Power over Ethernet

 

Дмитрий Герусс  http://www.nestor.minsk.by/sr/2003/04/30413.html

 

Так уж получилось, что хитрый кабель для тестирования нам добыть пока не удалось ;-), поэтому отложим тестирование кабеля до лучших времен, а сейчас рассмотрим другие способы построения длинных сетей. В частности, применение для этих целей коммутаторов и вопросы удаленного питания оборудования.

Отличия коммутаторов и концентраторов

Самое главное отличие коммутаторов и концентраторов заключается в том, что концентратор, с точки зрения работы с информацией, просто передает сигнал подобно обычному кабелю, иными словами, работает на физическом уровне модели OSI. Коммутатор же работает с передаваемой информацией на канальном уровне, т.е. в сильно приближенном варианте может быть сравнен с маршрутизатором.

Итак, давайте разберемся, как можно использовать это преимущество коммутатора в наших целях.

Возможно, у многих возникала идея поставить между соединяемыми точками гирлянду из хабов, но в ее реализации существует несколько проблем. Во-первых, где взять питание, и, во-вторых, до бесконечности много хабов поставить не удасться, скорее даже наоборот, ограничение на их количество достаточно жесткое, чтобы достичь с их помощью достойного результата дальнобойности.

Как известно, для сетей Ethernet 100Base-T существует весьма серьезное ограничение на расстояние между соседними концентраторами. Вдобавок, существует еще и описанное в прошлой статье ограничение на максимальную длину линии, связанное с обнаружением коллизий. Т.е. даже если изловчиться, и поставить между дальними пользователями пару концентраторов, то дальность связи вряд ли превысит 250-300 метров (для 100 Мбит сети и обычного кабеля). Однако не все потеряно! Ведь в нашем распоряжении есть до безобразия подешевевшие в последнее время коммутаторы. Чем это нам грозит?

Начнем с разбирательства, почему появилось такое понятие, как «коллизия». Коллизия – явление, когда две станции одновременно пытаются передать по разделяемой среде (в нашем случае это кабель) информацию. При этом информация искажается и не может быть никем правильно воспринята. Для предотвращения таких ситуаций в Ethernet введен механизм обнаружения коллизий. В его основе лежит то, что станция должна успеть еще во время передачи кадра услышать, что кто-то еще пытается отослать кадр. Если же станции расположены далеко друг от друга и, допустим, станция, находящаяся на одном конце сети начнет передачу одновременно со станцией на другом конце, и обе они успеют переслать кадр полностью до того, как до них долетит кадр от противоположной машины, то информация из переданных кадров будет утеряна. Таким образом, получается, что при простой пересылке сигнала с помощью концентраторов или повторителей, каким бы правильным сигнал не был, все равно, в описанной выше ситуации такая сеть даст сбой. Вот тут то нам пригодится особенность коммутаторов – изоляция соединений в отдельные домены коллизий, т.е. разбиение одной большой сети на множество маленьких. Здесь уже абсолютно не важно, сколько подряд включено коммутаторов – хоть 30, хоть 50. О коллизиях можно забыть. Главное – правильно все соединить. Разумеется, в сети из, например, 10 последовательно включенных коммутаторов задержки будут гораздо больше, чем в сети на одном коммутаторе, но все-таки оно будет работать! Итак, вырисовывается проект длинной линии Ethernet: каскадное включение n коммутаторов для достижения длины в х метров. Но тут возникает одна серьезная проблема (куда ж без них???): коммутаторы (впрочем, как и концентраторы) хотят есть. Т.е. им необходимо обеспечить питание. Хорошо, если сеть пролегает где-то внутри здания и есть возможность подключиться к сети 220, не получив по мозгам от Энергонадзора. А если вдруг ее надо тянуть по крышам или по коллектору, или еще в каких-нибудь экстремальных условиях? Или просто не хочется иметь проблем с электриками?

Казалось бы, для такого пришлось бы еще и кроме витой пары тянуть силовой провод 220 (а тут-то уж точно без согласований с электриками и пожарниками тяжело обойтись). Тем не менее, есть очень простое решение данной проблемы, более того, почти все, что надо для его реализации заложено в обычную 8-проводную витую пару.

