Power over Ethernet: Tutorial

Waren Sie schon einmal in der Situation, dass bei der Installation von Geräten in einem Unternehmensnetzwerk alles so läuft, wie Sie es sich wünschen, außer der Stromversorgung? Es wäre entweder zu umständlich oder zu kostspielig, einen perfekten Standort für eine Steckdose zu finden. Und haben Sie schon einmal versucht, einen drahtlosen Zugangspunkt einzurichten, nur um festzustellen, dass der Stromanschluss ihn nicht erreichen kann? Deshalb gibt es jetzt Power over Ethernet Tutorial für Sie.

Es ist bekannt, dass das Aufkommen von Power over Ethernet (PoE) eine revolutionäre Möglichkeit für IP-Telefone, Wireless Access Point, Sicherheitsnetzwerkkameras und andere IP-basierte Endgeräte geschaffen hat, um parallel zu den Daten Strom über die bestehende CAT5/5e/6-Ethernet-Infrastruktur zu erhalten, ohne dass irgendwelche Änderungen daran vorgenommen werden müssen.

Was ist Power over Ethernet?

Power over Ethernet ist eine Technologie, die die sichere Übertragung von Gleichstrom (DC) zusammen mit Daten über eine Standard-Netzwerkverkabelung ermöglicht. Sowohl die Daten als auch der Strom können über dieselbe Leitung übertragen werden, wobei beide unabhängig voneinander sind und sich nicht gegenseitig beeinflussen.

 

PoE-Systemarchitektur

Ein typisches PoE-System besteht aus einem Power Sourcing Equipment (PSE) und einem Powered Device (PD) oder mehreren PDs. Gemäß der IEEE 802.3af-Spezifikation ist der PSE für die Einspeisung von Strom in ein Ethernet-Kabel verantwortlich. Der PSE kann entweder ein Endspan (PoE-Switch) oder ein Midspan (PoE-Injektor) sein. Und PD ist ein Gerät, das Strom vom PSE bezieht, z. B. ein IP-Telefon, ein WLAN Access Point oder jedes andere IP-Gerät, das Strom benötigt.

Abbildung 1: PSE- und PD-Verbindung/span>

Die Vorteile von PoE

PoE wird häufig in Bereichen eingesetzt, in denen der Zugang zu Wechselstrom (AC) unbequem, teuer oder nicht durchführbar ist. PoE kann Geräte versorgen, die sich in Decken, auf Dächern, an Lichtmasten, entlang von Zäunen, Pipelines, Transitstrecken und anderen abgelegenen Orten befinden. Die Kosten für die Stromzufuhr zu den einzelnen Geräten entfallen, da die Stromversorgung über das ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) erfolgt. Die Vorteile von PoE lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Entwicklung von PoE-Standards

Im Jahr 2003 ratifizierte das IEEE den 802.3af PoE-Standard, der eine Leistung von bis zu 15,4 Watt für jeden Anschluss erlaubt. Ende 2009 ratifizierte das IEEE den 802.3at PoE-Standard, auch bekannt als PoE+. 802.3at ist notwendig, weil PD-Anbieter beginnen, Geräte zu produzieren, die mehr Leistung benötigen als die 15,4 Watt, die mit 802.3af verfügbar sind. Mit 802.3at können PDs mit bis zu 25,5 Watt versorgt werden. 802.3at ist mit 802.3af abwärtskompatibel. Wenn ein PSE auf „at“ und der PD auf „af“ eingestellt ist, funktioniert er problemlos. Der PSE erkennt, dass der PD „af“ ist und gibt ihm nur so viel Strom, wie er benötigt. Der umgekehrte Fall funktioniert nicht. Wenn der PSE jedoch nur „af“ ist, kann er einen „at"-PD nicht mit Strom versorgen.

