Was ist PoE in Netzwerken: Standards, Leistung und praktische Anwendungen

Power over Ethernet (PoE) ist die geniale Idee, mit der ein einziges Netzwerkkabel Daten und Strom gleichzeitig übertragen kann. In der Praxis bedeutet dies weniger Kabelsalat, weniger Steckdosen an Decken und Wänden und vor allem eine deutlich schnellere Installation. Mit PoE verbindet und versorgt ein einziges Ethernet-Kabel IP-Kameras, WLAN-Zugangspunkte, VoIP-Telefone oder Sensoren mit Strom. ohne nach einer Steckdose in der Nähe suchen zu müssen.

Diese Technologie ist durch IEEE mit den Familien 802.3af (PoE), 802.3at (PoE+) und 802.3bt (PoE++ oder Hi-PoE) standardisiert, die sicherstellen, dass Geräte verschiedener Hersteller dieselbe Sprache sprechen und die Stromversorgung sicher aushandeln. Das Ergebnis ist ein saubereres, flexibleres und leichter zu erweiterndes Netzwerk., mit der „klassischen“ Ethernet-Beschränkung: 100 Meter pro Kabelabschnitt.

Was genau ist Power over Ethernet (PoE)?

PoE ist eine Netzwerkfunktion, die eine Standard-LAN-Infrastruktur mit Strom versorgt. Die Stromversorgung erfolgt über ein stromlieferndes Gerät (PSE, z. B. ein PoE-Switch oder -Injektor) und die Stromversorgung über ein stromversorgtes Gerät (PD, z. B. eine IP-Kamera, ein WLAN-AP oder ein VoIP-Telefon). Der Schlüssel liegt darin, dass Essen automatisch ausgehandelt wird: Wenn das Gerät nicht kompatibel ist, wird keine Spannung angelegt, um Schäden zu vermeiden.

Der Standard soll sicherstellen, dass die Stromversorgung weder den Datenverkehr beeinträchtigt noch die Netzwerkreichweite verringert. PoE erleichtert zudem den Einsatz zentraler USVs in Rechenzentren oder Racks: Bei einem Stromausfall funktionieren PoE-verbundene Geräte weiterhin weil sie dieselbe geschützte Quelle verwenden.

• Intelligente Stromversorgung: Die PSE erkennt das PD, verhandelt seine Leistungsklasse und ermöglicht das Remote-Herunterfahren oder Neustarten von Geräten über die Verwaltung (z. B. SNMP).
• Eine Installation, ein Kabel: Daten + Strom über dasselbe Kabel, ohne lokale Stecker und bei Installationen auf Dächern oder in Räumen ohne Steckdosen.
• Geringere Kosten und weniger Aufwand: : keine zusätzlichen Stromleitungen oder elektrischen Änderungen für jedes Gerät erforderlich.
• Kompatibilität mit vorhandener Ausrüstung: Es ist möglich, PoE-PDs mit Nicht-PoE-Geräten zu mischen. Nicht-PoE-Geräte empfangen lediglich Daten und das PSE legt keine Spannung an sie an.

IEEE-Standards: PoE, PoE+ und PoE++ (Hi‑PoE)

Die IEEE 802.3-Familie definiert Leistung und Kompatibilität. In groben Zahlen können Sie pro Port Folgendes erwarten: 802.3af (PoE) liefert 15,4 W am PSE und gewährleistet 12,95 W am PD; 802.3at (PoE+) geht bis zu 30W auf dem PSE, mit 25,5 W Minimum am Ende; und 802.3bt (PoE ++) fügt zwei Typen hinzu: Typ 3 (bis zu 60 W auf dem PSE, ~51 W nutzbar) und Typ 4 (bis zu 100 W auf dem PSE, ~71,3 W auf dem PD).

Die Kompatibilität ist abwärts gerichtet: Ein PoE+ PSE kann entweder PoE- oder PoE+-PDs mit Strom versorgen, und ein PoE++ PSE kann PDs der älteren Generation mit Strom versorgen. In der Praxis skalieren viele Switches das gesamte Port-Budget nicht auf einmal auf das Maximum, so Es ist ratsam, das Leistungsbudget auf Basis der tatsächlichen PD-Flotte zu berechnen um Überraschungen zu vermeiden.

• Typische Anwendungen mit PoE (af): VoIP-Telefone, feste IP-Kameras, Wi-Fi-Gateway-AP.
• Mit PoE+ (at): PTZ-Kameras, leistungsstarke Wi-Fi-APs, kleine Beschilderungstafeln, einfache Thin Clients.
• Mit PoE++ (bt): PoE-LED-Beleuchtung, anspruchsvolle Digital Signage, leistungsstärkere Thin Clients, Point-of-Sale-Terminals und Gebäudesteuerung.