Собственно практика

Итак, что ж такого в этой витой паре? – спросите вы. Давайте рассмотрим разводку платы любого Ethernet 10Base-T или 100Base-TX сетевого адаптера. Первое, что бросается в глаза, это то, что из всех восьми контактов разъема к дорожкам подпаяны только 4 (1,2,3,6). Остальные 4 контакта болтаются в воздухе. Вот они-то нам и нужны. Дело в том, что в указанных выше вариантах Ethernet эти провода не используются. Что это нам дает? Мы можем использовать их на свое усмотрение! Т.е. пустить по ним питание для нашего оборудования. Но тут возникает еще одна загвоздка. Изоляция обычной витой пары явно не рассчитана на то, чтобы по проводам пускали 220 вольт. Конечно, можно попробовать сделать это, но 220 вольт – это, как говорится, не шубу в трусы заправлять ;-). Со временем изоляция кабеля может потрескаться. Особенно сильно этот процесс ускоряется, если наружная проводка выполнена кабелем, не рассчитанным для нее. Посему в один прекрасный день в такой линии может случиться короткое замыкание, пожар или еще что-нибудь плохое. Единственный плюс такого решения заключается в том, что по достаточно тонким проводам можно без серьезных потерь (нагрева провода) передать значительную энергию и при этом не нужно заморачиваться с блоками питания. Но все же, безопасность превыше всего, поэтому рассмотрим второй вариант. Второй вариант заключается в том, чтобы подавать в линию уже пониженное напряжение после блока питания. Все, что для этого нужно – подпаять БП к свободной паре с одного конца, а с другого подключить коммутатор (или что-нибудь еще). Но тут опять возникает проблема. Что делать, если у одного устройства, скажем, блок питания, имеет выход 25 вольт, а у второго – 8? Если мы подключим второе устройство к питанию 25 вольт, то вряд ли оно при этом выживет, а если и выживет, то будет себя чувствовать не очень комфортно. Конечно, можно развести их по разным парам. С двумя устройствами – без проблем, а вот что делать, если надо питать больше двух? Свободных проводов ведь только 4. Давайте подробней рассмотрим как устроена система питания коммутаторов/хабов.

Как устроены блоки питания

Как известно, почти любое полупроводниковое устройство требует стабилизированного питания. Исключение составляют разве что усилители НЧ. Чтобы питание было стабильным, применяют специальные дэвайсы, называемые стабилизаторами. Кроме всего прочего, к ним добавляют конденсаторы большой емкости, чтобы они могли сгладить пульсации, остающиеся после выпрямления переменного тока. Раньше стабилизаторы собирались из дискретных элементов, но теперь, почти все они собраны на основе микросхемы. Как правило, она имеет 3 вывода и установлена на радиатор (радиатором может являться большая дорожка вокруг нее). На рис.1 показан типичный вид микросхемы cтабилизатора.


Рис. 1.

Почти что все встречавшиеся мне концентраторы и коммутаторы с внешним блоком питания имели встроенный стабилизатор питания. Проверить, имеет ли ваше оборудование встроенный стабилизатор очень просто. Для этого есть два пути: открыть блок питания и убедиться в отсутствии в нем оного или открыть устройство и убедиться в его наличии. В обоих случаях важно не спутать стабилизатор с чем-то другим. В адаптере должны стоять выпрямитель и конденсатор (что тоже необязательно, может стоять только трансформатор). В общем, не спутайте их со стабилизатором. В концентраторе/коммутаторе обычно стабилизатор сразу можно опознать по близкому расположению к разъему питания и установке на радиатор (рис 2, 3, 4).

Рис 2.

Рис. 3.


Рис. 4.

Вернемся к нашим баранам. Для того чтобы питать два стабилизатора, рассчитанные на различное входное напряжение (разброс между ними не должен превышать 5-6 вольт) достаточно просто подключить их к одному источнику напряжения, с расчетом на то, чтобы работал стабилизатор, рассчитанный на максимальное входное напряжение (но все же лучше последовать способу, описанному ниже). При этом важно убедиться, что стабилизатор не перегревается, так как из-за этого он может выйти из строя. Если вы обнаружите это, то установите его на хороший радиатор.

