Netzwerktopologie

Der Begriff Netzwerktopologie

Die Topologie eines Netzes beschreibt die Art und Weise, wie die Knoten dieses Netzes
untereinander verbunden sind.
Netzwerktopologie meint allgemein die Art der Verbindung, die verwendet wird, um zwei oder mehrere Computer miteinander zu vernetzen. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen physischer und logischer Topologie. Unter der physischen Netzwerktopologie wird die äußere, sichtbare Vernetzung verstanden, während sich logisch auf den internen Weg des Datenaustausches bezieht. Der Unterschied
zwischen physischer und logischer Topologie ist am Beispiel des weltweiten Verbundes aus
öffentlichen Telefonnetzen gut sichtbar. Jeder Teilnehmer ist von jedem anderen erreichbar,
obwohl jeder Teilnehmer physisch nur mit der nächsten Ortsvermittlungsstelle verbunden ist.
Aus Kostengründen ist die Bestimmung einer optimalen Topologie eine wichtige
Designaufgabe, insbesondere, wenn die geographische Ausdehnung des Netzes groß ist. In
der Regel wird es selten möglich sein, dass jeder Knoten physisch mit jedem anderen
verbunden werden kann.

Die Entscheidung, welche physische Topologie im spezifischen Fall die beste ist, wird vor allem von den verwendeten Kabeln, die den Kommunikationsweg darstellen sollen, sowie gegebenenfalls benötigter Zusatzkomponenten abhängen. Es haben sich drei Haupttopologien herauskristallisiert, die jeweils unterschiedlichen Ansprüchen gegenüber Wirtschaftlichkeit und Ausfallsicherheit genügen. Auf diese soll nun näher eingegangen werden. 




Die Bus - Architektur




Ein Netzwerk, das physisch auf der Bus-Topolgie beruht, besteht in der Regel aus einem langen Hauptkabel, an das alle beteiligten Rechner mittels Verbindungsglieder, so genannter T-Stücke, angeschlossen sind. Dies hat den Vorteil, dass vergleichsweise wenig finanzieller und organisatorischer Aufwand von Nöten ist, um ein solches Netzwerk einzurichten. Werden Daten von einem Computer ausgesandt, so geschieht das nicht, wie bei der Ring-Topologie, in eine Richtung, sondern der Datenstrom wird jeweils in beide Kabelrichtungen verteilt und an den beiden Kabelenden durch einen installierten Widerstand aufgefangen. Somit wird die Reflexion und die damit verbundene Überlagerung beider Datenströme verhindert.
Die Bus-Topologie kommt fast ausschließlich beim Einsatz eines Ethernet-Netzwerkes zum
Einsatz. Durch die Ausführung als "großer" Kabelstrang ergibt sich eine sehr kostengünstige
Verlegung. Ein großer Nachteil dieser Topologie stellt der Ausfall bzw. der Austausch einer
Netzwerkkomponente (Rechner) dar. Sobald die Verbindung (das Kabel) unterbrochen wird,
ist damit auch der Zugriff der übrigen Komponenten auf das Netzwerk unterbrochen.

Als Sonderform der Bus-Topologie kann die Baum-Topologie angesehen werden. Dabei
erfolgt die Anordnung zwar ebenfalls in Form eines Busses, aber zusätzlich wird auf den
einzelnen Kabelsträngen noch eine weitere Unterleitung in hierarchischer Form
vorgenommen. 


Die Ring - Architektur 

Bei der Ring-Topologie handelt es sich um eine Verbindungsart, bei der jeder Computer mit zwei weiteren direkt in Verbindung steht und sich so ein geschlossener Kreislauf ergibt, ohne dass zusätzliche Komponenten mit eingebracht werden müssen. Bei nur zwei zu vernetzenden Computern ist natürlich je nur eine Verbindung nötig. Der Datenfluss ist stets gerichtet, das heißt, die Daten werden nur in eine bestimmte Richtung übertragen.