Abbildung 2: Vergleich der bestehenden und vorgeschlagenen PoE-Standards

Die fortlaufende Arbeit der IEEE 802.3bt Task Force wird zum großen Teil durch die kontinuierliche Entwicklung neuer und leistungsfähigerer vierpaariger PoE-Produkte und -Geräte vorangetrieben. Auch ohne die endgültigen und verabschiedeten Normen erleichtert und ermöglicht diese verbesserte Technologie bereits effizientere Anwendungen mit höherer Leistung in Gewerbe- und Industrieräumen. Sobald die neuen Normen verabschiedet sind, werden sie die Interoperabilität und Portabilität dieser neuen LAN-Geräte verbessern.

IEEE PoE Powering Optionen über UTP Verkabelung

PoE unterstützt vier Stromversorgungsoptionen unter Verwendung verschiedener Kombinationen der acht Stifte an einem standardmäßigen RJ-45-Anschluss, der mit vier Adernpaaren in UTP-Verkabelung verbunden ist. In einer PoE-Umgebung wird der Strom über die Datenpaare mit Hilfe der folgenden vier Methoden übertragen. Um den IEEE-Standards zu entsprechen, muss ein PD sowohl Alternative A als auch Alternative B unterstützen, während ein PSE entweder Alternative A oder Alternative B oder beide unterstützen kann.

10/100BASE-T Alternative A: Bei der 10/100BASE-T Alternative A wird die positive Gleichstromversorgung auf die Stifte 1 und 2 und die negative Gleichstromversorgung auf die Stifte 3 und 6 gelegt. Bei Fast Ethernet sind dies auch die Datenpaare, so dass sich Daten und Strom dieselben Adern teilen. Die „gemeinsame Nutzung“ der Leitungen wird durch eine Technik erreicht, die als Phantomspeisung bezeichnet wird und ursprünglich als Methode zur Übertragung von elektrischer Gleichspannung durch Mikrofonkabel zum Betrieb von Mikrofonen mit aktiven elektronischen Schaltungen verwendet wurde.

Abbildung 3: PoE-Einspeisung über 10/100BASE-T Alternative A

10/100BASE-T Alternative B: Bei 10/100BASE-T Alternative B liegt die positive Gleichstromversorgung an den Stiften 4 und 5 und die negative Gleichstromversorgung an den Stiften 7 und 8. Bei Fast Ethernet sind dies die „Ersatz“-Paare, so dass der elektrische Strom nicht gemeinsam mit Daten übertragen wird und es keine Phantomspeisung gibt.

Abbildung 4: PoE-Einspeisung über 10/100BASE-T Alternative B

1000BASE-T Alternative A: Bei IEEE 1000BASE-T Alternative A liegt die positive Gleichstromversorgung an den Stiften 1 und 2 und die negative Gleichstromversorgung an den Stiften 3 und 6. Bei Gigabit-Ethernet übertragen alle vier Paare Daten, so dass für Gigabit-PoE immer Phantomspeisung erforderlich ist.

Abbildung 5: PoE-Einspeisung über 1000BASE-T Alternative A

1000BASE-T Alternative B: Bei der IEEE 1000BASE-T Alternative B liegt die positive Gleichstromversorgung an den Stiften 4 und 5 und die negative Gleichstromversorgung an den Stiften 7 und 8.

Abbildung 6: PoE-Einspeisung über 1000BASE-T Alternative B

Upgrade auf PoE

Im Allgemeinen gibt es zwei Möglichkeiten, PoE zu Ihrem Netzwerk hinzuzufügen, nämlich mit einem PoE-Switch oder einem PoE-Injektor. Ein PoE-Switch ist ein Netzwerk-Switch, der über eine integrierte Power-over-Ethernet-Einspeisung verfügt. Schließen Sie einfach andere Netzwerkgeräte wie gewohnt an den Switch an, und der Switch erkennt, ob sie POE-kompatibel sind, und aktiviert die Stromversorgung automatisch. PoE-Switches sind für alle Anwendungen erhältlich, von kostengünstigen, unverwalteten Edge-Switches mit wenigen Anschlüssen bis hin zu komplexen, in ein Rack eingebauten Geräten mit mehreren Anschlüssen und ausgefeilter Verwaltung.

