思科以太网供电技术原理及其应用介绍

 

作者：vlan9.com 来源:vlan9.com (2007-03-16 14:15:07)

　　简介

　　　

　　随着网络已发展成为企业和中小型厂商一个不可分割的部分，大量的新应用推动着新设备不断涌入网络基础设施。近年来，这些产品中最重要的，也许莫过于 2000年首度推出的基于IP电话的新型客户机。这是基于用户的非桌面工作站或服务器设备首次通过以太网，连接至交换基础设施。IP电话的出现带来了新需求：向终端设备供电，特别地，在LAN集线器和交换技术领域，此需求达到了空前程度。思科系统公司率先革新了向终端设备(此处的思科IP电话)供电的能力，并开始与IEEE中的其他众多厂商合作，创建一种从以太网交换端口供电的标准方式。此功能已被IEEE 802.3af委员会批准，现正得到广泛采用。

　　思科为整个Cisco Catalyst智能交换系列提供了IEEE 802.3af兼容型以太网供电(PoE)解决方案，从而继续推动了技术创新标准化的进程。通过扩展其PoE支持，思科将Cisco Catalyst智能交换功能与集成电源供应相结合，提高了在支持新服务和应用方面的灵活性及实用性，从而使用户可获得更高灵活性及移动性。

　　PoE过去一般运用于两种应用中：IP电话和802.11无线网络。随着企业日益希望削减成本和提高效率，当前的网络经理需要实施新应用，以扩展网络基础设施的“实用性”。尽管目前除IP电话和无线接入点外，使用PoE的设备数还很有限，IEEE 802.3af标准的完成和批准加速了此功能在LAN 基础设施和众多上电设备厂商的产品计划中的部署需求。为说明在这一领域中业界兴趣的多样性，Gibson吉他公司推出了一款非常有趣而又有些令人出乎预料的应用——支持PoE的电子吉他。

　　许多更实际的应用正不断涌现，如视频监视、集成建筑物管理解决方案和远程视频服务亭等，都将受益于PoE的应用。随着这些乃至更多应用相继面世，网络基础设施将不仅需要容纳几年前部署的PoE设备，而且还应包括它们所支持的全新PoE设备和应用。

　　虽然目前也许不需要这些应用，但是部署可供电基础设施可支持未来的PoE应用需求，因而提供了投资保护。随着公司设备购买和淘汰周期从3-4年拉长到 5-7年，让网络提前作好准备，意味着网络管理员能够快速推出目前还无法预见的应用。当前大量部署PoE的优势包括以下几个方面：

　　简便性——第5类数据级电缆是在园区和分支机构的供电室及办公室中广泛部署的数据和语音布线。PoE通过单一电缆，不仅提供了网络连接，也提供了设备需要的电源。这意味着在终端工作站，设备经理无需为给更多的设备供电而添加成本更高的交流电。就思科IP电话而言，电话可插入连接交换机的数据插孔，而用户PC则连接到IP电话。因而，简化了电缆管理和不间断电源(UPS)的备份要求，以及IP电话提供。

　　移动性——低压以太网供电设备无需交流电布线，因此移动十分方便，不仅降低了成本，而且极大地减少了业务中断。无论何处存在以太网连接，都可以方便地部署以太网供电设备。另外，PoE可以加速无线接入点部署，这是因为过去通常端接于天花板通风层的电源，现在只需通过低成本的以太网电缆就可以提供了。这为用户提供了更为出色的服务，目前用户已可以通过无线和有线网络访问网络资源。

　　运行永续性和方便部署——集中供电解决方案简化了配电，并支持集中UPS部署，从而极大地减少了业务中断。如果可由以太网电缆供电的设备连接到了建筑物供电系统，则不可能实现这一目标。(请设想因建筑物电源故障而中断电话网络的情况)。如前所述，由于无需本地交流电源支持终端设备，如IP电话、无线接入点和摄像机，因此即使扩展这些设备的部署，也不会增加本地交流插座和相关布线开支。

