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Power over Ethernet wird besonders genutzt, wenn keine Steckdose vor Ort verfügbar ist, wie bei einem erhöht montierten WLAN Access Point. Bild: Siemens
Storm- und Datenleitung

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Power over Ethernet effizient eingesetzt

Text: Anja Adling, Siemens
Geräte wie IP-Telefone, IP-Kameras, Codelesegeräte oder WLAN Access Points können dank Power over Ethernet (PoE) über die Datenleitung mit Strom versorgt werden. Was einfach klingt, zeigt in der Praxis aber manche Tücke, wenn Aufbau und Betrieb möglichst ressourcenschonend gestaltet werden sollen.

Da Hersteller speisende und verbrauchende Power-over-Ethernet-Geräte (PoE) nicht immer gleichzeitig anbieten, ist eine Definition, die von allen eingehalten wird, von großer Wichtigkeit. Im Standard IEEE 802.3at-2009 für Power over Ethernet ist eine herstellerübergreifende Vorgehensweise beschrieben, die für die Kompatibilität mit Geräten eines anderen Herstellers sorgt. Ein Gerät, das mit Leistung versorgt wird, ist ein PD (Powered Device). Ein speisendes Gerät ist ein PSE (Power Sourcing Equipment).

Die Herausforderung in der Praxis ist, die Ressourcen effizient einzusetzen. Das beginnt mit der Dimensionierung der Spannungsversorgung und endet mit der benötigten Anzahl von PoE-fähigen Ports am Switch. In den meisten Fällen bleibt allerdings vorhandene Leistung ungenutzt. Es gibt im Standard zwei Verfahren, wie der Leistungsbedarf vom PD an das PSE gemeldet wird, um diese Leistung zu allokieren. Elektrische Energie wird erst dann übertragen, wenn sich das PD erfolgreich als Verbraucher angemeldet hat.

Leistungsklassen vereinfachen das Konfigurieren

Das erste Verfahren führt nur über die unterste physikalische Ebene. Diese Vorgehensweise entspricht dem älteren Standard IEEE803.2af und wird im aktuellen Standard IEEE 802.3at als Type 1 bezeichnet. Viele Geräte auf dem Markt unterstützen lediglich diesen Typ. Für die Verbraucher (PDs) sind fünf Leistungsklassen definiert: 0, 1, 2, 3 und 4. Da die Klasse 0 den Werten der Klasse 3 entspricht, ist auch häufig nur von vier verschiedenen Leistungsklassen die Rede. Klasse 4 muss als Gerät nach IEEE 802.3at Type 2 unterstützt werden.

Das PD ordnet sich beim Verbinden mit dem PSE anhand von Widerstandswerten, die vom PSE gemessen werden, einer der Leistungsklassen zu. Passt ein Gerät in eine Leistungsklasse nicht mehr hinein, muss es sich als Gerät der nächsthöheren Klasse melden. Vor allem die Klassen 3 (6,49 W bis 13 W) und 4 (13 W bis 25,5 W) umfassen vergleichsweise weite Bereiche, so dass ungenutzte Leistung reserviert werden muss und keinem anderen PD zur Verfügung stehen kann.

Optimierung durch Leistungsbedarfsmeldung

Das zweite Verfahren ist die Leistungsbedarfsmeldung über die Sicherungsschicht – Schicht 2 des OSI-Schichtenmodells. Das PD teilt dem PSE über LLDP (Link Layer Discovery Protocol) mit, welche Leistung es benötigt. Dieses Verfahren ist über die definierten Leistungsklassen hinaus viel feingranularer. Normalerweise reservieren die angeschlossenen PDs die Maximalleistung, die sie unter Volllast benötigen. Wird diese Leistung vom Verbrauchergerät aber nicht genutzt, weil Geräte selten permanent im Höchstbetrieb laufen, steht sie nach starrem Schema auch keinem anderen Verbraucher zur Verfügung.

Indem über die Erstanmeldung hinaus aktuelle Bedarfswerte vom PD zum PSE übertragen werden können, ist dieses Verfahren dem der Leistungsklassen überlegen. Dank der Feingranularität und der dynamischen Bedarfsmeldung können so bei gleicher zur Verfügung stehender Gesamtleistung mehr PoE-Verbraucher an einem Switch betrieben werden, als wenn jeder statisch den Maximalverbrauch für sich reserviert. Dieses Verfahren ist jedoch nicht auf Geräte aus der Altwelt (IEEE 802.3af) anwendbar. Erst ein PD nach IEEE 802.3at Type 2 muss die Klassifizierung per LLDP und per Leistungsklassen unterstützen, ein PSE dagegen nur eines von beiden Verfahren. Damit ist sichergestellt, dass jedes PSE grundsätzlich mit jedem PD funktionieren kann.

Power-Management für den Extremfall

Das PoE-Power-Management beinhaltet noch mehr. Sollten zu einem Zeitpunkt die angeschlossenen PDs in Summe mehr Leistung benötigen als zur Verfügung steht, muss eine Priorisierung greifen. Drei Stufen – critical, high und low – sind für diesen Fall vorgesehen. Der Standard schreibt vor, dass das PSE keine elektrische Leistung mehr an ein PD vergeben darf, wenn der Bedarf die zur Verfügung stehende Leistung übersteigt. Das PD wird damit ausgeschaltet.

