mini|380px|Netzwerktopologien: Ring, Vermaschtes Netz, Stern, vollvermascht, Linie/Reihe, Baum, Bus
Die Topologie eines Rechnernetzes beschreibt die spezifische Anordnung der Geräte und Leitungen, die ein Rechnernetz bilden, über das die Computer untereinander verbunden sind und Daten austauschen.
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. Dabei sind Knoten die Kommunikationsteilnehmer des Netzwerkes und Kanten die physischen oder logischen Verbindungen, im Weiteren auch als Links bezeichnet.
In großen Netzen findet man oftmals eine Struktur, die sich aus mehreren verschiedenen Topologien zusammensetzt.
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 neben dem Arbeitsweg einen oder mehrere Ersatzwege (oder auch Umleitungen).
Die Kenntnis der Topologie eines Netzes ist außerdem nützlich zur Bewertung seiner Performance sowie notwendig für eine Investitionsplanung und für die Auswahl geeigneter Hardware.
Kennwerte Durchmesser
Der Durchmesser einer Topologie beschreibt die maximale direkte Entfernung zwischen zwei Knoten in Hops. Damit ist er ein direktes Maß für die zu erwartenden maximalen Transferzeiten, d. h. je größer der Durchmesser, desto größer die Transferzeit im ungünstigsten Fall.
Grad
Der Grad einer Topologie gibt die Anzahl der Links pro Knoten an. Diese kann für jeden Knoten gleich oder verschieden sein. Haben alle Knoten einer Topologie den gleichen Grad, so ist die Topologie regulär, was sich vorteilhaft auf das Netzwerk auswirkt. Außerdem beschreibt der Grad indirekt, welche Kosten man zum Aufbau der Topologie aufbringen muss. Je höher der Grad, desto höher die Kosten.
Bisektionsweite
Die Bisektionsweite gibt die minimale Anzahl von Links an, die durchgeschnitten werden müssen, um ein Netz mit N Knoten in zwei Netze mit jeweils N/2 Knoten zu teilen. Damit ist sie ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Netzes, da in vielen Algorithmen die Knoten der einen Netzhälfte mit den Knoten der anderen Hälfte kommunizieren. Je niedriger also die Bisektionsweite, desto ungünstiger wirkt sich dies auf den Zeitbedarf für den Datenaustausch zwischen beiden Netzhälften aus.
Symmetrie
Bei einer symmetrischen Topologie sieht das Netz von jedem Betrachtungspunkt (Knoten/Links) gleich aus, das heißt, es existieren für Knoten und/oder Kanten sogenannte Graphen-Automorphismen. Einfach gesprochen heißt dies, dass sich Knoten und/oder Links in einem symmetrischen Netz gleich verhalten, egal welchen Knoten oder welchen Link man betrachtet. Dies hat äußerst positive Auswirkungen (Vereinfachung) auf die Programmierung, die Lastverteilung und das Routing, da es keine Spezialfälle zu betrachten gibt.
Skalierbarkeit
Die Skalierbarkeit gibt das kleinste Netzinkrement (Anzahl von Knoten und Links) an, um das man eine Topologie erweitern kann, um vertretbaren Aufwand, keine Leistungseinbußen und die Beibehaltung topologietypischer Eigenschaften nach der Erweiterung zu garantieren.
Konnektivität
Die Konnektivität gibt die minimale Anzahl von Knoten oder Links (Kanten- bzw. Knotenkonnektivität) an, die durchtrennt werden müssen, damit das Netz als solches nicht mehr funktionstüchtig ist. Sie ist ein Maß für die Anzahl der unabhängigen Wege, die es zwischen zwei verschiedenen Knoten geben kann. Damit beschreibt sie auch die Ausfallsicherheit des Netzes, d. h. je höher die Konnektivität, desto ausfallsicherer ist das Netz.
