關于PoE技術的分析與應用

張 韜

（正德職業技術學院電子與信息技術系，江蘇南京211106）

PoE（Power Over Ether net）是有源以太網供電的簡稱，有時也被簡稱為以太網供電，指的是在現有的以太網布線基礎架構不作任何改動的情況下，在為一些基于IP協議的終端傳輸正常通信數據信號的同時，還能為這些網絡設備提供直流供電的技術。這樣不僅可以保證現有網絡的正常通信，而且能夠最大限度地降低成本。

簡單描述PoE技術的話，其實就是指用一條雙絞線同時傳輸以太網數據信號和直流電源。一般而言，PoE供電端的輸出端口在非屏蔽雙絞線上輸出44～57 V的直流電壓、350～400 mA的直流電流，為功耗在15.4 W以下的設備提供以太網供電。

1 PoE以太網供電技術概述

1.1 PoE技術發展簡介

IEEE在1999年開始制定PoE技術規范，到2003年6月，IEEE正式批準了IEEE 802.3af標準，明確制訂了遠程系統中的電力檢測和控制事項，并對網絡設備通過標準以太網電纜向無線AP等設備供電的方式進行了規定［1，2］。802.3af是第一個關于電源分配的國際標準。

IEEE 802.3af的優勢主要體現在以下兩個方面：（一）它可以有效減少連入墻上電源插座的設備數量，方便使用，減少安全隱患。（二）省錢，支持以太網供電的用戶可節省至少50%的總成本。在大規模部署WLAN和IP電話的現代辦公環境中，應用802.af方案的性價比更加突出。

隨著視頻監控系統等高功率應用的出現，802.3af規定的供電功率顯然不能滿足需求，這就限制了以太網電纜供電的應用范圍。為了克服PoE對功率的限制，IEEE又尋求提高該國際電源標準功率限值的方法，推出了最新的802.3at標準—增強型以太網供電（Power over Ethernet Plus，簡稱PoE＋），規定了PoE最大可以提供達到30 W的功率，超過了802.3af規定的15 W。802.3 at標準同時提供向下兼容能力，支持802.3 at的PoE交換機上也可以使用只支持802.3af的設備。

1.2 PoE技術原理

1.2.1 PoE供電原理

標準的雙絞線有四對線，但在10BASET和100BASET中只用到其中兩對，即1，2，3，6。802.3af允許兩種使用雙絞線線纜的方法供電，分別如圖1和圖2所示。

使用空閑腳供電方法時，可以用另外兩對空閑線對來傳輸直流電，沒有使用的4，5兩根線連接為正極，沒有使用的7，8兩根線連接為負極，有時也稱中間跨接法（Mid-Span）。

使用數據腳供電時，將DC電源加在傳輸變壓器的中點，不影響數據的傳輸。在這種方式下1，2線對和3，6線對可以為任意極性，只要信號頻率與以太網數據信號頻率不同，就可以確保在同對電纜上能夠同時傳輸直流電與數據，有時也稱末端跨接法（End-Span）［3，4］。

圖1 通過空閑腳供電

圖2 通過數據腳供電

標準不允許同時應用以上兩種情況。電源提供設備PSE只能提供一種用法，但是電源應用設備PD必須能夠同時適應兩種情況。PoE標準還規范明確了相關一起工作的電纜設施不需要任何改動，包括5、5e或6類電纜、各種短接線與接線板、電源插座引線等。

由于現在吉比特以太網應用越來越廣泛，為了保證1 000 M帶寬環境需求，現在公司的許多產品采用End-Span供電方法，也就是采用在傳輸數據所用的電纜對（1&2和3&6）之上同時傳輸直流電，這樣就確保交換機端口同時允許千兆帶寬和PoE共存，這也是發展的趨勢。

1.2.2 Po E系統組成

一個完整的PoE系統應該包括供電端設備（Power Source Equip ment，PSE）和受電端設備（Powered Device，PD）兩部分，如圖3所示。兩者根據IEEE802.3af標準，建立有關受電端設備PD的連接情況、設備類型、功耗級別等方面的信息聯系，并以此來控制供電端設備通過以太網向受電端設備來供電［5～7］。