Abbildung 7: Aufrüstung auf PoE mit PoE-Switch

Ein Midspan-PoE-Injektor ist in der Regel ein Gerät mit zwei Anschlüssen, das Strom an einem Punkt der UTP-Verkabelung einspeist. Midspans werden für die Stromversorgung von PDs verwendet, die an Switches angeschlossen sind, die kein PoE bieten. Der Midspan speist Gleichstrom in das Kabel ein, und die Daten werden transparent durch den Injektor geleitet. Bei den meisten Midspan-Injektoren gilt die Entfernungsbegrenzung von 100 Metern für die gesamte Strecke, vom Switch bis zum PD.

Abbildung 8: Aufrüstung auf PoE mit PoE-Injektor

Technologische Herausforderungen für PoE

Die Implementierung einer PoE-Lösung ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. In erster Linie muss die Lösung die Kommunikations- und Sicherheitsstandards genau einhalten. Der Netzbetreiber ist für die meisten sicherheitstechnischen Aspekte verantwortlich.

Sicherheit

Ein PSE darf weder die bestehende Verkabelungsinfrastruktur noch die daran angeschlossenen nicht mit Strom versorgten Geräte beschädigen. Daher darf die Stromversorgung nur dann erfolgen, wenn PoE-fähige Endgeräte erkannt werden, und muss nach deren physischer Trennung schnell beendet werden. Außerdem muss das PoE-System vor Stromüberlastungen und Kurzschlüssen geschützt werden. Der Anschluss des PSE muss vor einer Kreuzverbindung mit einem benachbarten Anschluss geschützt werden. Außerdem sollte ein Wärmeschutz vorhanden sein, um Entflammbarkeit zu vermeiden.

Distanz

Nach der ANSI/TIA/EIA-Norm für Kabel der Kategorie 5e (CAT5e) (TIA/EIA 568-5-A) beträgt die maximale Länge für ein Kabelsegment 100 Meter. PSE Power Injectors, insbesondere Midspans, erhöhen nicht die Entfernung des Datennetzes.

Abbildung 9: Begrenzte Entfernung der Kupfer-UTP-Verkabelung bei PoE

Eine gängige Lösung, um die Entfernungs- und Bandbreitenbeschränkungen von Kupfer zu überwinden, ist die Verwendung von Glasfaserkabeln. Da Gleichstrom nicht über Glasfaser geleitet werden kann, wird ein Medienkonverter, der als PSE fungiert, zur Einspeisung von Strom in den/die RJ-45-Port(s) verwendet. Ein Medienkonverter mit PoE wandelt die Glasfaser in Kupfer um und sendet Gleichstrom über die UTP-Verkabelung an den PD.

Abbildung 10: So überwinden Sie die Entfernungsbeschränkung bei PoE

Datenintegrität

Die Einspeisung von Gleichstrom in ein Ethernet-Netzwerk kann die Störanfälligkeit des Systems erhöhen und das Ethernet-Signal verschlechtern. Eine PoE-Lösung darf die Datenkommunikation für alle RJ-45-Verbindungen, die über die kabelgebundene Infrastruktur realisiert werden, nicht beeinträchtigen. Sie sollte 10/100-BaseT-Ethernet-Verbindungen unterstützen und zur Unterstützung von 1000-BaseT aufrüstbar sein.

Fazit

Weltweit befinden sich Netzwerke in einem massiven Wandel, der mit einer wachsenden Vielseitigkeit und Komplexität einhergeht. Geräte, die früher als Peripheriegeräte betrachtet wurden, wie z. B. drahtlose Zugangspunkte, Sicherheitsnetzwerkkameras und Voice-over-IP (VoIP), sind jetzt ein wichtiger Bestandteil des Netzwerksystems. In dieser Situation wird die Verkabelungsinfrastruktur zur Unterstützung und Stromversorgung der hinzukommenden Geräte immer schwieriger. Glücklicherweise gibt es jetzt Power over Ethernet, das bereits zu einer wichtigen Stromversorgungsstrategie geworden ist, die es Netzwerkmanagern, Installateuren und Integratoren ermöglicht, strukturierte Verkabelungen zu verwenden, um viele ihrer Netzwerkgeräte sowohl mit Strom als auch mit Daten zu versorgen.