Power over Ethernet (PoE) – Standards, Grundlagen und Umsetzung in JunOS

Power over Ethernet – kurz PoE –  ist in aller Munde, besser gesagt in aller Netzwerke, da es sehr hilfreich dabei ist, bei vielen Endgeräten eine externe Stromversorgung überflüssig zu machen und somit Kosten und Aufwand zu sparen.

Dieser Artikel soll einen Überblick über alle Standards geben, die wichtigsten Grundlagen bzw. Eckdaten erläutern und im Anschluss daran Informationen über die Umsetzung bei Juniper Networks JunOS geben.

Begrifflichkeiten

Bevor wir in die Tiefe gehen, ist es notwendig ein paar Begrifflichkeiten rund ums Power over Ethernet (PoE) zu erklären.

PD
bedeutet Powered Device und beschreibt das Energie konsumierende Endgerät (z.B. IP-Telefon).

PSE
steht für Power Sourcing Equipment und ist das Gerät, welches die elektrische Energie einspeist. Hier ist in zwei Unterklassen zu unterscheiden:

End-Span PSE:
Hier wird ein PSE beschrieben, welches die Energie am Ende des Datenpfades einspeist. In der Regel ist dies somit ein Switch oder seltener auch ein Router.

Mid-Span PSE
Dieses PSE speist die elektrische Energie mitten im Datenpfad ein. Diese PSEs sind Power Injektoren oder sogenannte Hubs, welche ganze Patchfelder versorgen. Mid-Span PSEs werden heute sehr selten neu projektiert, da PoE-fähige Switches heute preislich sehr attraktiv geworden sind.

Grundlagen

Physikalische Grundlagen

Dass PoE nur bei Ethernet mit dem Übertragungsmedium Kupfer (TX) definiert ist, sollte jedem bei genauerem Nachdenken klar sein. Leider ist auch so ein Kupferkabel nebst Steckern (RJ45 und CATx) nicht gerade ideal zur Übertragung von elektrischer Energie. Dies hat folgende Gründe:

1. Hoher Innenwiderstand
   Durch die geringe Kabeldicke und entsprechende Kabellänge (bis 100m) ergibt sich ein nicht mehr zu vernachlässigender Widerstand des Kabels und somit ein Energieverlust bei der Übertragung.
2. Begrenzte Versorgungsspannung
   Da weder Stecker (Berührschutz, Isolation) noch Kabel (Isolation) für höhere Spannungen ausgelegt sind, ist die Versorgungsspannung bei PoE im Bereich der Kleinspannung angesiedelt (<60V) und kann auch nicht darüber hinausgehen.

Aus diesen beiden Gründen ergibt sich (R=U/I ; P=U*I), dass die maximal übertragbare elektrische Leistung bei PoE begrenzt ist und somit nicht jede Geräteklasse mit elektrischer Energie versorgt werden kann (z.B. leistungsstarke AccessPoints, Heizlüfter, …). Es gibt jedoch sehr viele Geräte, bei denen es sehr attraktiv und auch möglich ist, PoE zu nutzen. Die bekanntesten Vertreter sind IP-Telefone und AccessPoints, es gibt jedoch auch beispielsweise Hutschienen-Rechner oder ThinClients, welche per PoE ihre Stromversorgung erhalten.

Einspeisung der Versorgungsspannung

Hier müssen zwei unterschiedliche Verfahren beachtet werden:

1. Einspeisung über freie Aderpaare – „Spare-Pairs Verfahren“ (Nur bei 10/100 MBit Ethernet 802.3 Clause 14 und 24)
   Da bei 10 bzw 100 Mbit nur die Aderpaare 1-2 und 3-6 verwendet werden, können die freien Aderpaare 4-5 und 7-8 für PoE genutzt werden.
2. Mitbenutzung von datenführenden Aderpaaren – „Panthomeinspeisung“  (Zwingend bei Gigabit Ethernet 802.3 Clause 40 bzw. 802.3ab)
   Wenn keine freien Aderpaare verfügbar sind (z.B. 4-Draht Verkabelung oder Gigabit Ethernet), kann die Versorgungsspannung auch auf die Aderpaare gelegt werden, welche zur Datenübertragung genutzt werden (also 1-2 und 3-6).
   Elektrisch gesehen ist dieser Vorgang relativ einfach und wurde schon in ISDN-Zeiten erfolgreich praktiziert.

PD müssen alle Verfahren beherrschen, dem PSE steht es frei, welche Verfahren es nutzen will (Ausnahme Gigabit Ethernet). Die gleichzeitige Nutzung beider Verfahren auf dem selben Port ist verboten.