供電端設備PSE是指一個內置了PoE功能的以太網交換機或者傳統以太網交換機和受電端設備PD之間具有PoE功能的設備（如PoE適配器）。PoE交換機由于受制于雙絞線物理特性和傳輸限制，供電最遠距離為100 m。而受電端設備是指具備PoE功能的終端設備，如無線AP等。

供電端設備PSE與受電端設備PD的連接參數按照IEEE802.3af的規范，如圖4所示。

圖3 PoE系統構成

圖4 PSE和PD的互連

IEEE802.3af以太網供電標準定義了一些必須遵循的規則：

（1）操作電壓一般為48 V，也可以在44～57 V之間，但一定不能超過60 V。

（2）供電端設備產生的最大電流一般在350～400 mA之間，這樣可以保證以太網電纜不會由于其本身的阻抗而導致過熱。

（3）以上兩個規定使得供電端設備在其端口輸出時會產生最小15.4 W的功率輸出，同時考慮到經過以太網電纜后損耗，受電端設備所能接受到的最大功率為12.95 W。

1.2.3 PoE系統供電工作過程

供電端設備PSE是整個PoE以太網供電過程的管理者，PoE供電主要包括以下幾個工作過程。

（1）檢測過程：一開始，PSE設備在端口只輸出很小的電壓，直到檢測到其線纜連接到一個支持IEEE802.3af標準的PD終端設備。

（2）PD端設備分類：當檢測到PD設備之后，PSE會為PD設備進行分類，并且評估此PD設備所需的功率損耗。

（3）開始供電：在一個可配置的時間（一般小于15μs）的啟動期內，PSE設備開始從低電壓開始向PD設備供電，直至提供到48 V的直流電源。

（4）供電：為PD設備提供穩定可靠的48 V直流電，滿足PD設備不超過15.4 W的功率消耗。

（5）斷電：如果PD設備從網絡上斷開時，供電端設備會快速地（約300～400 ms內）停止為PD設備供電，并重復檢測過程以檢測線纜的終端是否連接PD設備。

在整個過程中，如果出現PD設備功率消耗過載、短路、超過PSE供電負荷等情況，就會造成整個過程在中間中斷，然后又開始從第一步檢測過程開始，802.3af供電機制如圖5所示。

圖5 802.3af標準定義的供電機制

1.2.4 Po E供電端設備電源管理

如果一個24端口使用End-span供電技術的PoE交換機在每個端口都提供15.4 W的電源輸出，整個交換機則要求提供高達370 W的功率輸出，這可能導致交換機出現過熱的問題。而在一個企業應用中，有時可能需要連接10個IP電話（每個約4～5 W），6個無線AP（每個約8～10 W），2個網絡攝像機（每個約10～13 W），總計共約需要136 W。考慮到成本因素和其它方面，因此一般的End-span方式PoE交換機的輸出功率都設計在150～200 W之間。另外也可以根據各種情況對各個不同端口的輸出直流電進行管理以滿足用戶的不同需要。

1.3 PoE技術的優勢

（1）節約成本：不用為大量網絡設備提供本地電源，不僅大大降低建設成本，并且簡化管理。

（2）易于安裝：客戶能夠自動、安全地在網絡上混用原有設備和PoE設備，能夠與現有以太網線纜共存。

（3）安全：因為PoE供電端設備只會為需要供電的設備供電，所以只有連接了需要供電的設備，以太網電纜才會有電壓存在，這樣就消除了線路上漏電的風險。

（4）便于設備管理：當遠端設備與網絡相連后，將能夠遠程控制和重設。

2 PoE技術的配置與實現

2.1 開啟PoE交換機端口的供電功能

這里以支持802.3at技術的銳捷S5750E-P交換機配置方法為例（以下相同），開啟交換機1號端口的PoE功能。

Ruijie（config-if）＃poe enable

2.2 設置PoE供電管理模式

供電管理模式指的是為設備連接的PD分配功率的方式。PoE交換機支持的供電管理模式有自動模式和節能模式兩種。

自動模式下，根據檢測出的端口PD分級類型來分配功率。設備對0～3類的PD設備是按以下關系來分配功率的：Class0為15.4 W，Class1為4 W，Class2為7 W，Class3為15.4 W，Class4為30 W。在該模式下，如有一臺分配為Class3的設備，即使消耗的功率只有11 W，PoE供電設備也會按照15.4 W的功率為端口分配功率。

