Что такое PoE на примере пары коммутаторов

С приходом большого количества устройств, подключаемых по локальной сети, появилось и желание их удаленно питать. Ведь согласитесь, тянуть отдельный кабель к небольшому устройству, которое и так уже подключено своим кабелем для передачи данных не только неудобно, а еще и дорого.
В общем сегодня поговорим о том, что такое PoE и с «чем его едят».


PoE или полностью — Power over Ethernet технология очень старая, впервые я о ней узнал лет так 15 назад, примерно тогда, когда у нас начали появляются всякие домовые сети типа «пионернэт». А так как я много занимаюсь разными блоками питания, то заинтересовался и этим.

Данная технология позволяет питать относительно маломощные устройства прямо по сетевому кабелю. Причем в этот список входят самые разнообразные устройства — сетевые камеры, IP телефоны, метеостанции, коммутаторы, даже маломощные компьютеры.
Кстати именно такой способ позволяет простыми средствами преодолеть рубеж в 100м для медного кабеля, когда посередине линии ставится дополнительный коммутатор, питающийся от кабеля и транслирующий данные на следующие 100м.


Кабели для локальных сетей существуют разные, но чаще всего применяется двух или четырехпарный, при этом в четырехпарном кабеле и 100 Мбит сети остается две незадействованные пары, которые изначально планировали использовать для телефона (как вариант — синюю пару).
При этом по стандарту на синюю пару подается плюс, а на коричневую — минус, что лично на мой взгляд немного нелогично, так как куда логичнее было бы подавать на коричневую плюс, а на синюю минус, по аналогии с фаза/ноль в электрической сети. Но видимо разработчики руководствовались другим принципом.


Самый простейший способ передачи питания по витой паре, это так называемый Passive PoE, когда жилы кабеля просто продолжают провод выхода БП. Для данного способа используют специальные комплекты.


Внешняя реализация при этом выглядит следующим образом:
Переходники включатся в разрыв между кабелем и устройством, причем как по линии Ethernet, так и по линии питания, и по сутия являются просто удлинителем.
Но есть проблема, малая дальность работы. На левом рисунке указано что длина не более 30 метров, но это зависит от многих вещей:
1. Напряжения питания.
2. Качества кабеля
3. Запаса по входному напряжению у конечного устройства

И в итоге при питании в 5 Вольт и довольно потребляющем устройстве дистанция может быть существенно уменьшена, кроме того такой вариант не имеет гальванической развязки.



Так как сопротивление жил кабеля уменьшить нельзя, то для увеличения дальности работы поднимают напряжение, а на удаленной стороне ставят инжектор с понижающим преобразователем. Собственно такие системы я неоднократно делал и сам.
Максимальное напряжение питания в таких системах составляет около 48-55 Вольт. Подобные системы бывают:
1. Как на 1 порт, так и на несколько.
2. Как полностью поддерживающие стандарт PoE, так и работающие в режиме Passive PoE
3. На 48 и на 24/12 Вольт.

Кроме того некоторые «альтернативно одаренные» пытались даже подавать просто 220 Вольт, я сам встречал подобные «решения». За такие вещи этим людям надо как минимум укорачивать руки, желательно по самые плечи, потому как такое решение не просто неправильно, а еще и предельно опасно:
1. Риск удара электрическим током
2. Не меньший риск свернуть себе шею, так как можно резануть кабель под напряжением стоя на стремянке, которая в свою очередь стоит на какой нибудь лестнице в подъезде.
3. Шанс устроить пожар.


Основных схем подачи питания в кабель существует два, А и В. Разница между ними предельно проста, в А для питания используются те же жилы что и для данных (такая вот неожиданность), в В синяя и коричневая пары, т.е. незадействованные в 100 Мбит подключении.
Чаще всего применяется вариант В, как немного более простой, вариант А выигрывает тем, что можно использовать двухпарный кабель, который немного дешевле.

Кроме того в варианте В есть возможность установки промежуточного инжектора, например на половине пути, хотя никто не мешает поставить его и около коммутатора.

Я в свое время также делал по варианту В.