Общий блок питания

Опять же, и здесь не все гладко. Мощности одного адаптера может не хватить для питания двух коммутаторов (хотя скорее всего все будет нормально работать). При питании же 3-4-х и более устройств могут возникнуть серьезные проблемы с перегревом блока питания и проседанием питающего напряжения. Сам собой напрашивается вывод питать всю линию от одного мощного БП. Это может быть либо самодельный БП, либо выдранный из какого-нибудь дэвайса, либо еще что-нибудь. Самый простой вариант – вооружиться трансформатором от какого-нибудь ненужного устройства и подключить к его вторичной обмотке выпрямитель и фильтрующий конденсатор. Разумеется, при этом нужно найти правильный трансформатор, рассчитанный как на входное напряжение/частоту, так и на выход (и соответствующую мощность). Выходное напряжение трансформатора должно быть больше на пару вольт того напряжения, которое должно выйти со стабилизатора. Выпрямитель также можно выдрать где-нибудь в ненужном телевизоре/магнитофоне/синхрофазотроне и тому подобном. В качестве фильтрующего конденсатора подойдет любой электролитический, с емкостью > ~1500~2000 мкФ, и напряжением, как минимум, вольт на 5-6 большем того, при котором ему придется работать. При подключении важно не перепутать полярность, так как конденсатор может взорваться и забрызгать все в округе. Если вы не обладаете радиогубительским опытом, то можете попробовать использовать свободные выводы БП компьютера. Правда при этом максимальное напряжение будет равно 12 вольтам. Схема простейшего самодельного блока питания приведена на рис. 5


Рис. 5.

Согласование напряжений блока питания и устройств

Теперь, разобравшись с блоком питания, осталось решить проблему, когда разброс питающих напряжений уж очень большой. Как уже говорилось выше, на выходе стабилизатора напряжение ниже, чем на его входе на несколько вольт. Этим мы можем воспользоваться и включить последовательно питанию устройства еще один или несколько дополнительных стабилизаторов. Схема включения в таком случае до жути проста. Первое, что необходимо выяснить – это то, на сколько требуется понизить напряжение. После чего подобрать стабилизатор, с необходимым выходом (в этом вам поможет почти любой продавец радиобазара; или можете поискать самостоятельно в каком-либо каталоге производителя радиодеталей, например, philips, toshiba и т.д.; также обратите внимание на то, что стабилизаторы могут быть регулируемыми, т.е. с возможностью подстройки выхода). При этом следует учесть, что разница потенциалов между входом и выходом не должна быть сильно большой, иначе стабилизатор может сгореть. В этом случае разумным будет установить еще один стабилизатор или добавочное сопротивление. Кстати, можно попытаться вместо стабилизаторов (разумеется, не вместо «родного» стабилизатора коммутатора/ концентратора) установить обычный резистор, но тут есть свои нюансы. Во-первых, он должен быть достаточно мощным, чтобы рассеивать лишнюю мощность. И, во-вторых, он должен понижать напряжение настолько, чтобы коммутатор нормально работал. Для того чтобы рассчитать номинал резистора можно воспользоваться законом Ома: U=R*I. В данном случае U – падение напряжения на резисторе (на сколько он снизит напряжение), I – сила тока, R – сопротивление. При расчете подберите его таким, чтобы он обеспечивал запас в пару вольт. Тем не менее, коммутатор/концентратор -- нагрузка не постоянная, т.е. потребляемый им ток может меняться в разы, а с ним будет меняться падение напряжения на резисторе. Поэтому все же наиболее правильный вариант – использование дополнительного стабилизатора. Что же касается случая, когда стабилизатор одного или нескольких коммутаторов вынесен в БП, то необходимо аккуратно его оттуда выпаять и поставить непосредственно перед самим коммутатором (разумеется, если необходимо переделывать схему питания). После чего нужно не забыть закоротить соответствующие контакты для подачи питания (обычно это проводники к 1 и 3 контактам стабилизатора). Всю информацию, касающуюся назначения выводов стабилизаторов можно найти в так называемых datasheet’ах, обычно доступных на сайтах производителей. Самая часто встречаемая разводка – если держать м/с металлической частью от себя, то слева направо: вход, общий, выход.

