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PoE技術詳細解讀 供電標準有哪些
編輯：淮創科技 更新：2022-10-19 查看：0 次

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PoE（Power over Ethernet）是指通過網線傳輸電力的一種技術，借助現有以太網通過網線同時為IP終端設備（如：IP電話、AP、IP攝像頭等）進行數據傳輸和供電。


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


為了規范和促進PoE供電技術的發展，解決不同廠家供電和受電設備之間的適配性問題，IEEE標準委員會先后發布了三個PoE標準：IEEE 802.3af標準、IEEE 802.3at標準、IEEE 802.3bt標準。

為什么需要PoE?

隨著網絡中IP電話、網絡視頻監控以及無線以太網設備的日益廣泛，通過以太網本身提供電力支持的要求也越來越迫切。多數情況下，終端設備需要直流供電，而終端設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，終端設備需要的交直流轉換器也難有位置安置。另外，在很多大型的局域網應用中，管理員同時需要管理多個終端設備，這些設備需要統一的供電和統一的管理，由于供電位置的限制，給供電管理帶來極大的不便，以太網供電PoE則正好解決了這個問題。


PoE是一種有線以太網供電技術，使用于數據傳輸的網線同時具備直流供電的能力，有效解決IP電話、無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭、數據采集等終端的集中式電源供電。PoE供電具有可靠、連接簡捷、標準統一的優勢：


  • 可靠：一臺PoE設備可以同時為多個終端設備供電，實現電源集中供電的同時，還可以進行電源備份。

  • 連接簡捷：終端設備不需外接電源，只需要一根網線。

  • 標準：符合國際標準，使用全球統一的RJ45電源接口，可保證與不同廠商的設備對接。


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    PoE供電設備角色
    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，進行MDI供電能力的發現和通告。當PSE檢測到PD后，PSE和PD即周期性地向對方發送LLDP報文，這個報文里包含了定義的TLV字段。將本端信息發送給對方，對方記錄下報文中包含的信息，達到信息交互的作用。
    但IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV格式僅能協商IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標準的供電參數，不能協商IEEE 802.3bt標準的供電參數，當相連的PD設備使用IEEE 802.3bt標準供電時，標準Power via MDI TLV將無法協商供電。華為S系列交換機為能夠支持協商IEEE 802.3bt標準的供電參數，自定義了一種Power via MDI TLV。

    IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV報文
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    IEEE 802.1ab定義的TLV報文格式

  • PoE是如何工作的?

  • 如下圖所示，PoE供電系統包括如下兩個設備角色：

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

  • 受電設備PD（Powered Device）：如無線AP、便攜設備充電器、刷卡機、攝像頭等受電方設備。按照是否符合IEEE標準，PD分為標準PD和非標準PD。



  • PoE供電模式

  • 按照IEEE標準的定義，PSE設備分為MidSpan（PoE功能模塊在設備外）和Endpoint（PoE功能模塊集成到設備內）兩種類型。華為Cloudengine S系列PoE交換機的PoE功能模塊全部集成在設備的內部，屬于Endpoint的PSE設備。

  • Endpoint類型的PSE設備依據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供電模式通過數據對供電。PSE通過1/2和3/6線對給PD供電，1/2鏈接形成負極，3/6鏈接形成正極。10BASE-T、100BASE-TX接口使用1/2和3/6線對傳輸數據，1000BASE-T接口使用全部的4對線對傳輸數據。由于DC直流電和數據頻率互不干擾，所以可以在同一對線同時傳輸電流和數據。

  • 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鏈接形成負極。

  • IEEE標準不允許同時應用以上兩種供電模式。供電設備PSE只能提供一種用法，但是受電設備PD必須能夠同時適應兩種情況。

  • PoE供電協商流程

  • PSE設備上電，PD設備通過網絡連接到PSE設備后，PSE與PD就開始進行供電協商：

  • 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標準或IEEE 802.3at標準的受電端設備（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）。

  • 供電能力協商即PD設備分類過程：PSE對PD進行分類，并協商供電功率。供電能力協商不僅可以通過解析PSE與PD發送的電阻實現的，還可以通過鏈路層發現協議LLDP（Link Layer Discovery Protocol）協議發現和通告供電能力進行協商。

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

  • 正常供電：電壓達到48V之后，PSE為PD設備提供穩定可靠48V的直流電，PD設備功率消耗不超過PSE最大輸出功率。

  • 斷電：供電過程中，PSE會不斷監測PD電流輸入，當PD電流消耗下降到最低值以下，或電流激增，例如拔下設備或遇到PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE的供電負荷等，PSE會斷開電源，并重復檢測過程。

  • 通過LLDP協議進行供電能力協商

    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，進行MDI供電能力的發現和通告。當PSE檢測到PD后，PSE和PD即周期性地向對方發送LLDP報文，這個報文里包含了定義的TLV字段。將本端信息發送給對方，對方記錄下報文中包含的信息，達到信息交互的作用。
    但IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV格式僅能協商IEEE 802.3af和IEEE 802.3at兩種標準的供電參數，不能協商IEEE 802.3bt標準的供電參數，當相連的PD設備使用IEEE 802.3bt標準供電時，標準Power via MDI TLV將無法協商供電。華為S系列交換機為能夠支持協商IEEE 802.3bt標準的供電參數，自定義了一種Power via MDI TLV。

    IEEE 802.1ab定義的Power via MDI TLV報文

由2字節的TLV報文頭和12字節的TLV信息字段組成，報文格式如下圖所示：

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    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。


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  • Power via MDI各字段含義

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  • Extended Power via MDI各字段含義

  • 華為公司自定義的Power via MDI TLV


  • 由2字節的TLV報文頭和4字節的TLV信息字段組成，報文格式如下圖所示：


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  • 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。取值為1，表示PD支持的供電模式；取值為2，表示PD當前工作的供電模式。

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

  • TLV Value：TLV的值，占4個字節，共32位。第0位、1位、2位、3位的含義如下圖所示，第4～31位預留。

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自定義TLV Value字段含義


PoE供電標準有哪些？

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

2003年6月，IEEE 802.3工作組制定了IEEE 802.3af標準，作為以太網標準的延伸，對網絡供電的電源、傳輸和接收都做了細致的規定。例如：IEEE 802.3af標準規定PSE設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，因此受電設備僅有12.95W可用。2009年10月，為對應大功率終端的需求，誕生了IEEE 802.3at標準，IEEE 802.3at標準在兼容802.3af標準的基礎上，提供最高25.5W的功率，滿足新的需求。

2018年9月，為進一步提升PoE供電功率以及對標準進行優化，IEEE標準委員會的發布了IEEE 802.3bt標準。IEEE 802.3bt標準進一步提升了供電能力，類型3可提供高達51 W的供電功率，類型4可提供高達71.3W的供電功率。此外，還包括對2.5GBASE-T、5GBASE-T和10GBASE-T的支持，擴大了高性能無線接入點和監控攝像頭等應用程序的使用。

一般將IEEE 802.3af標準對應的供電技術稱為PoE供電，將IEEE 802.3at標準對應的供電技術稱為PoE+供電，將IEEE 802.3bt標準對應的供電技術稱為PoE++供電，也稱為4PPoE。三種供電技術對應的參數如下圖所示。


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PoE供電技術參數對比


有哪些設備可以支持PoE供電

PoE供電設備非常普遍，例如華為S系列園區交換機、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供電的設備變更為支持PoE供電的設備。

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