PoE-Erkennung

Wenn Versorgungsspannungen einfach bedingungslos eingespeist werden, besteht ein sehr hohes Risiko der Zerstörung von nicht –  oder bedingt – PoE-geeigneten Geräten (klassische Telefone, Netzwerkkarten, die 4-5 und 7-8 einfach „irgendwohin“ verbunden haben, Geräte, die das „falsche“ Einspeiseverfahren nutzen) . Um dies zu verhindern wird, bevor die passende Versorgung aktiviert wird, eine Erkennung der Gegenstelle durchgeführt und somit ein Schutzmechanismus etabliert. Dies wird Resistive Power Directory genannt. Seitens des PD kommen ausschließlich passive Bauteile zum Einsatz. Die PSE prüft den Innenwiderstand des Verbrauchers. Ist er im Bereich von 19 und 26,5 kOhm und hat eine maximale Kapazität von 10 µF, kann eine PoE mit einer geringen Versorgungsmenge aktiviert werden und im Anschluss daran die jeweilige Leistungsklasse ermittelt werden.

Standards und Leistungsdaten

Es gibt zwei Standards für PoE: 802.3af (PoE) und den leistungserweiternden IEEE 802.3at (PoE+) .

Bei hohen Leistungen sollten mindestens Kabel vom Typ Cat5+ oder besser verwendet werden, da diese einen etwas geringeren Innenwiderstand besitzen.
Bei den Verbrauchswerten ist von einem Wirkungsgrad von ca. 85% auszugehen.

PoE – Umsetzung bei Juniper Networks (JunOS)

Geräte mit PoE

Juniper hat sowohl Switches (EX-Series) als auch Router bzw. Firewalls (SRX-Series) mit PoE im Angebot. Alle neuen EX-Switches beherrschen PoE+.

Designschema

Jedes PoE-fähige JunOS-Device besitzt einen oder mehrere PoE-Controller, die über ein sogenanntes PoE-Budget verfügen, welches dann auf die jeweiligen PoE-Ports aufgeteilt wird. Diese Aufteilung erfolgt entweder abhängig vom Realverbrauch (nach Klasse) des Gerätes (in der Regel das was man will) oder von der dem Gerät zugewiesenen Verbrauchsklasse (paranoid, aber beispielsweise bei Videoüberwachung sinnvoll).

Schutzmechanismen bei zu geringem Power-Budget:

1. Vermeidung von Oversubscription
   Es kann durch Einstellen der Managementklasse „static“ vermieden werden, dass eine Oversubscription stattfindet. Hier wird jeder Port mit einer PoE-Klasse versehen und auch wenn das Gerät nicht an ist, wird für dieses Power-Budget abgezogen.
2. Port-Priorität
   Interfaces kann eine Priorität (low oder high) zugeordnet werden und wenn die entsprechenden Budget erschöpft sind, werden zuerst die Low-Prio Ports nicht mehr mit Strom versorgt.
3. Port-Limitierung
   Weiterhin kann auch die maximale Leistungsabgabe auf jedem Port individuell eingestellt werden.
4. Gobales Guard-Band
   Um gegen kurzfristige Bedarfsspitzen geschützt zu sein, kann ein Teil des Budgets (0 bis 19 Watt) dafür reserviert werden.

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PoE-Controller anzeigen:

Status aller Interfaces anzeigen:

Details zu einem Interface anzeigen:

Langfristige Verbrauchsstatistiken:

Konfiguration

Da PoE auf allen JunOS-Geräten gleich zu konfigurieren ist, hänge ich hier die Config meines Core-Switches zuhause (EX2200) an. Diese Config ist vielleich nicht 100% Real World, zeigt aber trotzdem alle Features, die man in der Regel so benötigt.

Bei Fragen zur Konfiguration hinterlassen Sie bitte einen Kommentar oder kontaktieren uns direkt.

Quellen

Juniper PoE Übersichtsseite: http://www.juniper.net/techpubs/en_US/junos11.4/topics/concept/poe-overview.html

Juniper „Is PoE Functional“: http://kb.juniper.net/InfoCenter/index?page=content&id=KB11273

PoE im Elektronik Kompendium: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/net/0807021.htm

PoE  Sicherheitsmaßnahmen: http://www.powerguru.org/protecting-poe-equipment-from-overvoltage-and-overcurrent-damage/

Richard Müller

Richard Müller ist Geschäftsführer der Proact Deutschland GmbH. Den "kreativen" Umgang mit Computern und Datennetzen lernte er schon im Schulalter. Bis heute hat Richard eine Begeisterung für technisch brilliante Konzepte und Lösungsansätze in den Bereichen IT-Infrastruktur - hier vor allem alles rund ums Netzwerk.