В вики есть табличка, где указано расположение контактов и их назначение в случае разных схем включения.
При этом ниже есть упоминание —

Организация IEEE планирует собрать группу по разработке нового стандарта PoE, который позволит использовать все четыре пары кабеля Ethernet и, как минимум, удвоить предел мощности для питания устройств

На самом деле схема питания с использованием всех жил уже довольно давно и вполне успешно применяется и позволяет передать в два раза больше мощность на то же расстояние. Причем с гигабитным подключением!
Именно такой вариант я хотел делать в своих устройствах, но дело стало за специальными трансформаторами со средним отводом, хотя у меня еще была идея сделать развязку как в телевидении, где по коаксиальному кабелю идет и питание и сигнал. Но потом мне это стало просто неинтересно и я все забросил.


Кроме того, существует и соответствующий стандарт — ieee802.3at или т.н. PoE+.
Ниже скриншот из этого документа, где указана максимальная мощность в стандарте PoE и PoE+. А так как сопротивление кабеля и напряжение неизменно, то получить больше мощность можно только одним способом — передавая энергию сразу по всем четырем парам проводников.
Также ниже показаны классы по энергопотреблению, т.е. правильное PoE устройство сначала сообщает источнику питания что оно хочет, а дальше если источник может это отдать (это зашито в настройках источника), то на выходе появляется питание.
По понятным причинам поддержка стандарта PoE+ необходима и на строне потребителя.

Очень хорошее описание стандарта PoE+ есть по этой ссылке, на русском языке и довольно понятно.


Все что я написал выше, определяет по сути среду передачи, т.е. что, как и через что передаем, в данном случае речь идет конечно о питании, а не о данных.
Но на самом деле PoE это не просто — подал питание в кабель и все заработало, ситуация несколько сложнее и об этом я расскажу ниже, а пока перейду к практической части обзора, т.е. коммутатору который имеет функцию PoE.

Меня часто спрашивают — подскажи где лучше купить камеры на али. Вот как раз в этом обзоре товар из магазина, где я беру камеры постоянно и за все время была только одна проблема, вместо двух камер прислали одну (я заказываю попарно, чтобы не пугать таможню). Так я еще до распаковки посылки написал продавцу, мол проблема. В ответ он попросил номер заказа, и через час ответил что мол да, есть такое дело, вам лучше деньги вернуть или недостающий товар отправить?
Второй раз была даже не столько проблема, сколько мелкий нюанс. Я оплатил заказ, но продавец не отсылает и не отсылает. В итоге заказ закрылся автоматически до отправки, деньги вернулись автоматом.
Пишу — мол что за ерунда. Мне отвечают — была заминка с товаром на складе (бывает), отправить можем через 2 дня.
Я — ок, но покупал с купоном и была скидка в сумме на 4 бакса + почти доллар потерял на транзакции денег. Можете компенсировать мои убытки? В ответ — нет проблем, заказывайте но не оплачивайте, компенсируем. И действительно, через 10 минут после заказа мне скинули цену.

И так, получил я коммутатор, упакован был довольно неплохо, хотя в отзывах к заказу была жалоба на недостаточное качество упаковки, но как по мне, то все отлично. Сам коммутатор упакован в картонную коробку + еще общая коробка 1 в 1 по размеру первой. Постоянно у данного продавца встречаю что наружная коробка подобрана так, что упаковка товара внутри не болтается.


В комплект поставки входит:
1. Коммутатор
2. Кабель питания
3. Крепеж
4. Инструкция и гарантийный талон.


1. Инструкция полностью на китайском, расписано подключение, а также приведены все варианты выпускаемых коммутаторов и их условные обозначения у производителя.
2. Кабель питания самый обычный, знакомый любому компьютерщику. Качество среднее, кабель тонкий, но с тем что потребление у устройства низкое, то вполне пойдет.
3, 4. Также дали 5 винтиков и пару крепежных «ушек», за которые можно прикрутить коммутатор в стойку. На самом деле винтов надо 4, пятый является запасным.


В описании заявлена поддержка (ieee802.3af) Макс. 15.4 Вт/ (ieee802.3at) Макс. 30 Вт на 1 порт, но при этом максимальная потребляемая мощность 150 Ватт, насколько я понимаю, это максимальная мощность от сети, а не по выходам.