Was die Leistungsklassen betrifft, sind PD und PSE so organisiert, dass eine Überfütterung vermieden wird. Die historischen Klassen von 0 bis 4 (af/at) Sie decken Reichweiten bis zu PoE+ als Richtwert ab; mit 802.3bt Klassen 5 bis 8 erscheinen für höhere Leistung (60 und 100 W). Klasse 0 wird verwendet, wenn der Hersteller keine Angabe macht, und das PSE behält die Leistung bei, als wäre es Klasse 3. Bei einigen modernen Switches können Sie ein manuelles Limit pro Port festlegen. um das Budget zu optimieren.

So funktioniert PoE im Inneren: Elektrische Phasen

Bevor ein PD mit Strom versorgt wird, durchläuft das PSE mehrere in 802.3 definierte Schritte. Die Erkennung prüft eine Widerstandssignatur auf dem PD (zwischen 15 und 33 kΩ) mit einer niedrigen Prüfspannung, um Schäden zu vermeiden. Wenn die Signatur vorhanden ist, klassifiziert die PSE das Gerät und entscheidet, wie viel Leistung reserviert werden soll. für diesen Port.

Sobald das PD aktiv ist, enthält es normalerweise einen DC/DC-Wandler (oft Buck-Typ), um diese nominalen 48 V auf Betriebsspannungen wie 12 V, 5 V oder 3,3 V. In 802.3af beträgt die Ausgangsleistung des PSE 15,4 W, aber aufgrund von Verlusten in der Verkabelung und Konvertierung Die garantierte Leistung im PD beträgt 12,95 W., im schlimmsten Fall typischerweise etwas weniger.

Lieferarten und Kabelpaare: A, B und 4 Paare

Bei 10/100 (zwei Datenpaare) kann PoE Strom auf zwei Arten übertragen. Modus A: überlagert den Gleichstrom auf die Datenpaare (Pins 1/2 und 3/6); Paar 1–2 fungiert als DC+ und Paar 3–6 fungiert als DC−. Modo B: Verwendet die freien Paare für die Stromversorgung (Pins 4/5 als DC+ und 7/8 als DC−), wobei 1/2 und 3/6 für Daten verwendet werden.

Bei Gigabit und höher (1000BASE‑T und höher) werden alle vier Paare für bidirektionale Daten verwendet, und Strom kann durch alle Paare fließen (4-Paar-PoE), wodurch Verluste reduziert und eine höhere Leistung (802.3bt) sowie Verbindungen von bis zu 10 Gbit/s ermöglicht werden.

Ein praktischer Hinweis: Die sog. passive PoE-Injektoren Preisgünstige Modelle verdrahten normalerweise DC+ auf 4/5 und DC− auf 7/8 ohne Erkennungs- oder Klassifizierungsprotokoll. Sie funktionieren in sehr kontrollierten Szenarien, aber Sie sind weder Standard noch sicher zum Mischen mit 802.3-Geräten; verwenden Sie sie nur, wenn Sie den genauen Modus kennen, den Ihre Geräte benötigen.

PSE und PD: Switches, Injektoren, Hubs, Splitter und Extender

Die Stromversorgungseinrichtung (PSE) kann ein PoE-Switch oder einen PoE-Midspan-InjektorZu den Powered Devices (PDs) gehören IP-Kameras, WLAN-APs, VoIP-Telefone, Sensoren, Thin Clients, Digital Signage und mehr. Wenn ein Gerät nicht PoE ist, kann es mit einem Splitter angepasst werden. das Daten und Strom mit der Spannung trennt, die das Gerät benötigt.

Verwalteter vs. nicht verwalteter PoE-SwitchNicht verwaltete Ports sind Plug-and-Play-fähig, leise und kostengünstig für einfache Implementierungen. Verwaltete Ports bieten VLANs, QoS, Port-Mirroring, Telnet/CLI und SNMP und ermöglichen die Konfiguration von Port-Prioritäten und Leistungsgrenzen. Einige Schalter verfügen über „Watchdog“-Funktionen (z. B. automatische VLAN-Erstellung für ONVIF-Kameras und Priorisierung ihres Datenverkehrs), die CCTV-Projekte rationalisieren.

Jeder PoE-Switch benötigt mindestens ein Uplink-Port zum Hauptnetzwerk (ein anderer Switch oder das Router), um die Topologie zu erweitern. Denken Sie daran, die Strombudget vom Fahrgestell: Nicht alle Modelle können an alle ihre Anschlüsse gleichzeitig die maximale Leistung liefern..