　　充分利用投资——视频监视、远程视频服务亭和智能建筑物管理解决方案等新应用可以充分利用以太网连接来获得供电和网络连接。

　　什么是以太网供电？

　　PoE是指LAN交换基础设施通过以太网铜缆向终端供电的能力。这种通常称之为“馈线电源”的能力首先由思科公司于2000年开发，用于支持新兴的 IP解决方案。如同支持标准桌面用户交换机(PBX)的电话一样，IP电话也需要48V电源，这可通过两种途径实现：将电话插入插座，或通过网络电缆为电话供电。之所以选择后者，是因为这样电话电源故障的几率较低。所有Cisco Catalyst LAN交换机都支持馈线电源和 IEEE 802.3af PoE原始专有技术。

　　PoE规格是针对两种设备制订：电源设备(PSE)和上电设备(PD)。挡Cisco Catalyst交换机配备支持PoE的线卡时，它可作为 PSE，向终端设备、即上电设备提供电源。上电设备可以是许多不同设备，包括IP电话和无线接入点。本文后面部分将介绍和讨论其他上电设备。

　　　

　　此标准也支持另一种运行模式。因为目前许多交换机不支持802.3af或任意类型的馈线电源，上电设备必须支持中程PSE。此设备位于LAN交换机和上电设备之间，通过以太网电缆向上电设备供电。应注意这两种机制间的差别：如果Cisco Catalyst交换机是PSE设备，电量和数据在相同的以太网电缆对(引脚1、2和3、6)上传输(此功能有时被称为 “幻象电源”)。如使用Cisco Catalyst馈线电源插线板等中程PSE，则通过未使用的电缆对(引脚4、5和7、8)供电。

　　802.3af标准提供了五种设备可能属于的电源等级。PSE厂商不必实施所有等级，可选择支持最高15.4W。如厂商选择不使用电源管理，就可能要求设备经理大量投资于更多资源以提供PoE。还应记住的一点是，即便上电设备可能支持IEEE 802.3af-2003电源分类，但PSE可能并不支持，15.4W供电是通用标准。

　　思科支持802.3af标准中的功能及自己独有的智能电源管理(IPM)。Cisco IPM在使用Cisco Catalyst交换机电源方面提供了优于其他PSE的效率。当一个上电设备插入PSE时，交换机端口必须首先检测所连设备是否需要供电。很明显，如果终端设备是工作站，沿电缆供电会对其造成损害。因此，交换机必须首先通过不同电缆对发送一个低电压直流脉冲，以了解此设备是否需要电源。如另一端是一个有效的上电设备，PSE将看到两个电缆对间的阻抗，由此知道它可向此设备供电。

　　以太网供电技术的应用

　　融合以前仅限于在数据基础设施上集成语音，实际上是将多个并行网络移动到统一基础设施上。IP网络过去仅用于客户-服务器环境，现在企业对它的依赖性大大增加了。术语“融合”曾只表示在同一网络上传输语音和数据，现在则包括无线、建筑物安全、视频和使用基于IP的以太网的更多应用。尽管PoE的推出是在支持融合方面迈出了重要的第一步，向应用和通信系统提供服务还必须利用独有的思科智能交换功能。

　　IP电话

　　现在PoE一般用于融合的两个关键元素：无线接入和IP电话。2000年，思科为加速普通网络上IP数据和语音的融合而对PoE进行了创新。使用以太网电缆为桌面IP电话供电使网络经理无需再使用外部电源；此外，它确保了电源的集中冗余性和电源管理。也就是说，桌面用户不会发生电话因偶发事件断电的情况。

　　在线端向电话供电仅是Cisco Catalyst交换基础设施用于实施通信服务的一个部分。基于IP电话的通信服务对网络有特殊要求，即网络必须可用且能保护对延迟和抖动有特定需求的语音流量。Cisco Catalyst智能交换通过满足这些期望而实现了出色通信服务。

