Allgemein
Die Topologie eines Rechnernetzes beschreibt die Art der Leitungs- bzw. Kabelführung. Es handelt sich um die Geräte- und Leitungsanordnung, worüber die Computer verbunden sind und Daten austauschen. Topologien werden grafisch mit Knoten dargestellt.
In großen Netzwerken findet man oft eine Struktur, die sich aus mehreren verschiedenen Topologien zusammensetzt. Diese Topologien sind entscheidend für seine Ausfallsicherheit, d.h. nur wenn alternative Wege zwischen den Knoten existieren, bleibt die Funktionsfähigkeit, selbst beim Ausfall einer einzelnen Verbindungen, erhalten.
Einteilung
physikalische Topologie:
-> beschreibt den Aufbau der Netzwerkverkabelung
Punkt-zu-Punkt-Verbindung:
Dies ist die einfachste und auch die grundlegende Topologie. Hierbei werden zwei Rechner direkt miteinander verbunden.Vorteile:
- leicht verständlich
- Rechner erhalten die gesamte Bandbreite
- kein Routing (festlegen von Wegen für Nachrichtenströme) nötig
- hoher Verkabelungsaufwand
- keine zentrale verwaltung
Sterntopologie:
Im Stern hängen alle Endsysteme an einem Übertragungssystem (Server). Dieser ist mit einer Punkt-zu-Punkt- Verbindung mit den Endgeräten verbunden.
Vorteile:
- keine Auswirkung auf das restliche Netzwerk, bei Beschädigung eines Kabels oder Ausfall eines Endsystems
- leicht erweiterbar
- schnelle Datenübertragung
- leicht verständlich
- leichte Fehlersuche
- kombinierte Telefon-/ Rechnernetzverkabelung möglich
- bei Ausfall des Servers, bricht das Netz zusammen
- es wird viel Kabel benötigt
- begrenzte Buslänge
Ringtopologie:
Es werden 2 Teilnehmer über Zweipunktverbindung miteinander verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Informationen werden von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergeleitet, bis sie den Bestimmungsort erreichen. Dabei werden besondere Adressierungsverfahren genutzt, um Überschneidungen zu vermeiden.
Bei einem Ausfall eines Teilnehmers ist der ring unterbrochen. Es kann aber in einem Ring mit Protection abgefangen werden. Meist steht als "Arbeitsweg" eine "Drehrichtung" fest (z.B. im Uhrzeigersinn), der Ersatzweg führt dann in die entgegen gesetzte Richtung.
Vorteile:
- alle Teilnehmer fungieren als Verstärker
- alle Rechner haben gleiche Zugriffsmöglichkeit
- einfach aufzubauen -> leicht programmierbar
- große Entfernungen können überbrückt werden
- hohe Anfälligkeit; Ausfall eines Teilnehmers -> kann die gesamte Netzkommunikation unterbrechen
- bei Verwendung eines Ringverteilers lange Signalwege mit häufige, Empfangen und Weitersenden -> hohe Verzögerungszeit zu entfernten Knoten
- ohne Ringverteiler -> hoher Verkabelungsaufwand
- Daten sind leicht abzuhören
- langsame Datenübertragung bei vielen angeschlossenen Geräten
Linientopologie:
Diese Form ist ein "offener Ring", dabei sind der erste und letzte Rechner nicht miteinander verbunden, d.h. alle Teilnehmer sind in einer Reihe geschalten. Das System ist einfach aufzubauen, aber auch sehr anfällig. Bei Ausfall eines mittleren Teilnehmers, ist die Kette in 2 Teile geteilt und die Datenübertragung nur noch in dem jeweiligen Teil möglich. Während der Datenübertragung können jedoch alle Teilnehmer auf die Informationen zugreifen, wenn sie die jeweilige Station durchlaufen.
Vollvermaschung:
Hierbei ist jede Station mit jeder verbunden. Es hat die höchste Ausfallsicherheit, da bei einem Ausfall es meist durch Umleitung der Daten möglich ist, weiterhin zu kommunizieren.
Vorteile:
- sicherste Variante eines Rechnernetzes
- bei Ausfall, Kommunikation weiterhin möglich
- sehr leistungsfähig
- Netz benötigt kein Routing
- viele Kabel nötig
- hoher Energieverbrauch
- komplexes Routing nötig für NICHT-vollvermaschte Netze
Bus-Topologie:
Bei einer Bus-Topologie sind alle Geräte mit demselben Übertragungsmedium, dem Bus, verbunden. Das Übertragungsmedium ist meist als Kabel, Kabelbündel oder bei Funknetzen der freie Raum. Bei kleineren physikalischen Ausdehnungen ist das System oft direkt auf einer Leiterplatte (Träger für elektronische Bauteile) realisiert.
Ist das Übertragungssystem eines Busses ein Shared Medium (z.B. wird dieselbe Kupferader von alles Teilnehmern gemeinsam zur Datenübertragung genutzt), muss sichergestellt werden, dass immer nur ein Gerät zum selben Zeitpunkt Signale auf das Übertragungsmedium sendet. Der Rechner muss eine Anfrage über eine separate Leitung an den Bus-Arbiter (zentrale Steuerung) stellen.
