Обзор
Power over IP (PoIP) – технология, позволяющая передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными по одному кабелю витой пары. Данная технология предназначена для разнообразных датчиков, сенсоров, интеллектуальных реле, передатчиков ZigBee и других беспроводных технологий со сверхнизким энергопотреблением, к которым по той или иной причине нежелательно или невозможно проводить отдельный электрический кабель. Предполагается, что технология Power over IP будет наиболее востребованной для построения распределённых сенсорных сетей, а также для поддержки IoT (Internet of Things – Интернет Вещей).
Технология PoIP на данный момент находится в стадии разработки, происходит подготовка к публикации первой версии черновика стандарта, однако ряд компаний уже готовятся к пилотному использованию разрабатываемой технологии в своём оборудовании. К числу вендоров, принимающих активное участие в разработке прототипов устройств с поддержкой PoIP, относятся: ARM, Cisco, Intel, ASUS, Broadcom, Realtek и STMicroelectronics.
Оборудование и принцип работы
Технология PoIP не оказывает влияния на качество передаваемых данных. Передача энергии производится с помощью свойств физического уровня Ethernet. Основное отличие PoIP от PoE (Power over Ethernet) состоит в том, что PoE использует так называемую внеполосную передачу энергии, тогда как питание PoIP устройств производится с помощью энергии, передаваемой самим сигналом.
Для своей работы технология PoIP требует от коммутационного оборудования поддержки Ethernet стандарта 10Base-T (IEEE 802.3) в полнодуплексном режиме. Стоит отметить, что рекомендованной настройкой со стороны коммутатора является автоматическое определение скорости и дуплекса, хотя не запрещается и ручное конфигурирование. Всё оборудование с поддержкой PoIP должно также поддерживать и автоматическое определение разводки кабеля (Auto MDI/MDIX). Стандарт 10Base-T определяет для передающей пары значение напряжения ±2.5 В, что вместе с максимальным током, равным 250мА, позволяет поддерживать работу устройства мощностью до 0,5 Ватт. Стандарт 10Base-T Ethernet поддерживает кабельные сегменты длиной до 100 метров, однако при использовании PoIP стоит учитывать, что при передаче энергии через витую пару происходит существенная потеря мощности в зависимости от расстояния и толщины проводника, поэтому при подключении PoIP устройств рекомендуется использовать максимально короткие и толстые кабели. Обычно толщина проводника для витой пары указывается в AWG (American Wire Gauge (Американский Калибр Проводников)). В таблице ниже представлено соответствие толщины кабеля в AWG площади сечения проводника для одножильных и многожильных кабелей.
| AWG | Площадь поперечного сечения, мм2 | |
| Одножильный кабель | Многожильный кабель | |
| 22 | 0,325 | 0,327-0,352 |
| 24 | 0,205 | 0,201-0,226 |
| 26 | 0,128 | 0,14-0,153 |
Удельное сопротивление меди примерно равно 17мОм*мм2/м, то есть одножильная витая пара 24 AWG длиной 100 метров будет иметь сопротивление более 16,5 Ом. Таким образом, максимальная мощность, на которую может «рассчитывать» PoIP устройство в данном случае, не будет превышать 0,2 Ватт.
В случае перегруженной сети использование UDP не выглядит целесообразным из-за того, что UDP не гарантирует доставку данных. В такой ситуации необходимо использовать unicast и TCP как надёжный транспортный протокол. Чтобы ещё более увеличить эффективность PoIP необходимо перейти к использованию jumbo кадров, так как никакие транспортные заголовки не используются в PoIP для передачи энергии.
До настоящего момента мы говорили только о «клиентской» части технологии PoIP. Однако сам по себе коммутатор не будет снабжать подключённые к нему устройства энергией даже мощностью 0.5 Ватт. Для того чтобы осуществлялась передача энергии, необходим поток специально сформированного трафика. Генерировать и передавать такой трафик может любое устройство с поддержкой IPv4. Из соображений безопасности, а также с целью уменьшения нагрузки на сетевую инфраструктуру, генерирующее трафик оборудование должно размещаться в одном локальном сегменте с PoIP клиентами. Уменьшение нагрузки на сеть происходит также за счёт использования групповых рассылок (multicast). При каждом запуске и во время работы в автоматическом режиме производится выбор наиболее оптимального профиля трафика (паттерна), позволяющего максимизировать получаемую клиентами энергию. Если по какой-либо причине оптимальный профиль трафика для одного из устройств отличается от согласованного для остальных устройств в данной сети, то для такого клиента допускается генерирование индивидуального потока (unicast).