Сам по себе коммутатор выглядит вполне стандартно, прямоугольная металлическая коробочка с кучей разъемов.
Ширина передней панели 220мм, что в комплекте с «ушками» позволяет его установить в 10 дюймов стойку.


Конфигурация разъемов 8+2. В данном случае это означает, что коммутатор имеет 8 PoE и 2 обычных разъема.
Бывают разные конфигурации, например 4 PoE+1 обычный, 8 PoE + 2 гигабитных, 24 PoE + 24 обычных + 2 гигабитных и т.д.


Например на работе один из коммутаторов для питания камер это Cisco SF200-48P. У него 24 порта PoE, 24 просто 100 Мбит и пара гигабитных.


Правда в данном случае это управляемый коммутатор и одной из его удобных особенностей является удаленное управление питанием портов на случай если какая-то камера зависла (такое тоже иногда случается).
После одной из летних гроз у меня из двух таких коммутаторов остался один, второй безнадежно вышел из строя, надо будет забрать домой поковыряться. Заменил на 24 порта TPlink.
Думаю все понимают, что ценник на такие устройства немного больше, чем на обозреваемое. На момент покупки он стоил около 600 долларов (если не путаю) или 12 долларов за порт, обозреваемый стоит 57 или 5.7 доллара за порт.


Как и у «взрослых» коммутаторов, здесь часть портов выделена для подключения устройств, в данном случае восемь.


Еще два порта ничего питать не могут и обычно их используют для последовательного включения нескольких коммутаторов.


Применяется несколько разных схем подключения.
1. Распределенная (вверху). Коммутаторы устанавливаются в местах наибольшего скопления потребителей, а с сервером и друг с другом соединяются одним кабелем.
2. Звезда. Здесь все кабели сводятся в одну точку, где уже заведены на центральный коммутатор/коммутаторы, который подключен к серверу.

Преимущества первого варианта — меньшее количество кабеля, соответственно меньше итоговая стоимость проекта, возможность работы устройств на большем удалении от сервера.
Преимущества второго варианта — выше надежность решения.

Каскадирование коммутаторов удобно когда надо охватить большую площадь, потому как длина кабельных линий ограничена. но при этом появляется проблема, в случае обесточивания одного из коммутаторов (или обрыва линии) погасает все. У топологии «звезда» выключается только один потребитель, причем это очень легко диагностировать.

Кроме того, наращивать коммутаторы до бесконечности нельзя, так как есть ограничение на пропускную способность основного канала. Например к данному коммутатору можно подключить 8 камер, а скорость «наружных» портов 100 Мбит. Я настраиваю камеры обычно на скорость потока 3-4 Мбит, соответственно 8 камер будут требовать до 32 Мбит, два последовательно до 64 Мбит, три..., нет, три вообще нормально работать не будут, так как необходим запас. Итого обозреваемых коммутаторов можно поставить последовательно два, ну в теории три, с ограничениями.
Если потребителей будет больше, то выбирают коммутаторы с гигабитными Uplink (так называются дополнительные порты) и тогда можно систему значительно расширить.

Почему я предпочитаю топологию «звезда». Превысить предел длины кабеля в 100-150 метров в пределах одного объекта получается не очень часто, потому обычно сначала выбирается место для «серверной», находящееся как можно близко к центру звезды и тогда мы получаем диаметр охвата в 200-300м, что весьма неплохо. При этом мы получаем централизованное бесперебойное питание (а в моем случае еще и питание от двух энерговводов с АВР) и соответственно больше надежность.



Как-то в ходе всего что я писал выше, забыл о том, что данное решение подходит для тех, кто не использует регистраторы со встроенным PoE. В случае покупки такого регистратора он умеет питать камеры сам, но есть минусы:
1. В случае форсмажора в виде молнии есть высокий шанс остаться и без регистратора
2. Надежность такого решения несколько ниже, так как в коробке с электроникой и греющимися жесткими дисками находится еще и довольно мощный блок питания.

К примеру фото регистратора Хиквижн с 8 PoE портами.


