Netzwerktopologie

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Netztopologien: Ringe, Die Netzwerktopologie eines Computernetzwerks bezeichnet die spezielle Ausrichtung der das Computernetzwerk bildenden Einrichtungen und Linien. Man unterscheidet zwischen physischer und logischer Struktur. Unter der Physikalischen Struktur versteht man den prinzipiellen Ablauf der Netzwerkverkabelung, unter der Logischen Struktur den Datenfluß zwischen den Teilnehmer. Die Topologien werden graphisch (nach der Graphentheorie) mit Knötchen und Rändern wiedergegeben.

Ausschlaggebend für die Zuverlässigkeit eines Netzwerks ist die Topologie: Nur wenn es zwischen den Teilnehmern Alternativpfade gibt, wird die Funktionalität bei Ausfall der einzelnen Anschlüsse beibehalten. Kenntnisse über die Netzwerktopologie sind auch für die Beurteilung von Leistung und Investition sowie für die Wahl der geeigneten Geräte hilfreich. Die Topologiedurchmesser beschreiben den maximalen direkten Abstand zwischen zwei Hopfenknoten.

Das Ausmaß einer solchen Struktur gibt die Zahl der Verbindungen pro Teilnehmer an. Dies kann für jeden einzelnen Node gleich oder unterschiedlich sein. Wenn alle Teilnehmer einer Struktur den selben Wert haben, ist die Struktur regelmäßig, was sich positiv auf das Netz auswirken kann. Darüber hinaus bezeichnet der Abschluss mittelbar die mit dem Bau der Struktur verbundenen Aufwände.

Umso größer der Wert, umso größer die Investition. Mit der Halbierungsbreite wird die Mindestanzahl der Verbindungen angegeben, die geschnitten werden müssen, um ein Netzwerk mit N Knotennetzen in zwei Netzwerke mit je N/2 Knotennetzen aufzuteilen. Dies macht es zu einem Maßstab für die Leistung eines Netzwerks, da in vielen Fällen die Teilnehmer der einen Netzwerkhälfte mit den Teilnehmern der anderen Netzwerkhälfte in Verbindung stehen.

In symmetrischer Form ist das Netzwerk aus jeder Sicht (Knoten/Links) gleich, d.h. es gibt Graph-Automorphismen für Nodes und/oder Edges. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass sich die Teilnehmer und/oder Verbindungen in einem Netzwerk gleich verhält, unabhängig davon, welchen Teilnehmer oder Link Sie betrachten. Scalability bezeichnet das geringste Netzwerkinkrement (Anzahl der Teilnehmer und Verbindungen), mit dem eine beliebige Struktur erweitert werden kann, um einen angemessenen Arbeitsaufwand, keine Leistungsverluste und die Aufrechterhaltung der topologietypischen Merkmale nach der Verlängerung zu gewährleisten.

Connectivity ist die Mindestanzahl von Teilnehmern oder Verbindungen (Edge oder Node Connectivity), die getrennt werden müssen, um das Netzwerk inoperabel zu machen. Es ist ein Mass für die Zahl der voneinander abhängigen Pfade, die zwischen zwei unterschiedlichen Nodes existieren können. Außerdem wird die Zuverlässigkeit des Netzwerks beschrieben, d.h. je größer die Verbindungsfähigkeit, umso sicherer ist das Netzwerk.

Vom Signalfluss her ist das Netz jedoch eine Bustopologie. Als Basistopologie wird die Punkt-zu-Punkt-Topologie oder Zweipunkt-Topologie bezeichnet. Er tritt auf, wenn zwei Geräte unmittelbar aneinandergrenzen. Direkter Einsatz als unabhängige Struktur z.B. im Fibre Channel-Umfeld. Für Netze in Sterntopologie werden alle anderen Teilnehmenden mit einem Zentralteilnehmer über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung angebunden (siehe auch Sterngrafik).

Ein zentraler Beteiligter muss nicht unbedingt über eine spezielle Kontrollintelligenz verfügt. Das Netzwerk einer TK-Anlage ist in der Regel auch ein Sternnetz: Die TK-Anlage ist der Zentralknoten, an den jedes Teilnehmergerät in einer Sternkonfiguration mit eigener Linie angebunden ist. Jedenfalls verursacht eine Zentralbaugruppe in einem Netzwerk eine erhöhte Wahrscheinlichkeit des Ausfalls der Einzelverbindungen: Ein Versagen des Zentralteilnehmers führt zwangsläufig zum gleichzeitigen Versagen aller Anschlussmöglichkeiten.

Das Ausfallen eines Terminals hat keine Auswirkungen auf das übrige Netzwerk. In der Ringtopologie werden zwei Knoten über Zweipunkt-Verbindungen zu einem geschlossenen Kreis zusammengeschaltet. Dabei werden die zu übertragenden Informationen von Beteiligter zu Beteiligter weitergegeben, bis sie ihr Ziel ereichen. Durch die gleichzeitige Repeaterfunktion jedes Teilnehmers (wenn keine Verteiler verwendet werden) können auf diese Weise große Distanzen überwunden werden (bei Einsatz von Glasfaserkabeln im Kilometerbereich).

Fällt einer der Beteiligten aus, wird der Ruf abgebrochen. Je nach Aufbau der Verbindung kann dies abfangen (z.B. durch Schutzschaltung) oder zu einem umfangreichen Fehler werden. Bei einem geschützten Kreis wird oft eine bestimmte "Drehrichtung" im Kreis als "Arbeitsweg" ausgewählt (z.B. im Uhrzeigersinn), der Alternativweg verläuft in die andere Richtung (im Beispiel gegen den Uhrzeigersinn).

