PoE技術原理和常見問題

本文介紹了PoE以太網供電的技術標準、技術細節、應用場景和常見問題，具體包括IEEE 802.3 af/at/bt標準定義、PoE功率等級劃分、PoE交換機和PoE供電AP在園區和家庭網絡中的典型應用等。

發布時間：2022-09-23
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1 概述

隨著大數據、云計算和5G技術的發展，在許多應用場景中，互聯網的接入終端對于供電的靈活性提出了更高的要求。例如在智慧樓宇應用中，隨著智能化與物聯網智能終端設施越來越多，新建樓宇的設備數量及其安裝位置很難提前準確確定，進而難以提前規劃供電；一些樓宇進行智能化改造時難以對其供電線路進行改造優化，就地供電成為棘手的問題。面對這一困局，依托網絡布線基礎進行數據信號傳遞和電力供給的以太網供電技術成為了行業內一致認可和行之有效的解法。那么，什么是以太網供電？它是怎么實現的？它有哪些優點？本文將一探究竟。

2 PoE簡介

PoE（Power over Ethernet）是以太網供電技術的英文簡寫，它能夠通過10BASE-T、100BASE-T和1000BASE-T以太網雙絞線傳輸直流電，實現為基于IP的終端傳輸信號的同時提供直流供電。雖然PoE供電方式不能提升網絡的質量和速度，但極大拓展了互聯網接入設備布置場景。PoE功能還帶來了其他許多優點，包括：

● 成本降低

直接通過網線提供電力，顯著減少安裝網絡設備所需電源插座的數量以及因此帶來的電力布線，可降低接入成本和部署成本。

● 靈活性

無需與電源插座相連，監控攝像頭、無線接入點和IP網絡電話等設備可以放置在任意理想的位置，并且移機方便，提升了部署靈活性。同時可以通過控制PoE供電設備遠程管理受電設備進行下電和重啟等操作，提升了管理靈活性。

● 安全性

使用符合標準的PoE供電能夠智能地保護網絡設備免受過載和供電不足的影響，也自然避免了電源安裝不正確所帶來的潛在風險。

● 易用性

PoE供電的有關標準向下兼容，符合標準的供電和受電端設備能夠自行協商參數，提供近乎于“即插即用”的體驗。

● 可靠性

PoE供電端可以通過不間斷電源（UPS）進行電源冗余備份，即使在主電源故障期間也可以保證連續運行。

2.1 術語解釋

PoE供電技術中常用的術語解釋如表2-1。

表2-1 術語解釋表

術語	名詞釋義
PoE（Power over Ethernet）	以太網供電技術。PoE設備指支持以太網供電功能的設備，如PoE交換機、PoE供電的WIFI AP等。
IEEE 802.3 af、IEEE 802.3 at、IEEE 802.3 bt	電子與電子工程師協會（IEEE）分別在2003年、2009年、2018年批準的PoE標準。
PSE（Power Sourcing Equipment）	可以通過以太網電纜為受電設備供電的電源控制器，即供電設備，如PoE交換機。
PD（Powered Device）	消耗功率或請求功率的設備，即受電設備，如要求PoE供電的監控攝像頭、無線AP等。
Active PoE	主動PoE，符合IEEE 802.3相關標準的PoE功能。
Passive PoE	被動PoE，不適用IEEE 802.3相關標準的PoE功能。
LLDP（Link Layer Discovery Protocol）	鏈路層發現協議，PD可以通過LLDP報文與PSE交互。

2.2 PoE供電原理

2.2.1 IEEE 802.3 af/at/bt標準

為了解決不同廠商生產PoE設備的兼容性問題，IEEE標準委員會在2003年6月發布了第一個針對PoE的標準——IEEE 802.3af標準。基于當時的需求以及技術水平，IEEE 802.3 af標準規定PSE設備每個端口僅需要支持輸出最高15.4W的電力。2009年，隨著對大功率PoE設備接入的需求，IEEE 802.3 at標準發布，將端口需要支持的電力輸出提升至25.5W。目前最新的標準是2018年發布的IEEE 802.3 bt，支持的最高電力輸出被提升至90W。表2-2匯總了這三個標準的主要參數信息。