Fällt jedoch einer der miteinander verbundenen Rechner aus oder entsteht an einer beliebigen Stelle ein Kabelbruch, so ist das gesamte Netzwerk funktionsuntüchtig, da der Datenstrom in diesem Falle unterbrochen wird.Bedingt durch die Ring – Architektur wirkt jede Arbeitsstation innerhalb eines solchen
Netzwerks wie ein Übertragungsrechner. Um nämlich die Daten von einer Arbeitsstation zu
einer anderen zu schicken müssen zwangsläufig die dazwischen liegenden Rechner diese
Daten weitergeben.
Auf diese Art und Weise wird jedoch zusätzlich erreicht, dass die Daten bei der Weitergabe
durch die Arbeitsstationen jeweils neu verschickt werden. Dies kommt dem Effekt eines
Signalverstärkers sehr nahe, was wiederum eine sehr hohe Sicherheit der Übertragung
gewährleistet. Durch die Verstärkung des übertragenen Signals kann die Ausdehnung eines
solchen Netzwerks generell sehr groß sein, denn es treten keine Signalverluste auf.
Die Erweiterung eines Netzwerkes in Ringtopologie lässt sich in der Regel mit sehr geringem
aufwand durchführen, denn so ist es grundsätzlich jederzeit möglich, zwischen bestehenden
Arbeitsstationen einen weiteren Rechner „einzuhängen“.
Allerdings hat die Form eines Rings auch einen sehr großen Nachteil, denn sobald der Ring
an einer Stelle unterbrochen wird, ist damit das gesamte System „lahmgelegt“. 
Ein weiterer Nachteil ist der hohe Verkabelungsaufwand, vor allem, wenn große Entfernungen überbrückt werden müssen, etwa zwischen dem ersten und dem letzten zu verbindenden PC. Ringnetzwerke sind sehr leicht und vergleichsweise günstig erweiterbar, da es nur eines weiteren Kabels bedarf, um einen Rechner hinzuzufügen. Allerdings wird für den Zeitraum der Erweiterung das gesamte System außer Kraft gesetzt; ein Hinzufügen neuer Komponenten während des Betriebes ist nicht möglich.
Bei entsprechend regelmäßiger Anordnung der beteiligten Computer ist mit der Ring-Topologie der Aufbau größerer Netzwerke durchaus möglich, da hierbei lediglich jeweils der Abstand zweier PCs durch Kabel überwunden werden muss. Es sollte allerdings stets das relativ hohe Risiko beim Ausfall eines Rechners bedacht werden, das trotz des meist vorhandenen Doppelringes bei diesem Netzwerk besteht.
 

Die Stern - Architektur

Bei dieser Topologie sind die einzelnen Arbeitsstationen "sternförmig" um den Server oder um einen beliebigen anderen Verteiler herum angeordnet.
Beim Einsatz der Stern-Topologie erfolgt der Anschluss der einzelnen Arbeitsstationen nicht direkt am Server, sondern beispielsweise an
einem so genannten Hub oder auch in einem Ringleitungsverteiler; dies ist schon allein
deshalb notwendig, weil ein Server nicht genügend Anschlussmöglichkeiten zur Verfügung
stellen kann.
Während bei der Bus-Topologie und bei der Ring-Topologie alle Netzwerkknoten
gleichberechtigt sind existiert bei einem Sternnetz ein spezieller Konten (z. B. ein Hub), mit
dem alle Geräte in dem betreffenden Netz verbunden sind. Durch den Ausfall einer
Verbindung in einer Stern-Topologie werden alle übrigen Verbindungen (Arbeitsstationen)
nicht beeinträchtigt (wie beispielsweise bei der Ring-Topologie). Allerdings bedingt diese
universelle Verkabelungsform immer einen Mehraufwand an Verkabelungsarbeiten.
Bei Betrachtung aller Vor- und Nachteile sollten jedoch die positiven Effekte einer solchen
Topologie (Unabhängigkeit einzelner Arbeitsstationen, universelle Verkabelungsart) auf
keinen Fall außer Auch gelassen werden.
Aus einer Sternförmigen Anordnung der einzelnen Arbeitsstationen um einen zentralen
Verteiler ergeben sich zwei Nachteile. So wird zum Aufbau eines solchen Systems grundsätzlich mehr Kabel benötigt, denn es muss ja von jeder
Arbeitsstation ein separates Kabel zurück zum Server bzw. dem zentralen Verteiler führen. Sobald der zentrale Kontenrechner (Hub, Ringleitungsverteiler,...) ausfällt; so ist das gesamte Netzwerk lahmgelegt und keine Arbeitsstation hat die Möglichkeit, mit anderen zu kommunizieren.
Das Prinzip der Stern-Topologie stellet generell ein sehr aufwendiges Verfahren dar.
Allerdings hat die Stern-Verkabelung den großen Vorteil, dass diese jederzeit ohne
Beeinträchtigung der Funktionalität des übrigen Netzwerks erweitert werden kann. So könne
jederzeit nachträglich neue Arbeitsstationen hinzugefügt werden. Gleichfalls ist im laufenden
Betrieb auch ein "Abhängen" von Arbeitsstationen möglich, ohne dass die anderen
Arbeitsstationen dadurch in Mitleidenschaft gezogen würden. Möglich macht dies die
separate Verkabelung jeder einzelnen Arbeitsstation. Bedingt dadurch führt auch
beispielsweise ein Kabelschaden nicht zwangsläufig zum Ausfall des gesamten Systems.
Durch die zentrale Verwaltung der Arbeitsstationen werden an das Betriebssystem, das die
Steuerung übernimmt, keine großen Anforderungen gestellt. Allerdings ergibt sich bei einem
Anwachsen der Zahl an Arbeitsstationen zwangsläufig die Notwendigkeit, dass der zentrale
Rechner über entsprechende Kapazitäten (Puffer-Speicher usw.) verfügen muss.
Um das Problem der Überlastung des Knotenrechners zu umgehen, kann alternativ das so
genannte Polling-Verfahren eingesetzt werden.


