Die Topologie bezeichnet bei einem Computernetz die Struktur der Verbindungen mehrerer Geräte untereinander, um einen gemeinsamen Datenaustausch zu gewährleisten.
Die Topologie eines Netzes ist entscheidend für seine Ausfallsicherheit: Nur wenn alternative Wege zwischen den Knoten existieren, bleibt bei Ausfällen einzelner Verbindungen die Funktionsfähigkeit erhalten. Es gibt dann neben dem Arbeitsweg einen oder mehrere Ersatzwege (oder auch Umleitungen).
Die Kenntnis der Topologie eines Netzes ist außerdem nützlich zur Bewertung seiner Performance, sowie der Investitionskosten und für die Auswahl geeigneter Hardware.
Es wird zwischen physischer und logischer Topologie unterschieden. Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Netzverkabelung; die logische Topologie den Datenfluss zwischen den Endgeräten.
Topologien werden grafisch (nach der Graphentheorie) mit Knoten und Kanten dargestellt.
Physische Topologien
Stern-Topologie
Bei Netzen in Stern-Topologie 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 Computernetzen kann es eine spezialisierte Einrichtung sein, zum Beispiel ein 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 Netzes
- Dieses Netz bietet hohe Übertragungsraten, wenn der Netzknoten ein Switch ist
- Leicht erweiterbar
- Leicht verständlich
- Leichte Fehlersuche
- Kombinierte Telefon- / Netzwerkverkabelung möglich
Nachteile
- Aufwändige Verkabelung
- Durch Ausfall des Verteilers wird Netzverkehr unmöglich
- Niedrige Übertragungsrate bei vielen Hosts ==> Unterteilung des Netzes mit Switch ist notwendig
Beispiele
- Telefonnetz
- Fast Ethernet (physisch)
- Token Ring (physisch)
Ring-Topologie
Bei der Vernetzung in Ring-Topologie 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 besondere Adressierungsverfahren 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 Teilnehmer 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 Netz ausfällt.
Eine Sonderform der Ringtopologie ist die Linientopologie, bei der es sich um einen "offenen Ring" handelt, d. h. der erste und der letzte Rechner sind nicht miteinander verbunden. Dieses System ist sehr einfach aufzubauen, aber auch sehr anfällig, da der Ausfall eines Rechners die gesamte weitere Datenübertragung unmöglich macht.
Daten des (veralteten) IBM-Token-Ring:
- maximale Ringlänge 800m
- Computer dürfen maximal 100m von der MAU entfernt sein
- Übertragungsrate 4 oder 16 MBit/s
- aktive Topologie
- Transportprotokoll ist Token passing
- Zugriff ist deterministisch (bestimmter Zugriff)
Vorteile
- Deterministische Netzwerkkommunikation - Vorgänger und Nachfolger sind definiert
- Alle Stationen arbeiten als Verstärker
- Keine Kollisionen
- Alle Rechner haben gleiche Zugriffsmöglichkeiten
- Garantierte Übertragungsbandbreite
Nachteile
- Der Ausfall eines Endgerätes führt dazu, dass die gesamte Netzkommunikation unterbrochen wird (Ausnahme bei Protection-Umschaltung - siehe: FDDI). Das stimmt bei neuen Karten allerdings nicht mehr, da jede Karte diese Protection-Umschaltung beherrscht.
- Teuere Komponenten
- Darf / kann nicht für kombinierte Netzwerk- / Telefonverkabelung eingesetzt werden
Beispiele
- Token Ring (logisch)
- FDDI (physisch)
In der Theorie 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
Eine Bus-Topologie besteht aus einem Hauptkabel, dem Bus, an das alle Geräte und zwei Endwiderständen angeschlossen sind. Diese Abschlußwiderstände mit dem Leitungswellenwiderstand (Z = 50 Ohm bei Koaxialkabel) dienen zu Verhinderung von Reflexionen. Der Anschluss zwischen den Geräten (also Netzkarten) und Hauptkabel erfolgt über T-Stücke.
Zugriffsverfahren (z.B. CSMA/CD) versuchen zu 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.
- Kollisionen können allerdings nicht vermieden werden, da mehrere Teilnehmer gleichzeitig oder nur gering zeitversetzt senden dürfen.
- 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.
Die Bus-Topologie ist eine passive Topologie, das heißt, die angeschlossenen Stationen führen keine Wiederaufbereitung des Signals durch. Sie greifen die Signale vom Kabel ab oder senden auf das Kabel wo sich das Signal dann in beide Richtungen ausbreitet. Hier wird von einem Diffusionsnetz gesprochen.
Vorteile
- Der Ausfall eines Rechners hat keine Konsequenzen
- Nur geringe Kosten, da nur geringe Kabelmengen erforderlich sind
- Einfache Verkabelung und Netzerweiterung
- Es werden keine weiteren Rechner zur Übermittlung der Daten benötigt
Nachteile
- Alle Daten werden über ein einziges Kabel übertragen
- Datenübertragungen können leicht abgehört (Stichwort: Sniffer) werden
- Eine Störung des Übertragungsmediums an einer einzigen Stelle im Bus (defektes Kabel, lockere Steckverbindung, defekte Netzwerkkarte) blockiert den gesamten Netzstrang (die Suche nach der Fehlerquelle ist dann oft sehr aufwändig)
- Es kann immer nur eine Station Daten senden. Während der Sendung sind alle anderen blockiert (Datenstau)
- Aufgrund der Möglichkeit der Kollisionen sollte das Medium nur zu ca. 30% ausgelastet werden
Beispiele
- Thick Ethernet (physisch)
- Thin Ethernet (physisch)
Baum-Topologie
Die Baum-Topologie ist eine Netztopologie, 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
- Der Ausfall eines Endgeräts hat keine Konsequenzen
- Strukturelle Erweiterbarkeit
- Große Entfernungen realisierbar (Kombination)
Nachteile
- Bei Ausfall eines Verteilers ist der ganze Zweig des Verteilers "tot"
Vermaschtes Netz (Sicherste Topologie)
In einem vermaschten Netz ist jedes Endgerät mit einem oder mehreren anderen Endgeräten verbunden. Wenn jeder Teilnehmer mit jedem anderen Teilnehmer verbunden ist, spricht man von einem vollständig vermaschten Netz.
Bei Ausfall eines Endgerätes oder einer Leitung ist es im Regelfall möglich, durch Umleiten (Routing) der Daten weiter zu kommunizieren. In großen Netzen 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.
Vorteile
- Sicherste Variante eines Netzwerkes
- Bei Ausfall eines Endgerätes ist durch Umleitung die Datenkommunikation weiterhin möglich
- Sehr leistungsfähig
Nachteile
- Viel Kabel ist notwendig; auch bei nicht vollständig vermaschten Netzwerken sehr aufwändig
- Sehr hoher Energieverbrauch
- Vergleichsweise komplexes Routing nötig
Zell-Topologie
Die Zell-Topologie 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.
Es gibt keine den alles ist scheiße
Nachteile
- Äußerst störanfällig und begrenzte Reichweite
- Sehr unsicher, da jeder von Außen darauf zugreifen kann (Verschlüsselung notwendig)
Beispiele
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 Bus-Topologie, da der Datenfluss von einem Endgerät gleichzeitig zu allen anderen Endgeräten erfolgt. 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 eine Ring-Topologie. Die logische Topologie eines WLANs ist die Bus-Topologie. (Siehe auch VLAN)