表2-2 PoE標準技術參數對比

標準技術參數	IEEE 802.3 af	IEEE 802.3 at	IEEE 802.3 bt
分類	PoE	PoE+	PoE++或4PPoE
類型	Type 1	Type 2	Type 3	Type 4
PSE最大輸出功率	15.4W	30.0W	60W	90W
PSE輸出直流電壓范圍	44V~57V	44V~57V	44V~57V	52V~57V
PD最大輸入功率	12.95W	25.5W	51.0W	71.3W
PD輸入直流電壓范圍	36V~57V	42.5V~57V	39.9V~57V
最大傳輸電流	350mA	600mA	1730mA
雙絞線中供電電芯對數	2對	2對	4對
網線類型	Cat3及以上雙絞線	Cat5及以上雙絞線	Cat5及以上雙絞線

2.2.2 功率等級

圖2-1 IEEE 802.3 af/at/bt標準功率等級劃分

出于對安全性和節能性要求的考慮，IEEE 802.3 af/at/bt標準中除了定義了功率類型，還進一步細化了功率等級。不同標準，不同類型和不同功率等級間的對應關系如圖3-1所示。

2.2.3 PoE供電過程

PD設備通過網線連接到PSE設備后，PSE設備將與其開始進行供電參數協商，即“握手”。“握手”成功PSE才會開始供電。協商過程如下：

(1) 檢測PD

PSE設備在端口以2秒為周期輸出電流受限的小電壓，電壓范圍為2.7V~10.1V，用以檢測PD設備的存在。如果檢測到阻值在19kΩ~26.5kΩ范圍內的分級電阻，說明網線連接著支持IEEE 802.3 af/at/bt標準的PD設備。

(2) 功率分級

在供電正式啟動之前，PSE和PD雙方需要協商具體的供受電功率等級。功率等級劃分詳見3.2.2 功率等級。具體協商過程為：

a PSE首先對PD施加電壓脈沖，通過檢測鏈路上流過的電流，PSE將識別PD設備的功率類型是Type 1或者Type 2及以上。這一協商過程基于硬件實現。

b 如果識別PD功率類型是Type 1，那么將根據檢測電流自動識別功率等級屬于Class 0~3中哪一個等級，然后按對應等級的功率要求，直接進入供電啟動階段。

c 如果識別PD功率類型是Type 2及以上，PSE將會首先將輸出功率提升至Type 1最高支持的15.4W，然后啟動第二次功率分級。第二次功率分級可以是基于硬件的Two-Event協商方式，這時PSE將進一步輸出若干脈沖電壓確定PD所需的功率等級；或者是基于軟件的LLDP協商方式，這時PSE和PD之間的參數將會封裝在特定的以太網報文中進行傳遞和協商，詳見3.2.4 LLDP分級。支持IEEE 802.3at標準的PD設備必須同時支持這兩種功率分級方式，PSE設備只需支持其中一種即可。

(3) 供電啟動

功率分級完成后，PSE將從低電壓到高電壓向PD供電，直至到達48V，這一過程稱為軟啟動，時間一般在15微秒以內。

(4) 正常供電

電壓達到48V之后，PSE設備按照協商的功率等級為PD設備提供穩定可靠的48V直流電。

(5) 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，或電流激增時，PSE會主動斷開供電，并重復檢測過程。例如設備供電網線意外斷開或者遇到PD設備短路、功率過載等情況。

2.2.4 LLDP分級

IEEE 802.1ab定義了關于以太網供電的TLV（Type Length Value）報文：Power via MDI TLV。PSE設備和PD設備通過將Power via MDI TLV封裝在LLDP報文中，進行以太網供電能力的發現和通告。當PSE檢測到PD后，PSE和PD可以周期性地向對方發送包含該字段LLDP報文，以便及時對設備狀態變化做出相應調整。

例如，Class 4 Type2的PD設備插入支持LLDP分級的PSE設備以后，PSE設備默認識別PD設備為Type 1設備，并輸出最大15.4W的功率。在進行LLDP分級以后，PD設備可以被識別為Type2設備，如果PoE設備功率足夠，那么PD可以得到最大25.5W的功率。如果PoE設備已經無法分配更多的功率，那么PD設備會不斷的發送LLDP功率請求報文，請求功率分配。