Mischformen 
Neben den Grundformen der unterschiedlichen Netzwerktopologien sind eine Vielzahl von
Kombinationen aus ihnen denkbar. Dabei entstehen diese Mischformen meist durch die
Verknüpfung verschiedener Netzwerke zu einem größeren System.
Bei der Auswahl der geeigneten Topologie sollte deshalb grundsätzlich immer beachtet
werden, dass es unter Umständen durchaus möglich und sinnvoll sein kann, die drei zuvor
dargestellten Formen innerhalb eines Netzwerkverbundes gleichzeitig zu verwenden
(Stichwort: Internet). Auf diese Art und Weise entstehen dann die sogenannten
„Mischformen“.
Egal, welche Topologie letztendlich zum Einsatz kommt, entscheidend ist, dass aufgrund der
Erhöhung der angeschlossenen Arbeitsstationen der Zuwachs an Datenverkehr innerhalb
eines Netzwerks ein generelles Problem darstellt. So ergibt sich bei allen Topologien ab einer
gewissen Ausdehnung die Notwendigkeit, bestimmte Vorkehrungen gegen die Überlastung zu
treffen (Switching usw.). Darüber hinaus werden heutzutage die unterschiedlichen
Topologien teilweise auch direkt in den einzelnen Komponenten eines Netzwerks (Router,
Hub usw.) abgebildet.



Die Baum – Topologie
 
Der Baum ist eigentlich keine Grundtopologie, sondern schon eine zusammengesetzte
Topologie, in der Busse, Sterne und andere Topologien erkannt werden können. Der in der
Abbildung dargestellte Baum kann z. B. als ein Sternnetz, bei dem zwei Stationen selbst
Zentralknoten für zwei kleinere Sternnetze sind angesehen werden. Kennzeichnend für die
Baumstruktur ist in erster Linie eine hierarchische Verbindung der Stationen untereinander.
Die Station an der Spitze wird Wurzel des Baums genannt. Eine Station am Rande - über die
keine andere Station erreicht wird - nennt man Blatt eines Baumes. Der Baum ist für das
Routing besonders interessant, da nur ein einziger Pfad zwischen einem beliebigen
Knotenpaar existiert.


Die Maschen – Topologie
Das einfachste Vorgehen bei der Suche nach einer Topologie wäre es, jedes Gerät mit jedem anderen zu verbinden. Jedoch kann die Masche nur in seltenen Fällen realisiert
werden, denn die Komplexität des Netzes steigt proportional zum Quadrat der Anzahl der zu verbindenen Knoten. Bei großen Netzwerken wäre dies nicht nur aus Kostengründen nicht möglich, sondern ebenso aufgrund der schwierigen Verwaltung von so vielen Verbindungen im täglichen Netzbetrieb. Netze, die öffentliche Übertragungseinrichtungen benutzen, haben oft eine teilvermaschte Topologie oder Teilmasche. Die Teilmasche ist eine Vereinfachung der Masche, in der nicht mehr jedes Gerät mit jedem anderen, sondern naus ausgewählte Geräte untereinander verbunden sind. Für zwei knoten, die nicht physisch untereinander verbunden sind und dennoch miteinander kommunizieren sollen, muß mindestens ein Pfad existieren.

Topologie	Vorteile	Nachteile
Bus-Topologie	einfach installierbar kurze Leitungen Geringer Verkabelungsaufwand. Der Ausfall eines Rechners hat keine Auswirkungen auf das Gesamtnetz. Einfache Erweiterung.	Netzausdehnung begrenzt bei Kabelbruch fällt Netz aus aufwändige Zugriffsmethoden Daten können einfach abgehört werden. aufwendige Fehlersuche Hoher Datenverkehr, da eine Station an alle sendet
Ring-Topologie	verteilte Steuerung große Netzausdehnung Alle Arbeitsstationen haben die gleichen Zugriffsrechte auf das Medium	aufwendige Fehlersuche bei Störungen Netzausfall hoher Verkabelungsaufwand Leichtes Abhören der Daten möglich
Stern-Topologie	einfache Vernetzung einfache Erweiterung hohe Ausfallsicherheit Einfache Fehlersuche Kombinierte Telefon- / Rechnernetzverkabelung möglich	hoher Verkabelungsaufwand Netzausfall bei Ausfall oder Überlastung des Hubs
Vermaschte Topologie	dezentrale Steuerung unendliche Netzausdehnung hohe Ausfallsicherheit	aufwendige Administration teure und hochwertige Vernetzung