PoE (PoE-Repeater), которые сами питаются через PoE, можно продлить кабельный тракт Категории 5 — как внутри помещений, так и снаружи — еще на 100 м и повторить это действие шесть раз подряд (см. Рисунок 2). Правда, поскольку часть мощности потребляют сами усилители сигнала PoE, в начале тракта необходимо установить инжектор PoE (PoE-Injektor), обеспечивающий мощность свыше 30 Вт, чтобы конечное устройство в итоге получило через PoE Plus необходимые 25,5 Вт. В качестве альтернативного варианта в конце удлиненного тракта можно устанавливать конечные устройства стандарта 802.3af. Кроме того, разветвители PoE позволяют эксплуатировать устройства, которые сами не поддерживают технологию PoE: они отбирают требуемое постоянное напряжение, а данные передаются дальше, к конечному устройству. Таким образом к технологии PoE можно приспособить множество конечных устройств.

Рисунок 2. Технология PoE Plus особенно выгодна при наружном использовании, так как усилители сигнала PoE позволяют увеличить длину кабеля, и тогда через кабель Ethernet обеспечивается функционирование таких устройств, как корпусные камеры наблюдения с нагревом, вентиляцией и инфракрасным режимом.

Однако устройства, поддерживающие технологию PoE, выделяют в распределительных шкафах немалое количество тепла, что часто приводит к проблемам даже в случае использования продуктов стандарта 802.3af. Уже при максимальной мощности в 12,95 Вт для одного потребителя температура в заполненной коммутаторами серверной стойке с сотнями портов значительно повышается, и приходится обеспечивать дополнительное охлаждение и достаточную циркуляцию воздуха. Судя по всему, повышение мощности в стандарте 802.3at усугубит эту проблему и потребует дальнейшего наращивания систем охлаждения. Хотя на самом деле максимальная мощность нужна далеко не всем подключенным конечным устройствам. В большинстве случаев в роли потребителей по-прежнему будут выступать IP-телефоны и беспроводные точки доступа, вполне довольствующиеся возможностями стандарта 802.3af.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ

Тем не менее с появлением PoE Plus точное определение мощности, потребляемой каждым конечным устройством, приобретает большое значение для расчета суммарного расхода мощности и оценки тепловыделения систем. Это позволит не только принять своевременные меры в случае чрезмерного выделения тепла, но и контролировать температуру внутри распределительных шкафов, с тем чтобы обеспечить в них хорошее охлаждение и вентиляцию.

Роман Регер — менеджер по работе с ключевыми клиентами в рамках проекта Brand Business в компании Levelone.