Power over Ethernet

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Beispielanwendung von PoE: Ein einziges Ethernet-Kabel geht in den PoE-Splitter, welcher die Signale in Datenleitung (grau) und Stromversorgung (schwarz) für den WLAN-Access Point aufteilt.

Power over Ethernet (PoE) bezeichnet ein Verfahren, mit dem netzwerkfähige Geräte über das 8-adrige Ethernet-Kabel mit Strom versorgt werden können.

Allgemeines[Bearbeiten]

Im engeren Sinne wird heute mit PoE meist der IEEE-Standard 802.3af-2003 („DTE Power over MDI) gemeint, der im Juni 2003 in seiner endgültigen Fassung verabschiedet wurde. Vorher gab es bereits einige herstellerspezifische Implementierungen, die ebenfalls unter der Bezeichnung Power over Ethernet gehandelt wurden. Außerdem gibt es einen neueren Standard IEEE 802.3at-2009[1] – vor der Standardisierung auch als PoE+ oder PoE plus bekannt –, der die maximale Leistungsabgabe von 15,4 W auf 25,5 W erhöht.

Hauptvorteil von Power over Ethernet ist, dass man ein Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernet-angebundene Geräte installieren kann. Somit lassen sich einerseits zum Teil drastisch Installationskosten einsparen, andererseits kann der damit einfach zu realisierende Einsatz einer zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöhen.

PoE wird von Netzwerkgeräten genutzt, die wenig Leistung benötigen. Es wird typischerweise in IP-Telefonen, kleinen Hubs, Kameras, kleinen Servern oder in schnurlosen Übertragungsgeräten (WLAN-Access-Points, Bluetooth-Access-Points) eingesetzt.

802.3af unterteilt die beteiligten Geräte in Energieversorger (Power Sourcing Equipment, PSE) und -verbraucher (Powered Devices, PD). Die Versorgungsspannung beträgt 48 V, die maximale Stromaufnahme der Endgeräte 350 mA (802.3at Typ 2: 600 mA) im Dauerbetrieb (kurzzeitig sind beim Einschalten 400 mA erlaubt). Die maximale Leistungsabgabe beträgt 15,4 Watt. Der Standard geht davon aus, dass nach Leitungsverlusten 12,95 Watt nutzbare Leistung übrig bleiben bzw. aufgenommen werden dürfen, um die maximale Leistungsabgabe nicht zu überschreiten.[2] Zur Energieübertragung werden normalerweise die (bei Ethernet und Fast Ethernet) freien Adernpaare im Ethernetkabel verwendet. Wenn dies nicht möglich ist (weil z. B. ISDN über die Leitung geführt ist oder bei Gigabit Ethernet), können auch die signalführenden Adern genutzt werden. Die Verbraucher müssen beide Betriebsarten unterstützen, Verbraucher die nur eine Betriebsart unterstützen sind nicht erlaubt. Die Stromversorgung über die Signalleitungen wirkt sich bei 10BASE-T (10 Mbit/s) und 100BASE-TX (100 Mbit/s) nicht störend auf das Ethernet-Signal aus. Auch auf 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) ist PoE möglich. Da 1000BASE-T alle 8 Adern im Kabel belegt, wird die Gleichspannung zur Stromversorgung hierbei auf jeden Fall „unter das Signal“ gelegt.

Die Herausforderung für die Hersteller proprietärer PoE-Lösungen bestand früher darin, Schäden an nicht PoE-fähigen Endgeräten nach Möglichkeit zu vermeiden. Obwohl die Adern 4, 5, 7 und 8 bei 10BASE-T und 100BASE-TX eigentlich nicht belegt sind, bedeutet das nicht, dass es nicht doch Netzwerkkarten o. ä. gibt, bei denen die entsprechenden Pins nach irgendwohin durchgeschleift sind. Wenn dort versehentlich Power over Ethernet anliegen sollte, kann dies zu irreparablen Schäden am Gerät führen. 802.3af löst dieses Problem durch ein als Resistive Power Discovery bezeichnetes Verfahren. Hierbei legt der Energieversorger zunächst mehrfach eine nur minimale Spannung auf die Adern, mit der sich im Normalfall kein Gerät beschädigen lässt. Er erkennt dabei, ob und wo der Energieverbraucher einen 25-kΩ-Abschlusswiderstand besitzt und damit PoE-fähig ist. Daraufhin wird der Verbraucher mit einer geringen Leistung versorgt, und muss nun signalisieren, zu welcher von vier im Standard definierten Leistungsklassen er gehört. Erst dann bekommt das PD die volle Leistung und kann den Betrieb aufnehmen.