Beim Zeitschieben-Verfahren senden die Rechner in einem starren Zeitraster auf dem geteilten Medium. Es gibt für jeden Rechner nur einen geringen Zeitintervall, der zum Senden genutzt werden kann, danach ist der nächste Rechner zum Senden berechtigt.
Vorteile:- geringe Kosten, aufgrund geringer Kabelmengen
- einfache Verkabelung und Netzerweiterung
- keine aktiven Netzwerkkomponenten benötigt
- leichte Abhörung möglich
- eine Störung des Übertragungsmediums an einer einzigen Stelle -> Blockierung des gesamten Netzstrangs
- es kann immer nur eine Station Daten senden -> anderen Sender sind blockiert
Baum-Topologie:
Bei der Baum-Topologie ist ein Teilnehmer die Wurzel, woraus sich die anderen Teilnehmer weiterverzweigen können. Dadurch ergibt sich eine Hierarchie. Hierbei müssen Verbindungen zwischen den Verteilern mittels eines Uplinks (Datenflussrichtung, welche aus der Sicht eines Endgeräten RichtungTelekommunikationsnetz geht) hergestellt werden. Häufig wird diese Topologie in großen Gebäuden eingesetzt.
Vorteile:
- der Ausfall eines Endgeräts hat keine Konsequenzen
- strukturelle Erweiterbarkeit
- große Entfernungen können überbrückt werden
- eignet sich für Such- und Sortieralgorithmen
- bei Ausfall eines Verteilers ist der ganze untere Baum von diesem nicht mehr erreichbar
- kann zu Engpässen kommen, da zur Kommunikation von der einen unteren Baumhälfte in die andere Hälfte immer über die Wurzel gegangen werden muss
- mit zunehmender Tiefe haben die Bäume einen sehr hohen Durchmesser; führt in Verbindung mit Bisektionsweite (minimale Anzahl von Links, die geteilt werden müssen) zu schlechten Lantenzeigenschaften
- k-Baum
- ringerweiterter Baum
- fetter Baum
- Hyperbaum
Zell-Topologie:
Diese Topologie kommt hauptsächlich bei drahtlosen Netzen zum Einsatz. Weshalb Decken oder Wände keine Hindernisse für die Datenübertragung darstellen. Eine Kommunikation zwischen den Endgeräten und der Basisstation ist möglich im Bereich einer Zelle um eine Basisstation. Innerhalb der Zell-Topologie entspricht die Topologie der Bus-Topologie. Jedoch unterscheiden sich diese von einem Bus, wenn mehrere Zellen überlappen. Die Zell-Topologie ist sehr unsicher, da die Funknetze unter anderem auch vor den Gebäuden noch empfangen werden können.
Vorteile:
- keine Kabel nötig
- keine Störungen durch Ausfall von Endgeräten
- äußerst störanfällig
- begrenzte Reichweite
- sehr unsicher -> jeder könnte von außen zugreifen (Verschlüsselung nötig)
Hybride Topologien:
Hybride Topologien verwenden mindestens zwei Topologien in einem Netz.
als Beispiel:
Stern-Bus:
Diese Kombination entsteht, wenn verschiedene Verteiler jeweils das Zentrums einen Sterns bilden, jedoch über ein Bus-Kabel miteinander verbunden sind.
->Einsatz: früher bei Gebäuden über mehrere Stockwerke (seit Ende des 20. Jahrhunderts aber nicht mehr eingesetzt)
Stern-Stern:
Dieser Hybrid entsteht, wenn verschiedene Verteiler das Zentrum eines Sterns bilden und diese Verteiler wiederum über ein eigenes Kabel mit Verteiler verbunden sind. Diese Topologie wird heute noch eingesetzt und ist die Standartverkabelung in lokalen Netzwerken. (universelle Gebäudeverkabelung)
logische Topologie:
Die logische Topologie kann von der physischen abweichen. Diese beschreibt den Datenfluss im Netzwerk, also wie Teilnehmer auf ein Medium zugreifen und im Netzwerk kommunizieren. Die 2 häufigsten Arten von logischen Topologien sind Broadcast und Tokenweitergabe.
In einer Broadcast-Topologie sendet ein Teilnehmer eine Nachricht an alle anderen Stationen im Netzwerk gleichzeitig, ohne einer Reihenfolge zu folgen.
Tokenweitergabe steuert den Netzwerkzugriff, indem ein elektronisches Token (z.B. Mobiltelefone/Smartphones) an jeden Teilnehmer weitergegeben wird. Wenn ein Teilnehmer Daten übertragen will, fügt der Teilnehmer die Daten und eine Zieladresse zum Token hinzu, der ein speziell formatiertes Frame ist. Das Token wandert dann zu einer anderen Station mit der Zieladresse weiter. Das Ziel nimmt die Daten dann aus dem Frame. Wenn ein Teilnehmer keine Daten zu übertragen hat, wird der Token an einen anderen weitergeleitet.