Отказоустойчивость
Все PoIP клиенты должны регистрироваться на всех локальных генераторах и сообщать им об оптимальных паттернах трафика. Однако в каждый момент времени отправку трафика производит только один генератор. Все остальные генерирующие устройства также подписываются на получение потока от активного источника. Групповой поток трафика от активного источника выполняет также функции keepalive сообщений. При отсутствии потока трафика в течение 50 мс роль активного устройства принимает на себя оборудование с наивысшим значением приоритета. Приоритет может принимать значения от 1 до 255, по умолчанию 100.
Клиентское PoIP устройство должно обладать встроенной аккумуляторной батареей и быть способно пережить кратковременное пропадание потока IP-трафика.
Вендоры
На момент публикации о разработке модуля, генерирующего IP-трафик, сообщили три компании: ASUS, Cisco и Intel.
Компания ASUS начала встраивать генератор трафика в топовые модели своих маршрутизаторов. Управление производится с помощью скрытой вкладки «PoIP gen» пункта меню «Сетевые утилиты».
Все промышленные маршрутизаторы, а также L3-коммутаторы компании Cisco Systems, работающие под управлением операционных систем IOS (начиная с версии 15.6(2)T), IOS XE (с версии 16.04.01 Everest) и IOS XR (с версии 6.1.3), обладают набором скрытых команд, позволяющих включить встроенный в систему генератор. Поддержка технологии PoIP линейкой устройств на базе NX-OS не планируется.
cisco#sho poip ?
% Unrecognized command
cisco#sho poip devices
Capability codes:
(G) Generator, (P) Probe, (L) LED, (W) WLAN Access Point
(R) Relay, (S) Station, (B) Beeper, (O) Other
Device ID Hold-time Capability Port ID IP Address
fox_temp_sensor_test1 50 P,R Gi1/0/10 192.168.1.114
fox_humidity_probe_test1 50 P Gi1/0/12 192.168.1.112
fox_alarm_test 50 L,B Gi1/0/24 192.168.1.140
fox_poip_gen 50 G,S Te1/0/4 192.168.1.1
Total entries displayed: 4
cisco#conf t
Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z.
cisco(config)#poip ?
% Unrecognized command
cisco(config)#poip test
cisco(config-poip)#?
Configure commands:
access-class Filter client devices based on an IP access list
authentication Auth Manager PoIP Configuration Commands
bandwidth Set max bandwidth to utilize
default Set a command to its defaults
description PoIP instance specific description
interface Select an interface to support
logging Handles logging operations
mode PoIP operating mode
network-policy Network Policy
password Secret key for MD5 authentication
pattern Configure a packet pattern
preempt Overthrow lower priority Active generators
priority Priority level
shutdown Shutdown this instance of PoIP
static Define a static PoIP client
timer Hold timer
track Priority tracking
version PoIP version
Утилита компании Intel – Intel PoIP Gen, по заявлению производителя, полностью соответствует RFC3251 (Electricity over IP) и на данный момент проходит стадию внутреннего тестирования, оставаясь недоступной рядовым пользователям.
Развитие стандарта
На данный момент в качестве физической среды используется витая пара Ethernet. В проекте заложена также поддержка оптоволоконного и беспроводного подключений, если удастся ещё больше снизить энергопотребление устройств.
Черновик стандарта предполагает возможность подключения PoIP устройства с помощью двух кабелей витая пара для удвоения энергетического бюджета.
Также среди нововведений заявлена поддержка следующей версии протокола IP – IPv6.
Появление в ближайшем будущем более энергоэффективных клиентских устройств на базе SoC чипов с пониженным энергопотреблением позволит значительно расширить область применения технологии Power over IP.