Вообще эти фотографии готовились для другого обзора еще зимой, но не думаю что буду его писать. Могу лишь сказать от себя, что в итоге я с парой регистраторов Хиквижн поймал такой глюк, что сомневаюсь в том, что буду в дальнейшем смотреть на них позитивно.


Сзади находится разъем для подключения кабеля питания, а слева почти все отведено под вентиляционные щели.


Но справа кроме отверстий для вентиляции есть еще и мелкий переключатель, которого нет у обычных коммутаторов. Данный переключатель реализует функцию, больше необходимую для систем видеонаблюдения и подобных с не очень большим трафиком, но с необходимостью применения кабеля большой длины.
Дело в том, что данный переключатель принудительно переводит PoE порты в режим 10 Мбит и тес самым позволяет получить больше дальность работы за счет более низкой скорости.


Снизу просто наклейка, увы но у данного коммутатора нет ножек, что весьма неудобно при установке его на столе.


Наверняка те, кто читает мои обзоры не в первый раз, решат что сейчас будет разборка. Нет, разборка конечно будет, но не сейчас :)
Дальше я покажу еще один коммутатор, который также использую. Куплен он в оффлайне и стоит в районе 40-50 долларов.
Поставляется также в картонной коробке, а внутри упаковка типа как лоток для яиц.


Так как блок питания у данного коммутатора внешний, то соответственно и комплектация выглядит куда как больше, хотя по сути все почти одинаково.
1. Коммутатор
2. Блок питания
3. Кабель питания
4. Крепеж
5. Ножки
6. Инструкция


1. Кабель питания здесь немного получше, блок питания 54 Вольта 1.11 Ампера (60 Ватт).
2. Пара кронштейнов, пять винтиков и резиновые ножки! Вот последнего пункта мне реально не хватало у предыдущего коммутатора.


Коммутатор продается под ТМ UTEPO.


Вы наверное спросите, почему я выше написал — под ТМ (торговой маркой), а не произведен. Да все очень просто. Во время подготовки обзора я искал некоторую информацию и случайно наткнулся на вот такой коммутатор, не замечаете ничего общего?
Кстати, к коммутаторам FoxGate я еще вернусь.



Здесь также присутствует переключатель CCTV\Default, кроме него на переднюю панель вынесена только индикация включения.


Соку отверстия для вентиляции и отверстие для замка Кенсингтона.


Данный коммутатор рассчитан на 6 портов, организованных как 4+2, т.е. 4 порта PoE и два работают как Uplink для связи с другими коммутаторами или компьютером/регистратором.
Сюда же вынесено гнездо для подключения блока питания.


Два коммутатора в сравнении.


Ну а теперь разборка, но так как это зрелище не для слабонервных, то оно находится под спойлером.





Сравнительное фото двух коммутаторов. Уже на данном этапе могу сказать, что большой коммутатор более «нежный» и больше подходит для внутридомовых систем, а мелкий имеет лучше защиту.


Ну а теперь немножко тестов.
Сначала тест пропускной способности.

Скорость без коммутатора — 75 Мбит, через Uplink порты — 65-67 Мбит. Почему-то у меня даже при прямом подключении скорость не поднималась выше 80 Мбит, хотя при тестировании Андроид устройств я наблюдал и 90-95.


Теперь один компьютер подключен к Uplink порту, второй к PoE порту.
В нормальном режиме — 61-64 Мбит
В режиме CCTV — 9.5 Мбит, причем скорость режется очень ровно.


Тест второго коммутатора показал точно такие же результаты, я бы сказал — на грани погрешности самого теста.


Дальше тест под нагрузкой. Я решил, что неплохо бы провести тест как можно наглядней, без всякой заумной аппаратуры, тестеров, электронных нагрузок и т.п.
В общем тест предельно простой, берем 8 IP видеокамер, подключаем их к коммутатору и оставляем на несколько часов.


Потребление коммутатора на холостом ходу 3.1-3.2 Ватта.
При подключенных камерах было 34 Ватта, при этом ИК подсветка работала примерно на 50% мощности. К сожалению полную яркость получить не вышло, но в полной темноте было около 40-42 Ватт, хотя так как камер было много, то они начинали подсвечивать друг друга.


