Topologie (Netzwerk)
Die Topologie bezeichnet bei einem Computernetzwerk die Struktur der Verbindungen mehrerer Geräte zueinander für einen gemeinsamen Datenaustausch.
Die Kenntnis der Topologie eines Netzwerkes ist nützlich zur Bewertung seiner Performance und Ausfallsicherheit, aber auch für die Investitionskosten und Auswahl geeigneter Hardware für ein Netzwerk.
Die Topologie eines Netzes ist entscheidend für seine Ausfallsicherheit: Nur wenn alternative Wege zwischen den Knoten existieren, bleibt bei Ausfällen einzelner Verbindungen die Verbindungsmöglichkeit erhalten. Es gibt dann neben dem Arbeitsweg einen oder mehrere Ersatzwege (oder auch Umleitungen).
Topologien werden grafisch nach der Graphentheorie mit ihren Knoten und Kanten dargestellt.
Es wird zwischen physischer und logischer Topologie unterschieden. Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Netzwerkverkabelung; die logische Topologie den Datenfluss zwischen den Endgeräten.
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Physische Topologien
Stern-Topologie
[[Bild:Netzwerktopologie_Stern.png|thumb|Jedes Endgerät ist mit dem Verteiler verbunden, die Endgeräte untereinander sind nicht verbunden]] Bei Netzen in Sterntopologie sind an einen zentralen Teilnehmer alle anderen Teilnehmer mit einer Zweipunktverbindung angeschlossen. Der zentrale Teilnehmer muss nicht notwendigerweise über eine besondere Steuerungsintelligenz verfügen. In Transportnetzen ist das generell nicht der Fall. In Computernetzwerken kann es eine spezialisierte Einrichtung sein, zum Beispiel ein Sternkoppler, Hub oder Switch. Auch eine Nebenstellenanlage ist gewöhnlich als Sternnetz aufgebaut: Die Vermittlungsanlage ist der zentrale Knoten an den die Teilnehmerapparate sternförmig angeschlossen sind.
In jedem Fall bewirkt eine zentrale Komponente in einem Netz eine höhere Ausfallwahrscheinlichkeit für die einzelnen Verbindungen: ein Ausfall des zentralen Teilnehmers bewirkt unweigerlich den Ausfall aller Verbindungsmöglichkeiten zur gleichen Zeit. Eine geläufige Schutzmaßnahme bei Sternnetzen besteht darin, die zentrale Komponente zu doppeln (Redundanz).
Vorteile
- Der Ausfall eines Endgerätes hat keine Auswirkung auf den Rest des Netzwerks.
- Dieses Netz bietet hohe Übertragungsraten.
Nachteile
- Bei Ausfall des Verteilers sind sämtliche Endgeräte betroffen.
- Die Verkabelung ist relativ aufwendig.
Beispiele
- Fast_Ethernet (physisch)
- Token-Ring (physisch)
Ring-Topologie
[[Bild:Netzwerktopologie_Ring.png|thumb|Jedes Endgerät ist mit genau zwei anderen verbunden]]
Bei der Vernetzung in Ringtopologie werden jeweils 2 Teilnehmer über Zweipunktverbindungen miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Die zu übertragende Information wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergeleitet, bis sie ihren Bestimmungsort erreicht. Um Überschneidungen zu verhindern, sind bei dieser Art der Vernetzung Adressierungsverfahren für die Information nötig. Da jeder Teilnehmer gleichzeitig als Repeater wirken kann (wenn keine Splitter eingesetzt werden) können auf diese Art große Entfernungen überbrückt werden (bei Verwendung von Lichtwellenleitern (LWL) im Kilometerbereich).
Bei einem Ausfall einer der Verbindung bricht das gesamte Netz zusammen, es sei denn, die Teilnehmer beherrschen Protection-Umschaltung. In einem Ring mit Protection wird häufig der Arbeitsweg in einer bestimmten Drehrichtung um den Ring geführt (beispielsweise im Uhrzeigersinn), der Ersatzweg in der anderen Drehrichtung (im Beispiel gegen den Uhrzeigersinn). Verwendung findet dieses Verfahren unter anderem auch bei Feldbussystemen auf Lichtwellenleiter-Basis.
Es wird ein Ringleitungsverteiler (MAU=Multi Access Unit) eingesetzt der verhindert dass bei einem Ausfall eines Endgerätes das gesamte Netzwerk ausfällt!
Daten:
- maximale Ringlänge 800m
- Computer dürfen maximal 10m von der MAU entfernt sein
- Übertragungsrate 4MBit/s
- Performance kann auf 16MBit/s erweitert werden
- aktive Topologie
- Transportprotokoll ist Token passing
- Zugriff ist deterministisch(bestimmter Zugriff)
Vorteile
- Deterministische Netzwerkkommunikation - Vorgänger und Nachfolger sind definiert
Nachteile
- Der Ausfall eines Endgerätes führt dazu, dass die gesamte Netzwerkkommunikation unterbrochen wird (Ausnahme bei Protection-Umschaltung - siehe: FDDI)Stimmt bei neuen Karten nicht mehr, da jede Karte diese Protection-Umschaltung beherrscht.