　　可用性和永续性是Cisco Catalyst交换机通过在产品和协议级别提供功能而满足的关键要求。每个基于Cisco Catalyst机箱的交换机均提供路由处理器冗余性(RPR)，确保监督引擎故障转换能迅速进行。思科提供了专用以实现可用性的功能丰富的协议套件，包括生成树协议、缺省网关冗余性和业界领先的Cisco IOS路由协议。这些特性的结合使网络能在毫秒至不到五秒的范围内融合。

　　为保护延迟和抖动，Cisco Catalyst交换机提供了众多的服务质量(QoS)机制。QoS不只是每端口队列数量，它还与使用网络经理创建的架构和策略对流量分类的智能机制相关。这确保了所有流量可根据此策略分类并获得各种服务级别。因此语音流量能在网络中得到所需的严格优先级。

　　无线LAN

　　2002年和2003年出现了一个PoE的新应用，这就是为无线接入点供电。无线连接一直是向用户提供网络服务的关键所在，确保用户无论位于园区网的何处都能持续接入网络和资源。然而网络经理一直面对着如何向位于天花板通风层的设备供电的实际问题。PoE可通过标准以太网电缆为设备供电，此电缆已安置在天花板中以连接用户桌面，从而可有效解决这个问题。这为网络和设备经理节约了在一般来说较难供电之处安装电源的成本。

　　接入点的供电支持用户到网络的基本连接，以便用户可以访问网络资源和应用。但为客户提供的服务必须确保既能满足客户的期望又可达到网络经理“安全”提供服务的要求。

　　无线网络在本质上是不安全的，而且网络中常未实施保护这些设备的基本机制，在网络安全性方面形成了一个可被利用的“漏洞”。思科智能交换提供了众多功能来满足此用户安全服务的要求。Cisco IPM可发现端口并向其供电。当与此端口相连的设备在线，或无线用户与此设备进而与网络相关联，思科身份管理功能会使用IEEE 802.1x将用户的登陆与RADIUS服务器进行比较，以验证用户对网络的接入。如用户得到许可，则用户会被放置到正确的VLAN 中；如用户未得到许可，就可拒绝该用户的接入或将其隔离到“访客VLAN”中。

　　IP视频监视

　　PoE正在突破无线和电话的“传统”应用，开始在IP网络上的视频监视领域迅速部署，这也是一种相对较新的技术。传统视频安全系统一般是闭路电视(CCTV)系统，使用数据网络的独立布线基础设施，一般无系统冗余。数字视频录像机(DVR)的推出使混合CCTV/IP网络的发展又推进了一步，在其中模拟摄像机连接到DVR，后者将图象数字化以便在IP网络上传输。此发展过程的最后一个阶段是自己部署IP视频摄像机，此时PoE可起到重要作用。

　　市场上已有的IP视频摄像机用802.3af供电。因为现在无需从外部向摄像机提供交流电或安装独立的电缆基础设施，可向园区、分支机构或零售店部署更多摄像机。这使安全部门能更好地跟踪员工和客户，以防止物品丢失和进行效率分析。

　　因为视频监视，以及建筑物安全机制对企业运行非常关键，思科智能交换变得十分重要。首要的要素之一就是交换机本身的可用性，这样电源故障才不会影响企业安全性。双电源或冗余电源系统及冗余监督引擎确保交换机在发生故障事件时仍保持运行。早先讨论的可用性协议保证在某一链路或设备发生故障时能快速融合，提供不间断视频监视。可启动QoS来保护视频流的质量和完整性，视频流一般会进行存储以用于日后分析。最后，网络中内置的安全功能可以防止未授权接入、拒绝访问攻击或中间人攻击。

　　建筑物管理

　　PoE的新兴应用之一是建筑物管理。这是一个IP LAN基础设施涉足的新领域，这是因为过去网络经理和设备经理的兴趣截然不同的缘故。但是，随着网络对于企业的实用性逐渐增加，部分建筑物管理功能的融合带来了更大利益。基于IP的视频监视是建筑物管理领域第一个通往以太网的应用。磁卡读卡器即是实例之一，它可通过以太网电缆供电，从而能出于安全或保护的目的对人员进行跟踪。它反过来可与IP视频监视系统连接，验证使用门进卡ID的人员是否是合法使用该ID的人员。这些系统随后可与网络使用的RADIUS服务器连接，验证接入网络的用户的身份，确保他们是授权用户。在线系统和数据库与建筑物安全系统的连接可通过多个并行网络的融合实现。