Теперь разберемся, что же делать, если коммутатор питается от переменного тока (в его адаптере установлен только трансформатор, а вся остальная часть БП встроена в коммутатор). Как ни странно это звучит, но можно смело подключать такой коммутатор к постоянному току. Дело в том, что встроенный в него мостовой выпрямитель и фильтр пульсаций совершенно не против того, чтобы на них подавали постоянное напряжение (теоретически, конечно, там могут стоять еще какие-либо элементы, не пропускающие постоянный ток, но это только теоретически). Более того – они для него не помеха. При подключении подобных устройств следует просто обеспечить им нормальное питающее напряжение, руководствуясь описанными выше принципами.

Также следует обратить внимание на напряжение, на которое рассчитаны фильтрующие конденсаторы. Его нельзя превышать (это относится ко всем устройствам, как AC, так и DC), иначе конденсаторы могут взорваться, как и в случае с неправильной полярностью (в случае с AC-устройствами полярность на входе – любая, так как мостовой выпрямитель все сам исправит). Определить напряжение можно по маркировке конденсаторов. Собственно полярность определяется там же. Как правило, на новых конденсаторах помечается отрицательный вывод (рис. 6) (не путать с большинством советских, так как там помечено наоборот)


Рис. 6.

При подключении можно соединить свободные пары параллельно, так, IMHO, они будут загружены оптимальней (хотя, не помешает поэкспериментировать).

Практическая реализация

Итак, после того, как вы разберетесь с особенностями питания ваших устройств, можно приступать к сборке.

В самом простом варианте, когда вам нужно питать пару устройств от одного адаптера, схема сборки будет выглядеть примерно так: обжимаем кабель как обычно, но последнюю пару (например, бело-коричневый—коричневый) не обжимаем и вообще не вставляем в разъем. Теперь берем адаптер и разрезаем его шнур примерно в 10-и см от разъема, который должен вставляться в коммутатор. Зачищаем провода и подключаем к нашей паре провод, идущий к адаптеру. С другого конца кабеля делаем аналогичную процедуру, только подключаем питающую пару к куску провода с разъемом. Разъемы RJ-45 и питающий подключаем в соответствующие гнезда. Если ваше устройство питается постоянным током, то важно не перепутать полярность. Она обычно указана как на адаптере, так и на устройстве, т.е. на них есть характерная картинка с указанием, какому полюсу соответствует центральный контакт разъема (если разъем круглый коаксиальный) и какому – внешний. Если же устройство – AC, то, как уже говорилось выше, полярность – любая. Если необходимо подключить к линии еще устройство, то соединяющий кабель для него делаем аналогичный, только подключаем питающую пару уже не к адаптеру, а параллельно к месту соединения первого устройства и питающей пары. На другом его конце подключение производим аналогично, т.е. подключаем питающую пару к отрезку кабеля от адаптера с разъемом на конце (его нужно отрезать аналогичным образом от адаптера второго устройства). Также можно подпаять питающую пару напрямую к плате устройства без всяких разъемов.

Чтобы получившаяся система выглядела «цивильно», можно, используя разъемы от ненужных сетевых плат, соорудить что-то вроде переходников. Если вам не жалко устройств, то можно вместо отдельного подключения к питающей паре возле каждого дэвайса, произвести все подключения внутри него, т.е. соединить дорожки, идущие от разъема питания, с соответствующими контактами гнезда RJ-45. При этом, конечно, провод со стороны устройства нужно будет обжать обычным образом.

При необходимости установки дополнительных стабилизаторов желательно обеспечить им хорошее охлаждение. Для этого их нужно использовать с радиаторами, например, от горелых компьютерных кулеров. Назначение выводов стандартной микросхемы стабилизатора описано выше. На вход необходимо подключить «+» от питающей пары, общий вывод соединить с «-» пары и коммутатора, выход – с «+» коммутатора.

На рис. 6 показана опытная линия из 2-х концентраторов (коммутаторы включаются аналогично), питаемых удаленно от одного адаптера.

Рис.7.

Если же вас абсолютно не прельщает идея просидеть весь вечер с паяльниками и наковальнями, то, возможно, вам подойдет что-нибудь промышленное. Например, если ввести в google «power over ethernet», то первое, что вылазит – это страничка с прайсами на оборудование poe, с симпатичными ценами в районе $150.

На этой оптимистической ноте, пожалуй, на сегодня закончим.