LLDP報文結構和字段解釋如圖2-2和表2-3。

圖2-2 Power via MDI TLV報文示意圖

表2-3 Power via MDI TLV報文字段說明表

字段	說明
MDI Power Support	bit 0：端口類型。0表示PD端口，1表示PSE端口。
	bit 1：PSE MDI供電支持標志位。0表示不支持，1表示支持。
	bit 2：PSE MDI供電狀態標志位。0表示未啟動，1表示啟動。
	bit 3：PSE供電線對控制標志位。0表示線對選擇不可控，1表示線對選擇可控。
	bit 4~bit 7：預留位。
PSE Power Pair	供電對數（十進制）： 1：采用Alternative A模式供電，通過網線中1、2和3、6兩對線芯傳輸電力。 2：采用Alternative B模式供電，通過網線中4、5和7、8兩對線芯傳輸電力。其余值未定義。
Power Class	供電等級表示位，根據RFC 3621中關于PSE端口功率等級的定義，取值如下（十進制）： 1：Class 0，對應參考功率是15.4W 2：Class 1，對應參考功率是4W 3：Class 2，對應參考功率是7W 4：Class 3，對應參考功率是15.4W 5：Class 4，對應參考功率是30W 其余值未定義。

3 典型應用場景

3.1 園區網絡

圖3-1 園區網絡AC+AP無線網絡拓撲圖

在大型園區網絡中，PoE交換機為園區網絡的部署提供了便利和更多可能性。通過在網絡接入層增加PoE交換機，可以靈活地在園區架設AP，在實現信號的最佳覆蓋的同時無需考慮額外供電問題；核心交換機旁掛AC實現對AP的集中配置下發和管理，提高了無線網絡部署的靈活性和可拓展性。同時，其他業務如監控系統、門禁系統和IP電話系統等，也能夠通過PoE交換機接入，使得各個網絡系統實現供電和管理運維的統一，大大節省了部署和管理成本。通過將PoE交換機接入UPS還可以進一步保證斷電情況下監控攝像頭、門禁等安全系統的正常運作，提升園區網絡的可靠性和安全性。

3.2 家庭網絡

圖3-2 家庭全屋WiFi網絡拓撲

在家庭網絡中，PoE技術也逐漸得到應用。例如通過在家庭弱電箱部署PoE多功能網關，可以實現面板AP或者吸頂AP的靈活部署，不再受到設備供電條件的約束，實現信號覆蓋無死角的同時更加美觀。家庭PoE網關通常內置AC功能，通過簡單配置即可實現全屋WiFi無縫漫游，相比傳統多臺路由器Mesh組網的實現方式，不僅能做到“無明線”的優雅布局，同時保證了無線網絡的質量。因此，PoE供電方式的網關+AP方案也逐漸成為家庭網絡鋪設和改造的熱門方案。

4 常見問題

4.1 什么是Active PoE和Passive PoE？

根據PoE設備是否符合IEEE 802.3相關標準以及PoE供電原理，可以將PoE劃分為Active PoE和Passive PoE。

● Active PoE

由于符合IEEE 802.3相關標準規范，通過雙絞線相連的PSE和PD設備無需特別注意電壓、功率匹配的問題，PSE和PD設備會進行一系列的通信協商，通常也被稱為“握手”。只有PSE和PD設備雙方對有關參數達成一致并“握手”成功，正式供電才會開始。硬件級別的PoE控制芯片會負責判斷過程中PD是否符合標準。以銳捷千兆以太網全光網絡入室PoE交換機RG-SF2920-16GT2SFP-P為例，軟件層面通常可以通過CLI來開啟或關閉PoE端口的供電、查看設備PoE的供電情況、設置供電模式和功率告警水線等，硬件層面PoE芯片能夠識別在PoE口接入非PoE受電設備并自動關閉電力供給，防止接入設備被擊穿。因此，Active PoE具有更高的安全性。