　　零售视频服务亭

　　许多零售公司发现了在店内外向其客户宣传的新方式。向放置在店外的显示屏播放视频是一个直接向客户提供信息的明确方式。从基础设施的角度来说，这类部署的主要挑战一直是如何为更多地点供电——这是个成本高昂的需求。一些厂商现正寻找支持PoE的显示屏。这些显示屏从LAN交换机和视频分布网络接受供电和视频流，使得这些系统能快速且经济有效地部署。

　　思科以太网供电引领业界

　　思科是率先革新PoE的公司，并通过向整个Cisco Catalyst智能交换机系列提供802.3af兼容PoE解决方案，来推动该技术的标准化进程。思科为Cisco Catalyst 6500系列、4500系列和3750系列提供802.3af兼容PoE，并推出了 Cisco Catalyst 3560固定配置PoE交换机。思科提供的基于标准的PoE交换机已实现了1600多万上电以太网端口的安装，允许客户扩展其网络以支持新的以太网供电设备。Cisco Catalyst 10/100/1000和10/100 PoE解决方案实现了新设备到网络的连接，进一步增强了Cisco Catalyst系列的价值，且这些解决方案可从单一有线连接获得网络连通性和供电。

　　PoE和千兆位以太网

　　思科提供10/100和10/100/1000 PoE端口，使网络管理员可利用更高带宽的连接，从而实现更为优化的网络和用户效率。部署带PoE功能的千兆位以太网端口可带来最大投资回报，实现无需升级的移植功能，并为机构提供降低网络总体拥有成本的能力，且能通过缩减投资开支、简化管理及降低运行成本来从LAN基础设施中获得更大收益。

　　思科是第一个提供具802.3af PoE功能的高密度10/100/1000端口的厂商。Cisco Catalyst 6500和4500系列提供了48端口10/100/1000模块，支持全模块密度的标准PoE供应。通过将PoE功能集成到10/100/1000端口中，客户可获益于更高带宽以及针对新网络连接设备的电源支持。尽管目前许多上电设备不采用千兆位以太网连接，部署带PoE的10/100/1000仍提供了最高程度的投资保护，无需更换LAN交换硬件即可透明地支持未来的10/100/1000设备。

　　智能电源管理

　　Cisco Catalyst智能交换机不仅支持IEEE可选电量分类特性的全面实施，它们也进一步凭借Cisco IPM扩展了这些功能。 Cisco IPM能可扩展地、智能地管理交换机中所有PoE端口的供电。它实现了对每个PoE端口的细化供电控制，允许预留电量、更精确地分配电量、管理电量过使用和划分电源优先级，由此将对墙壁电源的需求降至最低，并在每端口基础上实现最高电源利用率，从而扩展了PoE部署的可管理性。

　　为达到经济有效地提供PoE的要求，Cisco Catalyst交换机支持IPM，其中上电设备和PSE协商各自的功能，来明确管理每设备需要的电量和支持PSE的交换机如何管理对各上电设备的电量分配。许多、甚或大多数设备不需要802.3af标准所要求的全部15.4W。思科在 Cisco Catalyst交换机、思科IP电话和思科无线接入点上使用思科发现协议，来交流此设备上所需的电量。在缺省情况下，思科向上电设备提供 7W功率，除非上电设备通过思科发现协议“要求”PSE提供更多电量。这使设备经理能更加稳妥地为安装了PSE的布线室进行电源规划。