Wird ein Gerät mit einer höheren Priorität einem bestehenden System neu hinzugefügt und würde damit die zur Verfügung stehende Gesamtleistung überschritten, wird ein PD mit einer niedrigeren Priorität ausgeschaltet und das höher priorisierte PD versorgt. Dies sollte ein Benutzer beachten und eine sinnvolle Priorisierung vornehmen, welches Gerät das wichtigste ist und welches im Ernstfall als erstes ausgeschaltet werden könnte.

Statische Leistungsvergabe

Da Standards üblicherweise eine Kompromisslösung zwischen vielen Beteiligten darstellen, gibt es für einzelne Anwendungsfälle häufig die Notwendigkeit einer Lösung, die den Standard erweitert. Eine weitere Möglichkeit zur Leistungsvergabe besteht darin, am PSE statisch eine Leistungsobergrenze pro Port festzulegen. Die statische PoE-Leistungsvergabe kann auch bei PDs genutzt werden, die lediglich den älteren Standard IEEE 802.3af unterstützen. Am PSE wird eingestellt, wie viel Leistung es maximal je Port zur Verfügung stellt. Dies ist aufgrund der feineren Granularität vorteilhaft gegenüber der Leistungsklassifizierung nach Standard, bei der die Spanne innerhalb einer Klasse recht groß sein kann.

Natürlich hat auch die statische Leistungsvergabe ihre Grenzen. Ist für einen Port und damit eigentlich für ein PD eine bestimmte Leistung reserviert, kann diese nicht von anderen genutzt werden. Auch nicht, wenn das PD gar nicht angeschlossen ist. Eine genaue Kenntnis der Bedarfslage ist hier vorausgesetzt. Informationen zum Leistungsbedarf kann ein Benutzer gegebenenfalls in der technischen Spezifikation eines PDs finden oder messtechnisch selbst ermitteln.

Rechenbeispiel zum Einsparpotenzial

Abschließend noch ein praktisches Beispiel, welches Einsparpotenzial PoE-Power-Management bieten kann: Bei mehreren PDs können sich Differenzen zwischen der Leistung, die die Geräte maximal aufnehmen, und der Leistung, die entsprechend der Leistungsklassifizierung reserviert wird, zu einem großen Betrag addieren. Der Unterschied kann derart hoch sein, dass mit statischer Leistungsvergabe gegenüber der Standard-Leistungsklassifizierung noch zusätzliche PDs versorgt werden können.

Verbraucht beispielsweise ein WLAN Access Point maximal 8 W, muss er aber aufgrund seiner Klassifizierung (Klasse 3) 13 W reservieren. Damit ergibt sich eine Differenz von 5 W, die reserviert, aber nie genutzt werden. Bei einer zur Verfügung stehenden Gesamtleistung von 30 W können mit statischer Leistungsvergabe also drei dieser WLAN Access Points versorgt werden anstatt nur zwei. Anders gesehen lässt sich so ein zusätzlicher Switch einsparen, der sonst unter Umständen für den dritten Access Point notwendig gewesen wäre.

Siemens bietet mit der Produktfamilie Scalance sowohl Switches an, die PSE sind, als auch WLAN Access Points, die PDs sind. Das Unternehmen hat die Vorteile des PoE-Power-Managements erkannt und in seinen Produkten umgesetzt.

Effiziente Leistungsvergabe

Der Standard ist eine gute Grundlage und ermöglicht eine einfache Kompatibilität über alle Hersteller, bietet aber gerade für Geräte, die nicht IEEE 802.3at Type 2 entsprechen, nur eingeschränkte Möglichkeiten. Diese Geräte sind, obwohl der Standard bereits 2009 verabschiedet wurde, immer noch weit verbreitet. PoE-Power-Management ermöglicht auch beim Verwenden von Geräten, die nicht IEEE 802.3at Type 2 unterstützen, eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Leistung. Durch immer höheren Leistungsbedarf aufgrund steigender Datenraten wird das Thema effiziente Leistungsvergabe zunehmend wichtiger.

Ausgehende vs. eingehende Leitung

An dieser Stelle ist auf den Unterschied hinzuweisen, welche Leistung am PSE ausgegeben wird und welche Leistung am PD ankommt. Es ist die Verlustwirkleistung abzuziehen, die der Übertragung über die Ethernetleitung mit einer maximalen Länge bis zu 100 m geschuldet ist. Zudem wurden Ethernetleitungen nie auf geringe Verlustleistung optimiert. Während für Klasse 3 am speisenden Gerät 15,4 W abgegeben werden müssen, wird am Verbraucher mit maximal 13 W ankommender Leistung gerechnet. Noch stärker ist der Verlust bei Klasse 4. Die Abgabe am PSE beträgt 30 W, wobei höchstens 25,5 W am PD ankommen.

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