По итогу я понял, что такой тест совсем не тест, так как самым горячим место (45 градусов) была кучка камер, а коммутатор на их фоне выглядел вообще холодным, температура его корпуса была 37 градусов, и это в летом.


Вся проблема состояла в том, что вышеприведенный тест хоть и очень нагляден, но также и некорректен, так как потребление зависит от длины кабеля.
Объясняется это все очень просто, допустим камера потребляет 6 Ватт, при коротком кабеле такое же потребление будет и от коммутатора. Но с ростом длины кабеля добавляется его активное сопротивление, а так как потребление камеры в Вт неизменно, то вместе с падение напряжения на ее входе она пытается компенсировать потери, поднимая ток. Так как ток в цепи неизменен, то получается что при неизменном напряжении на выходе коммутатора и возросшем токе растет и мощность потребляемая от него.

В общем решил я сравнить, сколько потребляет камера подключенная коротким кабелем и куском длиной около 20м. но тест показал что потребление неизменно, банально не хватает разрешения Ваттметра.


Ладно, подумал я, усложним тест. Выше я писал что данный коммутатор поддерживает работу в стандарте ieee802.3at, т.е. передача питания по всем парам, соответственно сопротивление кабеля падает в два раза.
В итоге я взял еще кусок кабеля длиной около 15-20, но обжал его так, чтобы подключены были только две пары. Ну и заодно проверил, что коммутатор может питать камеру даже по двум сигнальным парам.
Но увы, этот тест также закончился ничем, потребление осталось на прежнем уровне. Вернее оно выросло, но грубыми приборами эту разницу не измерить.


По хорошему следующий тест должен был быть с длинным кабелем, но хоть у меня и есть на работе три полные катушки, проводить этот тест я не буду, так как 305 м это все равно много, а резать на куски новый кабель несколько затратно, как будут куски меньшей длины, обязательно попробую.

Собственно потому дальше я перешел к тесту при помощи электронной нагрузки, так как альтернатив у меня не осталось.
1, 2. Припаял пару проводов, вывел их наружу и подключил к электронной нагрузке.
3, 4. Ток нагрузки выставил 2.2 Ампера, а так как выходное напряжение блока питания составляет 51.6 Вольта, то получил около 114 Ватт или 14 Ватт на один порт при норме для PoE 13 Ватт. Потребляемая мощность при этом была около 130 Ватт.
5, 6. Погонял так с часок, а потом снизил мощность нагрузки до 80 Ватт или 10 Ватт на один порт, что с большим запасом для камер наблюдения.


А теперь измерим температуру.
1. Через полчаса при мощности 114 Ватт
2. Еще через пол часа при мощности 114 Ватт.
3. Через час работы при мощности 80 Ватт, пауза на остывание не делалась, просто снизил мощность и засек еще час.

Могу сказать, что 114 Ватт это предел для данного блока питания, при 104 Ватта (13 Ватт на порт) будет конечно немного лучше, но реально лучше не превышать лимит 10 Ватт на порт, что впрочем более чем достаточно для питания камер наблюдения.


А дальше мне почему-то захотелось убедиться, что коммутатор действительно соответствует стандарту ieee802.3at. Для этого я опять вынул плату собственно коммутатора и начал ее внимательно изучать.
В процессе выяснилось, что не все так гладко. Ниже на фото участок платы с разводкой четырех портов из восьми. Можно проследить дорожки от элементов D21, D79-81, которые идут в район гнезд RJ45.


Но меня интересовал узел около самих гнезд.


Для лучшего понимания я выделил цветом один из разъемов так, что цвет соответствует цвету проводов кабеля Ethernet, подключенного к нему.
По логике коричневая и синяя пары должны также идти к питанию, но ниже видны перемычки (элементы с маркировкой 0) и они распаяны не все. Отсутствуют перемычки к контактам обозначенным синим и коричневым. Измерение подтвердило, на этих контактах нет напряжения при работе камеры.
Такая схема допустима и нормальна, но это не ieee802.3at, потому если переключение в режим 10 Мбит поможет с увеличением дальности, то в плане питания я бы все равно не превышал 100-150 метров, впрочем это сильно зависит от мощности нагрузки.