● Passive Poe

也被稱為非標準PoE，即不符合IEEE 802.3相關標準，這類PoE設備沒有檢測和“握手”過程、沒有專門PoE控制芯片，因此無論通過雙絞線連接的終端是否支持和需要PoE供電，都將會直接輸出固定電壓值的直流電，可能造成端口損壞甚至設備擊穿等故障。

4.2 PoE設備是否安全？

根據PoE供電原理，只要是符合IEEE 802.3 af/at/bt標準的PoE功能都是安全的。以PoE交換機為例，即使在設備開啟PoE功能時接入非PoE設備，也不會對其造成損壞。正如上文所述，在網線連接后、電力傳輸正式開始以前，PSE和PD之間會進行“握手”來確定功率等級等參數。這一過程使用較低的電壓進行信號傳遞。“握手”成功后，PSE才會按照協商一致的參數輸出PD需要的電力，否則將不會傳輸電力。由于這一過程在IEEE 802.3 af/at/bt中明確定義，因此符合這些標準的PoE供電方式是安全可靠的。銳捷PoE設備支持設置功率告警水線等PoE監測告警功能，能夠實時監控設備供電情況，進一步提供了安全保障。

4.3 用于PoE設備間連接的雙絞線一定要是純銅的嗎？

不一定。理論上只要是能夠保證數據通信的網線，都能夠直接在PoE設備上使用，但是推薦用純銅網線連接供、受電設備。目前除了純銅網線外，常見的還有銅包鋁網線。出于成本考慮，銅包鋁網線的內芯為鋁金屬制成，外層包覆銅金屬。同樣以100米為例，純銅網線的內阻大約是20歐姆，而銅包鋁網線內阻大約為28歐姆，增加了40%。同時由于網線內包含兩種金屬，在長期潮濕環境下，銅包鋁網線容易發生氧化。因此在PoE設備間使用銅包鋁網線連接會帶來更大的傳輸損耗和更高的溫升，不利于設備長期穩定運行。

4.4 PoE是否會影響網速？

以太網信號是差分信號，PoE通過在2對或4對差分信號線對上加載電力，不改變線對上電平信號的差值，因此供電和通信二者互不影響。

4.5 怎么確定需要多大功率的PoE供電設備？

以PoE交換機為例，交換機的PoE端口輸出總功率是有限的。通常根據PoE交換機的供電輸出總功率、受電設備需要的額定功率和需要的端口數量來選型。多種功率需求的PD設備接入，需要提前確定好PoE交換機的供電輸出總功率能夠大于所有接入PD設備輸入總功率，以及PoE交換機是否支持相應功率等級的標準。

以滿足802.3at標準、8口總輸出功率為130W的PoE交換機為例，根據802.3 af標準，PSE設備單口最大輸出功率為15.4W，那么該設備可以滿足8口全部接上802.3 af標準PD設備的需求。根據802.3 at標準，PSE設備需要單口輸出最高30W的功率，所以該設備最多只能接入4個需要30W供電的802.3 at設備。因此選型時除了要注意標準兼容性和接口數量外，還需特別關注PoE供電設備整機輸出總功率是否滿足需求，避免出現由于設備整機帶載能力不足導致標準兼容但是供電功率不足的問題。

4.6 PoE交換機可以當作普通交換機使用嗎？普通交換機可以軟件升級獲得PoE功能嗎？

根據PoE供電原理，符合標準的PoE交換機，即Active PoE交換機，是能夠識別接入設備是否需要供電的，并且通常能夠通過軟件禁用PoE功能，因此是能夠當作非PoE交換機使用的。非標準PoE交換機，即Passive PoE交換機，通常端口會輸出恒定功率的直流電壓，接入非PoE設備可能有損壞設備的風險，因此此類交換機不建議應用在非PoE場景。

PoE功能需要依賴硬件功能實現，因此交換機的PoE功能無法通過軟件版本升級獲得。對于非PoE交換機需要接入PoE設備的應用場景，在設備和交換機之間跨接PoE注入器（PoE Injectors）是一種可行的過渡方案。PoE Injectors需要獨立的電源供電，入接口通過網線接入非PoE交換機，即可在出接口輸出疊加一定功率電力的數據信號，使非PoE設備實現通信和電力供給的功能。

圖4-1 以太網供電電源典型拓撲示意圖