　　Cisco IPM使用思科发现协议来更好地管理设备和进行更精确的每端口电量管理。对思科发现协议的支持保持了与已安装的思科设备间的向后兼容性，并提供了对于PoE供应的更精确控制。这使网络和设备经理能预先分配电量，提供可管理电量过使用，以便部署在备用状态下需较低功率的更多设备。此外，如果交换机电源系统过使用，需保持电量的特定端口可进行电量预留，确保关键的终端设备(如门进卡等)能获得持续电量。

　　投资保护

　　许多计划实施新网络的客户，即使今天尚未考虑融合的问题，也希望他们的基础设施能够支持数据、语音和视频网络。投资保护将是人们主要关心的一个问题，这不仅涉及已经购置的联网设备，还包括未来的部署。

　　思科继续致力于不断完善设计的承诺，提供出色的投资保护，通过尽可能地“采用”向前—向后兼容性，使客户从基础设施投资中获得最大的收益。 Cisco Catalyst 6500、4500和3560系列交换机在设计上就包括了对PoE的支持。每个模块化平台都支持基于标准的新PoE线路卡，使客户的基础设施投资能够获得更长久的部署寿命。通过提供可现场升级的10/100和10/100/1000线路卡，以允许客户在需要时添加PoE功能，以及降低初始投资开支、支持随发展付费模式，Cisco Catalyst 6500系列提供了更充分的优势。

　　Cisco Catalyst 6500和4500系列基于机箱的交换机，以及Cisco Catalyst 3750和5360 PoE固定配置交换机的全新802.3af PoE线路卡都支持思科预标准PoE和802.3af PoE供电。另外，未来的上电思科终端设备，如IP电话和无线接入点，都将支持初始的思科部署和802.3af标准，允许客户随时随地获取已安装的预标准PoE(馈线电源)线路卡的优势。这确保了与客户当前安装产品，以及未来设备的兼容性。必须注意的是，一些思科或其他供应商的未来上电设备可能会需要高于思科预标准PoE产品所提供的电量，因此，需要由 802.3af PoE接口所提供的更高电量输出。

　　已部署IP电话等思科上电终端设备的客户不需要升级至新型802.3af PoE端口。思科机箱产品可在同一机箱中同时支持思科馈线电源实施和802.3af PoE模块。

　　思科在Cisco Catalyst 3500XL、Catalyst 4000、Catalyst 4500和Catalyst 6500系列以太网交换机上已售出1600多万馈线PoE端口。这一创新在业内迅速得到认可，IEEE已着手实施PoE标准化，以确保多厂商互操作性。如同其他思科创新一样，思科支持IEEE802.3af标准和思科馈线电源，因而提供了智能供电管理扩展和投资保护。

　　可扩展性和扩展能力

　　思科通过实现高密度PoE端口的同步部署和支持，提供了一个高度可扩展的解决方案。Cisco Catalyst智能交换机在构建时就考虑到了 PoE，所以，它拥有固定的电源系统和功能，以支持802.3af PoE端口的同步运营，许多情况下达到了机箱端口密度。 Cisco Catalyst IPM通过支持设备和网络经理在管理每端口供电方面拥有更精确的控制权，承受更高的过使用水平，并将布线室供电需求降至最低限度，从而提供了进一步的优势。

　　此外，PoE与Cisco Catalyst智能交换功能相结合，拓宽了部署选项和交换基础设施的价值，因而可以支持高级应用部署和新型网络设备。Cisco Catalyst交换机的固有智能性确保了可用性、精确的流量控制和集成安全性，使全新供电应用获益。

　　总结

　　通过将Cisco Catalyst智能交换功能与集成供电相结合，思科扩展了PoE(馈线电源)支持，为用户提供了更强的灵活性和移动性。这提高了在支持新服务和新应用方面的网络灵活性和实用性。思科提供了10/100和10/100/1000两种PoE端口，为使用更高带宽的连接提供了支持，从而实现了更出色的网络优化和用户生产效率。部署带PoE功能的10/100/1000千兆位以太网端口，可实现最大限度的投资保护，支持免升级移植和降低网络总拥有成本，因而，通过降低成本开支、简化管理和降低运行成本，使用LAN基础设施可以为客户创造更理想的收益。