PoE-Injektor. Es befindet sich zwischen einem Nicht-PoE-Switch und dem PD und speist Strom in die Verbindung ein. Es ist ideal, wenn nur 1–2 PDs mit Strom versorgt werden müssen oder der Austausch des Switches nicht kosteneffizient ist. Wandeln Sie einen Datenport kostengünstig in einen PoE-Port um ohne die Infrastruktur neu zu gestalten.

PoE-HubEs handelt sich im Grunde um einen Block aus mehreren Injektoren in einem einzigen Gehäuse (z. B. 4 Dateneingänge und 4 gepaarte PoE-Ausgänge). Es ist kein Schalter: leitet keine Frames zwischen Ports weiter; seine Funktion besteht darin, Strom parallel in mehrere Ethernet-Kabel einzuspeisen.

PoE-Splitter. Nimmt PoE (Daten + Strom) und trennt es in einen Datenausgang und einen geregelten Gleichstromausgang (z. B. 12 V) zur Stromversorgung von Nicht-PoE-Geräten wie alte Kameras, Access Points, Router oder ein Raspberry PiEs eignet sich perfekt für die Modernisierung von Geräten, ohne alles zu ändern.

PoE-Extender. Sie ermöglichen es, die Standardgrenze von 100 m zu überschreiten. Je nach Modell können sie mehrere Sprünge aneinanderreihen (z. B. bis zu vier), um über 400 m abzudecken, und es gibt Lösungen, die Gesamtspannen von bis zu 1.200 m ankündigen. Einige Switches bieten eine Langstreckenmodus mit einem einfachen DIP, das sich bis zu ~200 m erstreckt, und PoE+-Extender die über 200–300 m lange Verbindungen mit ausreichenden Durchflussraten für die Überwachung verfügen.

Die wichtigsten Vorteile von PoE (und was Sie beachten sollten)

• Zeit und Geld sparen: ein einziges Kabel pro Gerät, keine Elektroarbeiten, weniger Leitungen und keine Notwendigkeit, Steckdosen an Decken oder im Außenbereich zu installieren.
• Verwaltung und Sicherheit: Das PSE erkennt PD, verhandelt die Stromversorgung und vermeidet die Stromversorgung von Nicht-PoE-Geräten. Die Spannung liegt bei Typ 3 unter 60 V und bei Typ 4 unter 90 V, was reduziert Risiken und Pipeline-Anforderungen im Vergleich zu herkömmlichem Wechselstrom.
• Zentralisierte USV: Durch die Stromversorgung aus dem Rack können Sie den PoE-Switch an eine USV anschließen und Kameras, WLAN oder VoIP rund um die Uhr aktiv halten. Die Zentralisierung vereinfacht die Wartung und erleichtert Remote-Neustarts von problematischer PD.
• Robustheit der Verkabelung: Das Twisted Pair ist in Kabelkanälen oder Leitungen versteckt, Erschwerung von Vandalismus auf den Stromleitungen (etwas, das bei Videoüberwachungsanlagen sehr geschätzt wird).
• Einschränkungen: Die Kupferstrecke ist standardmäßig immer noch auf 100 m begrenzt, Hochleistungs-PDs (z. B. ein anspruchsvoller PTZ) können bei 802.3af knapp sein und PoE+ oder PoE++ erfordern. Darüber hinaus gibt es zentralisiertes Risiko: Wenn der PoE-Switch ausfällt, fallen mehrere PDs gleichzeitig aus. Es entstehen auch höhere Kosten für Hardware PoE-Geräte im Vergleich zu Nicht-PoE-Geräten mit höheren Design- und Wartungsanforderungen.

Schließlich gab es in der Vergangenheit proprietäre Lösungen (UPOE, UltraPoE, 4PPoE usw.) über 30 W, die nicht immer interoperabel waren. Mit der Ratifizierung von IEEE 802.3bt Im Jahr 2018 wurde das Ökosystem angepasst: Größere standardisierte Leistung und weniger Kompatibilitätsprobleme.

Reichweite, Geschwindigkeit und Verkabelung: Worauf es wirklich ankommt

PoE ändert nichts an der goldenen Regel für Kupfer: Maximal 100 Meter pro Verbindung um eine zuverlässige Übertragung zu gewährleisten. Diese Einschränkung kommt vom Ethernet, nicht von der Stromversorgung. Bei größeren Entfernungen kommt es zu Spannungsabfällen; je nach Kontext, Dies wird durch PoE mit höherer Leistung kompensiert, Kabel mit größerem Querschnitt (höhere Kategorien) und/oder Verlängerungskabel; in der Hausinstallation können sie Antennensteckdosen nutzen um das Internet über Ethernet zu übertragen.