Wenn die Kommunikation im Kreis in der Regel in beide Himmelsrichtungen erfolgt, führt der Kursteilnehmer in der Regel eine Liste, welches Gerät in welcher Richtung "kürzer" ist. Der Ringleitungsteiler vermeidet den Ausbruch des Gesamtnetzes bei einem Geräteausfall, da der Distributor fehlgeschlagene oder getrennte Abonnenten "überbrücken" kann. Als besondere Form der Ringstruktur gilt die Linienstruktur, die als "offener Ring" angesehen werden kann, d.h. "der erste und der zweite Computer sind nicht untereinander vernetzt.

Es ist sehr leicht einzurichten, aber auch sehr empfindlich, da der Ausfall eines Medienteilnehmers das Netzwerk in zwei separate Subnetze aufteilt, die nur eine weitere Datenübermittlung in sich selbst erlauben. Angaben zum (veralteten) IBM-Token-Ring: Geringe Halbierungsbreite und Connectivity, d.h. dass der Fehler eines Endgeräts dazu führt, dass die komplette Netzwerkkommunikation abgebrochen wird (abhängig von der Art der Kommunikation, z.B. Schutzschaltung, s: z.B.:

Manchmal können Netzkomponenten das Signal auch ohne ausdrückliche Spannungsversorgung direkt zum nächstfolgenden Anschluss durchschalten. Beispiel für ein Netz mit Bustopologie sind die koaxialen Varianten 10 Mbit/s und WLAN. Allerdings ist eine Zentralsteuerung oft unpraktisch, insbesondere in komplexen Netzen wie z. B. Computernetzen. So werden in Netzen mit einer dezentralen Ansteuerung gleichzeitig schreibende Zugriffe (Kollisionen) detektiert und die daraus resultierenden Fehler behoben.

Tree-Topologien sind dadurch charakterisiert, dass sie eine Basis (den ersten oder oberen Knoten) haben, von der eine oder mehrere Ränder (Links) stammen. Dies führt weiter zu einem Laub (Endknoten) oder "rekursiv" zu Innenknoten von Unterbäumen ( "Wurzeln" von weiteren "Zweigen"; s. auch Tree (Graphentheorie)). In großen Häusern wird diese Form oft verwendet.

Der Nachteil ist jedoch die größere KomplexitÃ?t der Root Elemente (Grad k). Der Ringbaum ist ein gewöhnlicher Binär- oder Kilobaum, dessen Flügel mit einem Kreis auf der selben Fläche verbunden sind (sogenannte Horizontalringe). Dadurch werden die Root-Elemente der oberen Schichten entlastet, da nun sozusagen vor Ort kommuniziert werden kann, ohne erst einige Stufen nach oben und dann wieder nach unten gehen zu müssen.

Praktisch werden nur wenige Punkte einer Fläche (z.B. die beiden äußeren und die mittleren) zu einem sogenannten Unterbrechungsring gekoppelt. Dies hat den Vorzug, dass es weniger komplex ist als ein kompletter Kranz, aber dennoch einige der oben genannten Vorzüge aufweist.

Die Hyperstruktur arbeitet nach dem selben Funktionsprinzip wie der ringaufgeklappte Strukturbaum, aber die weiteren Anschlüsse beschränken sich nicht auf die horizontalen, sondern schließen die einzelnen Elemente an. Das wird durch eine erhöhte Bandweite zur Root hin erzielt, z.B. durch mehrere parallele Verknüpfungen vom Root-Knoten zu den Unterebenen. Ist jeder Teilnehmende mit jedem anderen Teilnehmern in Verbindung, wird dies als voll vermaschtes Netzwerk bezeichnet.

Im Falle eines Ausfalls eines Endgeräts oder einer Linie ist es in der Regel möglich, die Kommunikation durch Umleitung ( "Routing") der gesendeten Informationen fortzusetzen. Das Sternbusnetzwerk wird gebildet, wenn unterschiedliche Verteilungen das Herzstück eines Sternes darstellen, diese aber über ein Buskabel untereinander vernetzt sind. Wenn unterschiedliche Distributoren das Herz eines Sternes darstellen und diese ihrerseits über ein separates Verbindungskabel mit einem Distributor in Verbindung stehen, wird ein Sternnetz (auch erweitertes Sternnetz genannt) aufgebaut.

Die Verkabelung dieser Art ist heute Standard in Ortsnetzen. Bei Computernetzwerken kann die Logik von der physikalischen Struktur des Netzwerks verschieden sein. Bei Verwendung eines Hubs gibt es eine konsequente Bustopologie, da der Datenfluß von einem Terminal zu allen anderen Terminals simultan abläuft. Wird jedoch ein Schalter eingesetzt, ist die Logik auch eine sternförmige oder Punkt-zu-Punkt-Verbindung.

Die physikalische Implementierung von Tokens ist sternförmig über einen Ringleitungs-Verteiler (MSAU) erfolgt, ist aber eine Logik-Ringtopologie, da der Datenstrom von Gerät zu Gerät durchläuft. Bei einem WLAN ist die Logik die Bustopologie. Overlaynetze formen in der Regel auf der Grundlage von untergeordneten physikalischen Gebilden ein logisches Netz. Das Overlay-Netzwerk kann sich von der Struktur der zugrundeliegenden physikalischen Netzwerke völlig abheben.

Vietnam + Tübner Verlagshaus, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0425-9. Hochspringen ? Topologien / Netzwerkstrukturen.