Каково же было мое удивление, когда я решил посмотреть на этот счет и второй коммутатор, с гордой надписью на передней панели — PoE+.
В общем снизу к разъемам дорожки вообще не подходят.


А сверху явно видно что питание подведено по информационным парам (1,2 и 3,6). На всякий случай подключил камеру и проверил питание, ноль, только на указанных выше контактах.


В ходе обзора я упомянул коммутаторы FoxGate и то, что коммутатор на 4 порта, который я показал, является тем же самым, просто под другим именем.
Нашелся интересный коммутатор той же фирмы FoxGate или Utepo (уж не знаю кто у кого передирает), но который тестировали.
При этом у него есть интересная фишка, кнопки кратковременного отключения питания портов, хотя на мой взгляд это уже излишество и маркетинг. Там где критично пропадание связи от обесточивания всего коммутатора, обычно ставят управляемые, а там где не критично, проще передернуть разъем или обесточить весь коммутатор.


В общем ребята получили такие результаты, Cu — медь, CCA — биметалл.


А вот теперь попробую свести всю информацию вместе, а заодно ответить на некоторые вопросы, которые мне задают и которые я встречаю в обсуждениях. Не претендую на 100% достоверность и точность, но распишу как знаю.
1. PoE это действительно удобно, можно питать оборудование по тому же кабелю что и передаются данные.
2. PoE бывает двух видов:
а. «нормальный», т.е. с применением специального контроллера и с высоким напряжением до 57 Вольт.
б. Пассивный, без контроллера, просто подача питания в кабель.
3. «нормальный» PoE без нагрузки подает в кабель небольшое напряжение с ограничением тока, кабель подключенный к коммутатору можно резать, обжимать, ничего из строя не выйдет. Ничего не сгорит даже если перепутать все провода в разъеме, сам проверял, хотя конечно лучше не рисковать. При подключении соответствующего оборудования с таким же «нормальным» РоЕ питание будет подано автоматически.
4. Оборудование с «нормальным» РоЕ будет работать и просто от БП с напряжением 44-57 Вольт если подать питание на синюю (плюс) и коричневую (минус) пару. Впрочем внутри у РоЕ оборудования должен стоять диодный мост и полярность особого значения не имеет.
5. Оборудование рассчитанное под пассивное РоЕ при подключении к РоЕ коммутатору скорее всего работать не будет.
6. «Нормальный» PoE делится на три типа:
а. питание по тем же парам что и данные.
б. питание по коричневой и синей паре
в. питание по всем четырем парам. В данном случае это стандарт PoE+. В таком же варианте работает и гигабитное оборудование с РоЕ.
7. Следует помнить, что в отличии от «нормального» РоЕ, пассивное бывает и на 12, 24 Вольта, потому надо сначала это выяснить иначе можно вывести из строя ваше оборудование. У «нормального» РоЕ напряжение строго оговорено и такого быть не может.
8. Помимо коммутаторов с РоЕ бывает еще куча разного оборудования, например внешние инжекторы с полной его поддержкой, видеорегистраторы и т.п.
9. Как понять, поддерживает оборудование «нормальный» РоЕ или нет. Как минимум должна быть надпись — РоЕ, как максимум, указаны номера стандартов — IEEE802.3, IEEE802.3u, IEEE802.3x, IEEE802.3af/AT.

Что можно сказать по обозреваемому коммутатору.
К работе особых нареканий нет, работает стабильно, для простых решений вполне подходит, хотя и с некоторыми оговорками.
Снимать больше чем 10 Ватт на порт не рекомендую, будет перегреваться. Расстроило то, что не умеет питать нагрузку по четырем парам, но радует что питает по информационным, в таком варианте при необходимости можно по одному кабелю передать сигнал от двух устройств сразу.
Есть переключатель, который снижает скорость на РоЕ портах до 10 Мбит, тем самым увеличивая возможную длину кабеля к оборудованию.
Нарекание в плане безопасности, нет изолятора над блоком питания.

На этом у меня все, надеюсь что обзор был полезен, а я как обычно буду рад вопросам и просто комментариям по теме.