PoE arbeitet mit 10/100/1000 Mbit/s und kann mit 802.3bt mit Verbindungen von bis zu 10 Gbit/s koexistieren. In der Verkabelung dominieren sie derzeit Cat5e und Cat6/Cat6a in PoE-Installationen, obwohl Sie in sehr lauten Umgebungen oder für kurze, sehr schnelle Hauptleitungen auch Cat7 und Cat8 sehen werden.

Anwendungen, die am meisten von PoE profitieren

• Voice over IP (VoIP): Telefone ohne Netzteil, Strom und Daten über dasselbe Kabel und die Möglichkeit eines Remote-Neustarts, wenn sie „hängen“.
• Business-WLAN: Access Points in Zwischendecken oder schwer zugänglichen Bereichen, mit PoE+ für Hochleistungsmodelle. Weniger Kabel, schnellere Bereitstellung und Verkehrspriorisierung vom Schalter.
• IP-Videoüberwachung: Feste und PTZ-Kameras, die über PoE mit Strom versorgt werden, mit Schaltern, die automatisch eine Überwachungs-VLAN und ONVIF-Kameras erkennen, um ihren Datenverkehr zu isolieren und zu priorisieren. Weniger Leitungen, eine sauberere Installation und eine zentrale USV.
• PoE-Beleuchtung: LED-Leuchten, Treiber und Sensoren, die an einen PoE-Switch angeschlossen und per Software verwaltet werden. Leistung bis zu 100 W/Port mit 802.3bt öffnet die Tür zu dimmbare Beleuchtung, Anwesenheitssensoren und Szenarien Energieeffizienz.
• Digital Signage, Thin Clients und Kioske: Leichte, mit PoE++ betriebene Displays und Terminals reduzieren lokale Stromquellen und vereinfachen die Wartung, insbesondere in große Geschäfte, Campusse oder Hotels.

PoE-Beleuchtung: Komponenten und Vorteile

Ein typisches System umfasst PoE-Switches (PSE), LED-Leuchten, Controller, Bewegungs-/Lichtsensoren und die LAN-Verbindung für eine zentrale Verwaltung. Alles wird über eine Software gesteuert, mit Echtzeit-Telemetrie und Automatisierung basierend auf Belegung oder Umgebungslicht.

Schlüsselvorteile: Energieeffizienz und granulare Kontrolle (Szenen, Zeitpläne, Farbe, Intensität), Bereitstellung durch IT-Mitarbeiter ohne komplexe Elektroarbeiten, zentrale Wartung und verbesserter Sehkomfort. Dank der Bidirektionalität des Netzwerks die Installation „lernt“: Sammelt Nutzungsdaten, um unbesetzte Bereiche abzuschalten oder die Klimatisierung anzupassen.

PoE für Industrie und Außenbereich

In rauen Umgebungen (Fabriken, ITS, Umspannwerke, Raffinerien, Bergbau oder Marine) wird es verwendet „gehärtete“ industrielle PoE-Geräte, mit einem großen Temperaturbereich, Schutz vor Vibrationen und Störungen sowie hoher Verfügbarkeit. Viele verfügen über eine Fernverwaltung, um Reisen und passen mit SCADA-Systemen und IoT industriell.

• Anwendungen: Perimeterkameras, Sensoren und Controller, Links zu technischen Kabinen und Tunneln.
• Vorteil: Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen, reduzierte Ausfallzeiten und zentrale Wartung.

Kompatibilität, Konformität und „kompatible Geräte“

Nicht verwechseln IEEE-konforme Geräte mit „PoE-kompatibler“ Ausrüstung. Ein kompatibles PD muss sowohl Modus A als auch Modus B unterstützen; ein kompatibles PSE kann jedoch nur einen der Modi (A oder B) oder beide implementieren. „Kompatible“ Geräte entsprechen nicht dem Standard auf den Buchstaben genau und erfordern möglicherweise einen bestimmten Modus. Überprüfen Sie das Datenblatt sorgfältig, um Kombinationen zu vermeiden, die nicht funktionieren.

Ebenso wichtig ist die Unterscheidung zwischen Standard-PoE und passives PoE. Letzterer verhandelt nicht: Er sendet immer die gleiche Spannung an feste Pins (normalerweise 4/5 und 7/8). Er kann einige einfache 802.3af-PDs mit Strom versorgen, aber garantiert keinen Betrieb in 802.3at oder Sicherheit beim Mischen mit Standardgeräten.

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Holger

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