Power over Ethernet (PoE, PoE+, PoE++, 4PPoE)

Was ist Power over Ethernet (PoE?

Power over Ethernet (PoE) ist eine Technologie für drahtgebundene lokale Ethernet-Netzwerke, die es ermöglicht, den für den Betrieb der einzelnen Geräte erforderlichen elektrischen Strom über die Datenleitungen des Netzwerkkabels und nicht über separate Stromkabel zu übertragen. Dadurch wird der Verkabelungsaufwand für die Installation von Netzwerkgeräten auf ein Minimum reduziert. PoE wurde ursprünglich im Jahr 2003 entwickelt, um Geräte wie Access Points (AP) für WLANs zu unterstützen. Durch PoE wurden AP-Installationen einfacher und flexibler, insbesondere an der Decke.

Damit Power over Ethernet funktionieren kann, muss die elektrische Spannung auf der Seite der Stromversorgung (Power Sourcing Equipment, PSE) in das Datenkabel eingespeist und auf der Seite des Endgeräts (Powered Devices, PD) wieder ausgeleitet werden. Das muss so erfolgen, dass Versorgungsspannung und -strom vom Datensignal wieder sauber getrennt werden, damit es nicht zu Störungen kommt. Wenn das Gerät am anderen Ende des Kabels PoE-kompatibel ist, dann funktioniert es ohne Modifikation ordnungsgemäß. Ist das Gerät nicht kompatibel zum PoE-Standard, dann muss eine Komponente namens Picker (oder Tap) installiert werden, um die Versorgungsspannung aus dem Kabel zu entfernen. Diese abgegriffene Spannungsversorgung wird dann über ein separates Kabel zur Strombuchse des Geräts geführt.

Endspan- und Midspan-PoE

Power over Ethernet lässt sich prinzipiell mit zwei Methoden in ein Netzwerk integrieren. Die verbreitetste Vorgehensweise ist Endspan-PoE. Hier versorgt der Switch als PSE an einem Ende des Kabels das Endgerät (PD) am anderen Ende mit Strom. Nachteil hierbei ist, dass das auch im Rack zu einer höheren Wärmeentwicklung führt, denn der Switch beziehungsweise seine Stromversorgung muss die Leistung bereitstellen.

Bei Midspan-PoE gibt es dieses Problem nicht. Hier übernimmt ein PoE-Injektor zwischen Switch und Endgerät die Stromversorgung. Wenn der PoE-Injektor nahe am Endgerät installiert ist, entfallen zudem Problem mit der Kabellänge. Der Nachteil von PoE-Injektoren ist dagegen, dass für sie wieder eine separate Stromversorgung zu installieren ist.

PoE, PoE+ und 4PPoE

Am einfachsten erfolgt die PoE-Versorgung also über Switches als PSE, die an jedem Ethernet-Port die entsprechende Leistung für die PDs bereitstellen. Switches, die nach dem Standard IEEE 802.3af-2003 gebaut wurden, lieferten ursprünglich genug Leistung für die meisten damaligen Access Points. Bei anderen Arten von montierter Technik, wie Videoüberwachungskameras oder Telefonen war das aber nicht immer gewährleistet. 802.3af stellt am Switch oder einer separaten PoE-Spannungsversorgung pro Port maximal 15,4 Watt bereit. Infolge Leitungsverlusten darf das zu versorgende Gerät dann maximal 13 Watt konsumieren.

Im Laufe der Jahre haben das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) und mehrere Anbieter versucht, das Problem mit den gestiegenen Anforderungen an die Stromversorgung zu lösen, aber es gab immer wieder Probleme mit der Interoperabilität.

Der Standard 802.3at-2009 lieferte dann bis zu 30 Watt pro Ethernet-Port. Das reicht beispielsweise noch, um Wi-Fi-6-APs mit ausreichend Strom zu versorgen. IEEE 802.3at wird oft als PoE+ oder PoE Plus bezeichnet.

IEEE 802.3bt-2018, auch bekannt als Next Generation PoE, PoE++, 4PPoE oder 4-Paar-PoE, kann genug Leistung bereitstellen, um auch LED-Beleuchtung, Kassensysteme, Terminals, Sicherheitskartenleser und eine Vielzahl anderer Geräte zu unterstützen. Es definiert außerdem eine Möglichkeit, zwei verschiedene Leistungsstufen gleichzeitig zu versorgen. Mit 802.3bt können sich PDs bis zu 72 Watt Leistungsaufnahme genehmigen.