節能模式下，設備按照PD設備實際的消耗來動態的調整功率分配。當PoE交換機設置為該模式后，可以為更多的PD設備供電，但是也可能由于部分PD功率的波動影響到其他PD設備的供電情況，并不是所有交換機都支持節能模式。

銳捷Po E交換機默認供電管理模式為auto模式，修改為節能模式配置如下。

Ruijie（config）＃poe mode energy-saving

2.3 PoE端口的供電優先級

PoE交換機的接口供電優先級是可以調整的。優先級從高到低依次為：Critical、High和Low。在自動模式和節能模式下，高優先級的端口優先得到供電。在PoE交換機整機功率不足的時候，低優先級的端口先掉電。接口默認優先級全部為低。

如果交換機端口優先級相同，則規定按照端口號順序排列，端口號小的優先級高，如1號端口的優先級比2號端口高。另外，端口優先級相同，新插入的端口，不會影響到已經處于供電狀態的PD設備的供電情況。不同優先級的端口不受這個特性影響，高優先級端口可以搶占低優先級端口的供電。

使用命令Ruijie（config-if）＃poe priority critical設置交換機端口的遠程供電優先級為Critical。

2.4 非標準PD設備兼容功能

在實際應用中PD設備種類很多，可以開啟PD兼容性功能，以兼容部分非標準的PoE設備。

Ruijie（config）＃poe legacy

在沒有接入PD設備的端口上使用這個命令，也可能導致對端設備被錯誤的上電燒毀，所以必須確保端口在接入PD設備的時候使用該命令。

2.5 設置端口的最大功率

用戶可以通過設置端口的最大功率來限制端口的最大輸出功率，當端口的功率超過設置的最大功率一定時間后，端口的供電停止，端口設備下電。10 s后，端口會再次被上電，如果端口的功率依然超過最大功率，端口會再次被下電并不斷循環這個過程。

如果用戶不配置端口的最大功率，那么端口上不進行最大功率檢查。假設設置端口的最大功率為17 W，配置為：Ruijie（config-if）＃poe max-power 17。

2.6 顯示交換機端口PoE狀態

用戶可以通過show命令來查看接口的PoE狀態，如使用show poeinterface Gigabit Ethernet 0／1命令查看交換機Gigabit Ethernet 0／1端口的供電狀態。

查看交換機全部端口的PoE供電狀態，配置如下：

3 結束語

以太網供電PoE是一種革命性技術，它通過目前承載以太網數據的同一條雙絞線來提供可靠的直流電源，擴展了以太網的功能。PoE技術將改變網絡設備供電的傳統方式，它不僅最大限度地利用現有的網絡設施，而且可以部署一系列全新的應用。

［1］ 王景忠，王俊芳，于立佳，等.以太網供電PoE技術的研究與實現［J］.無線電工程，2012，（11）：44-47.

［2］ 張 偉.POE技術在WLAN建設中的應用［J］.電信技術，2012，（12）：69-70.

［3］ 楊子江.PoE技術：傳輸數據和供電兩不誤［J］.中國計算機用戶，2004，34：55.

［4］ 陳海川.以太網供電技術簡介［J］.通信電源技術，2005，22（06）：51-53.

［5］ 胡志華，郭其一.基于IEEE802.3af的以太網供電技術（PoE）［J］.儀表技術，2007，（04）：54-56.

［6］ 褚建立，馬 驊.以太網供電技術及其應用［J］.數字通信世界，2007，（04）：84-87.

［7］ 李 強.以太網供電（POE）技術原理及過程分析［J］.硅谷，2010，（01）：58.