Beispiele
- Token_Ring (logisch)
- FDDI (physisch)
In der Praxis sieht man oft, dass die physische Ringstruktur, dem logischen Aufbau folgt, um Leitungslängen und damit Kosten zu sparen, dies geschieht jedoch in der Regel auf Kosten der Flexibilität bei Erweiterungen.
Bus-Topologie
thumb|Alle Endgeräte sind an den Bus angeschlossen Eine Bus-Topologie besteht aus einem Hauptkabel, dem Bus, an das alle Geräte angeschlossen sind. Der Anschluss zwischen den Geräten (also Netzwerkkarten) und Hauptkabel erfolgt über T-Verbinder.
Zugriffsverfahren (z.B. CSMA/CD) verhindern, dass sich die Teilnehmer gegenseitig stören. Sie regeln, welcher Teilnehmer die gemeinsame Leitung – den Bus – zu welchem Zeitpunkt zur Verfügung hat.
Bei diesem Verfahren treten folgende Probleme auf:
- Während des Datenverkehrs muss jeder Teilnehmer jede Sendung mithören. Dadurch steigt die Belastung (Strom) der Ausgangsbaugruppen des Senders mit der Anzahl der Teilnehmer am Bus.
- Feldbussysteme können sich über einen Bereich von mehreren hundert Metern erstrecken. Hier ist die Leitungslänge im Vergleich mit der Wellenlänge der Übertragung nicht mehr vernachlässigbar klein. Um störende Reflexionen zu vermeiden, werden Busabschlusswiderstände benötigt, die die Ausgänge des Senders ebenfalls mit höheren Strömen belasten. Kleinere Feldbussysteme können dennoch sehr gut nach dem Bus–Prinzip vernetzt werden.
Die Daten können in beide Richtungen übertragen werden. Vorteile eines Busnetzes sind der geringe Kabelbedarf und die Unabhängigkeit von der Funktion einzelner Stationen: Bei einem Ausfall eines Knoten oder einer Station bleibt das gesamte System trotzdem intakt. Größte Gefahr ist jedoch ein Kabelbruch im Hauptkabel, durch den der ganze Bus ausfällt.
Vorteile
- Einfache Verkabelung und Netzwerkerweiterung
Nachteile
- Hohe Fehleranfälligkeit: Ist das gemeinsame Medium defekt, funktioniert das ganze Netz nicht mehr
- Aufgrund der Möglichkeit der Kollisionen sollte das Medium nur zu ca. 30% ausgelastet werden
Beispiele
- Thick Ethernet (physisch)
- Thin Ethernet (physisch)
Baum-Topologie
thumb|Jedes Endgerät ist mit dem Verteiler verbunden, die Verteiler untereinander sind verbunden Die Baumtopologie ist eine Netzwerktopologie, bei der mehrere Netze der Sterntopologie hierarchisch miteinander verbunden sind. Hierbei müssen Verbindungen zwischen den Verteilern (Hub, Switch) mittels eines Uplinks hergestellt werden.
Häufig wird diese Topologie in großen Gebäuden eingesetzt.
Vorteile
- Strukturelle Erweiterbarkeit
- Große Entfernungen realisierbar (Kombination)
Nachteile
- Beim Ausfall eines Knotens ist der Rest des Astes/Baumes "tot"
Vermaschtes Netzwerk
thumb|teilweise vermaschtes Netz Die Endgeräte sind miteinander verbunden In einem Maschennetz ist jedes Endgerät mit einem oder mehreren anderen Endgeräten verbunden. Wenn jeder Knoten mit jedem anderen Knoten verbunden ist, spricht man von einem vollständig vermaschten Netzwerk.
Bei Ausfall eines Endgerätes oder einer Leitung ist es im Regelfall möglich, durch umleiten (Routing) der Daten weiter zu kommunizieren.
In großen Netzwerken findet man oftmals eine Struktur, die sich aus mehreren verschiedenen Topologien zusammensetzt. So ist das Internet in weiten Teilen ein vermaschtes Netz, trotzdem gibt es "Hauptverkehrsadern" (die Backbone-Leitungen), die einem Bus ähneln.
Zell-Topologie
thumb|Zelltopologie Diese Form kommt hauptsächlich bei drahtlosen Netzen zum Einsatz. Eine Zelle ist der Bereich um eine Basisstation (z.B. Wireless Access Point), in dem eine Kommunikation zwischen den Endgeräten und der Basisstation möglich ist.
Logische Topologie
Die logische Topologie von Rechnernetzen kann von der physischen abweichen. So kann Ethernet physisch als Stern oder als Bus aufgebaut sein - logisch gesehen ist es eine Bustopologie. Token Ring wird physisch als Stern über einen Ringleitungsverteiler (MSAU) realisiert; ist jedoch eine logische Ring-Topologie, da der Datenfluss logisch gesehen von Endgerät zu Endgerät läuft. ARCNET wird physisch als Baum über mehrere aktive und passive Hubs aufgebaut; der Datenfluss erfolgt aber ebenfalls von Endgerät zu Endgerät und ist somit logisch ein Ring. Die logische Topologie eines WLANs ist die Bustopologie. (Siehe auch VLAN)