Aktives und passives PoE

In den technischen Daten von Netzwerkgeräten, insbesondere von Switches und PoE-Injektoren, finden sich Angaben wie passives PoE oder aktives PoE. Bei passivem PoE kümmert sich das PSE nicht darum, ob das PD mit PoE etwas anfangen kann. Das PSE geht bei passivem PoE davon aus, dass das PD mit der zur Verfügung gestellten Spannung kompatibel ist. Ist das nicht der Fall, kann dies zur Zerstörung der Geräte führen.

Bei aktivem PoE überprüft das PSE, ob die angeschlossenen Geräte PoE entsprechend unterstützen. Das erfolgt über das sogenannte Resistive Power Directory, das auf Seite der PDs nur wenige passive und kostengünstige Bauteile benötigt. Das PSE überprüft dabei die Innenwiderstände und Kapazitäten der PDs. Ist das Ergebnis ein Wert zwischen 19 und 26,5 Kiloohm und eine Kapazität von maximal 10 µF, dann wird PoE aktiviert. Im weiteren Verlauf ermittelt dann das PSE noch die Leistungsklasse der Verbraucher.

Kabellänge und Power over Ethernet

Die Kupferadern von Ethernet-Kabeln besitzen wie jeder elektrische Leiter einen ohmschen Widerstand. Dieser Widerstand ist von der Temperatur, dem Leiterquerschnitt und der Kabellänge abhängig. Je länger das Kabel, desto größer ist der Widerstand zwischen PSE und PD. Dickere Kupferkabel mit mehr Querschnitt haben einen geringeren Widerstand als dünnere Leiter. Je höher die Temperatur, desto größer wird außerdem der Widerstand. Ethernet-Kabel dürfen deshalb nicht wärmer als 60 Grad Celsius werden.

Je mehr Strom (I) fließt, desto mehr Leistung (P) wird an diesem Kabelwiderstand (R) in Wärme umgewandelt (P=I²*R). Damit steigt wiederum der Widerstand des Kabels. Und je höher der Widerstand, desto größer ist der Spannungsverlust (U_V) durch das Kabel (U_V=R*I). Am PD kommt also weniger Spannung an, als am PSE eingespeist wurde.

Um den Widerstand niedrig zu halten, sind für lange Strecken Kabel mit größerem Querschnitt notwendig. Ethernet-Kabel sind daher auch in AWG-Klassen mit unterschiedlichem Leiterquerschnitt eingeteilt. AWG22-Cat.7A-Kabel leiten den Strom beispielsweise besser als AWG24-Cat.5e-Kabel.

Für die maximale Kabellänge zwischen PSE und PD sind maximal 100 Meter vorgesehen. Bei längeren Strecken oder/und wenn nicht genug Spannung am PD ankommt, ist der Einsatz von PoE-Extendern notwendig. Diese zwischengeschleiften Geräte heben die Spannung wieder auf das notwendige Maß an.

PoE-Vorteile

Zu den Pluspunkten von PoE gehören:

• Einfache Installation: Sie müssen sich keine Gedanken über den Anschluss an die Steckdosen des Stromnetzes machen.
• Kosteneinsparungen: Ethernet kann sowohl Strom- als auch Datensignale übertragen.
• Sicherheit: PoE unterbricht automatisch den Stromfluss, wenn es zu einer Unterbrechung des Dienstes kommt.
• Datengeschwindigkeit: PoE kann Daten mit bis zu einem Gigabit pro Sekunde (GBit/s) über Cat5- und Cat6-Kabel übertragen. Der IEEE 802.3bz PoE-Standard liefert Geschwindigkeiten von 2,5 GBit/s bis 5 GBit/s über bis zu 100 Meter.
• Sicherheit: POE-Geräte, die an Netzwerke mit hoher Sicherheitsstufe angeschlossen sind, genießen den gleichen Sicherheitsschutz wie andere Netzwerkressourcen.

PoE-Schwächen

PoE ist kein Allheilmittel. Diese Probleme können auftreten:

• Leistungsgrenzen: Geräte, die nach dem PoE-Standard von 2003 unterstützt werden, sind auf 25,5 W begrenzt. Geräte, die eine höhere Leistung benötigen, müssen den neueren PoE-Spezifikationen entsprechen. Auch hier sind maximal nur 72 Watt auf Verbraucherseite möglich.
• Höhere Switch-Kosten: Obwohl PoE durch die Kombination von Strom- und Datensignalen Kosteneinsparungen ermöglicht, kosten PoE-Switches mehr als herkömmliche Switches.
• Begrenzte Entfernungen: Die PoE-Stromübertragung ist auf maximal 100 m begrenzt, es sei denn, es werden PoE-Extender oder andere Methoden zur Stromversorgung verwendet.

Sicherheit: Wenn die Netzwerksicherheit unzureichend ist, haben Angreifer, die es auf PoE-Geräte in diesen Netzwerken abgesehen haben, leichter, sich Zugang zu verschaffen.