Die Stromversorgung der Powered Devices kann dabei durch sogenannte Endspan-Devices (z. B. Switches) oder Midspan-Devices (Einheiten zwischen Switch und Endgerät) erfolgen.

Als Midspan-Devices werden zumeist Hubs oder sogenannte PoE-Injektoren eingesetzt, die Strom auf die jeweiligen Drähte liefern. Aufgrund des zusätzlichen Platzbedarfs und der zusätzlich notwendigen Patchkabel in Verteilerschränken sind jetzt auch Patchpanels (Verteilerfelder, PoE-Patchpanel) verfügbar, die den Strom liefern. Diese ersetzen die herkömmlichen Patchpanels und belegen somit keinen zusätzlichen Platz in den Verteilerschränken. Durch entsprechende Managementsoftware können bei diesen Verteilerfeldern die einzelnen Ports stromfrei oder stromführend definiert werden.

Aktivierungsschritte bei PoE[Bearbeiten]

Schritt Aktion Zulässiger Spannungsbereich
nach 802.3af
Detektion Feststellung ob Endgerät einen Widerstand im Bereich von 15–33 kΩ aufweist 2,7–10,1 V
Klassifikation Messung des genauen Widerstandwertes um Leistungsklasse festzustellen 14,5–20,5 V
Startup Eigentliche Stromversorgung aktivieren > 42 V
Normale Operation Stromversorgung im Versorgungsmodus 36–57 V
PoE-PCI-Netzwerkkarte mit aktivem
4/5-Port-Switch. Die 48 V werden
mit einem Aufwärtswandler aus den 12 V vom PC-Netzteil erzeugt.

Verfügbare Leistungsklassen[Bearbeiten]

Klasse Verfügbare Leistung am versorgten Gerät
0 0,44–12,96 W
1 0,44–3,84 W
2 3,84–6,49 W
3 6,49–12,95 W
4 12,95-21,90 W (nur 802.3at/Typ 2)

Klassifizierungssignatur[Bearbeiten]

Klasse Klassifizierungssignatur[3]
0 0 bis 4 mA
1 9 bis 12 mA
2 17 bis 20 mA
3 26 bis 30 mA
4 36 bis 44 mA

Allgemeine Merkmale[Bearbeiten]

Hardware
Leistung
Die abgegebene Spannung liegt zwischen 44 V und 54 V (in der Regel 48 V), die Leistung von 15,4 W (eingeteilt in 4 Klassen, 802.3af) bzw. 25,50 W (5 Klassen, 802.3at) bei Kabellänge bis zu 100 m.
Wirkungsgrad/Effizienz
Durch die geringen Leiterquerschnitte, die hohen Leitungslängen und die geringe Systemspannung entsteht nennenswert Verlustleistung in der Leitung, was v. a. bei Klasse 4-PD zu schlechten Systemwirkungsgraden führt.
Beispiel: bei Klasse 4 können 25,5 W am PD entnommen werden, die Leitung kann bis zu 12 Ohm Schleifenwiderstand aufweisen, und es ist ein maximaler Strom von 0,6 A zulässig. Somit entstehen im Kabel 4,32 W Verlustleistung, was einem Wirkungsgrad von ca. 86 % entspricht. Hinzu kommen die Verluste in den Netzteilen von PSE und PD.
In Summe sind Wirkungsgrade von unter 70 % nicht ungewöhnlich.
Varianten der Energieübertragung
  • Fernspeisung (Strom über von Daten genutzter Adernpaare), auch als Phantomspeisung oder Mode A bezeichnet
  • Strom über von Daten ungenutzter Aderpaare, auch als Spare-Pair-Speisung oder Mode B bezeichnet
Varianten der Energieversorgung
  • Endspan (direkte Versorgung durch PoE-Switch)
  • Midspan (Versorgung über zwischengeschaltete Quellen, Beispiel: PoE-Injektor)

Referenzen[Bearbeiten]

  1. http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3at-2009.pdf, IEEE 802.3at-2009, Information technology -- Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Access Method and Physical Layer Specifications -- Amendment3: Data Terminal Power via the Media Dependent Interface Enhancement
  2. Bei Typ 1 darf das Kabel nicht mehr als 20 Ω Widerstand bieten, bei Typ 2 maximal 12 Ω.
  3. Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke. 5., aktualisierte Auflage, Pearson Studium, München 2012, ISBN 978-3-86894-137-1, S. 194

Weblinks[Bearbeiten]