Physische Topologien Häufig sind elektrische/Signal-Topologie (OSI-Schicht 1) und Anscheins-Topologie (wie die Kabel zu verlegen sind) nicht übereinstimmend.Netzarten, Topologien und Zugriffsverfahren, Dirk H. Traeger, Andreas Volk, Kapitel LAN Praxis lokaler Netze, S. 88, Bild 3.2 (auf 'look inside' klicken) Weitverbreitetes Beispiel ist 100-Mbit-Ethernet (100BASE-T mit Hub): Die Kabel werden in Sternform von den Endgeräten zum Hub geführt. Aus Sicht des Signalflusses ist das Netzwerk jedoch eine Bus-Topologie.
Punkt-zu-Punkt-Topologie Eine grundlegende Topologie ist die Punkt-zu-Punkt-Topologie oder Zweipunkttopologie. Sie kommt zu Stande, wenn zwei Knoten direkt miteinander verbunden werden. Alle komplexeren Topologien, die kein Shared Medium verwenden, basieren auf diesem einfachen Konstruktionsprinzip. Zweipunkttopologien gehören wegen der Direktverbindung zu den leistungsfähigsten Konstrukten. Direkte Verwendung als eigenständige Topologie ist z. B. im Bereich von Fibre-Channel-Netzen.
Vorteile
Dieses Netz bietet jedem angeschlossenen Rechner die gesamte Bandbreite des Übertragungsmediums. vorhersagbare nutzbare Übertragungsrate leicht erweiterbar leicht verständlich leichte Fehlersuche kein Routing benötigt
Nachteile Mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung können nur zwei Kommunikationsteilnehmer verbunden werden. Wenn diese beiden bereits alle zu verbindenden Teilnehmer sind, dann gibt es keine prinzipiellen Nachteile dieser Topologie.
Sollen mehr als zwei Teilnehmer verbunden werden, jedoch immer nur in Punkt-zu-Punkt-Topologie, so müssen weitere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eingerichtet werden; prinzipiell ergibt sich dann eine der anderen Topologien, jedoch mit dem Nachteil, dass meist „händisches Routing“ benötigt wird. Werden die Verbindungen automatisch verwaltet und Nachrichten automatisch geroutet, dann wird das Gesamtnetz nicht mehr als Punkt-zu-Punkt -Topologie betrachtet, sondern als eine der anderen Topologien – nur noch auf Punkt-zu-Punkt basierend.
Stern-Topologie mini|Jedes Endgerät ist mit dem Verteiler verbunden; die Endgeräte untereinander sind nicht verbunden.
Bei Netzen in Stern-Topologie sind an einen zentralen Teilnehmer alle anderen Teilnehmer mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung angeschlossen (siehe auch Sterngraph). In Computernetzen kann es eine spezialisierte Einrichtung sein, zum Beispiel ein Switch. Auch das Netz einer Nebenstellenanlage ist gewöhnlich ein Sternnetz: Die Vermittlungsanlage ist der zentrale Knoten, an den jeder Teilnehmerapparat mit einer eigenen Leitung sternförmig angeschlossen ist. 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).
Die Verbindung mehrerer Sterne ohne Maschen bildet einen Baum.
Vorteile
Der Ausfall eines Endgerätes hat keine Auswirkung auf den Rest des Netzes. hohe und verschiedene Übertragungsraten möglich leicht erweiterbar leicht verständlich leichte Fehlersuche sehr gute Eignung für Multicast-/Broadcastanwendungen einfaches Routing im Sternverteiler
Nachteile
Durch Ausfall des Verteilers wird Netzverkehr unmöglich
Ring-Topologie mini|Jedes Endgerät ist mit genau zwei anderen verbunden.
Bei der Vernetzung in Ring-Topologie werden jeweils zwei 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. Da jeder Teilnehmer gleichzeitig als Repeater wirken kann (wenn keine Splitter eingesetzt werden), also das Signal wieder verstärkt/auffrischt, können auf diese Art große Entfernungen überbrückt werden (bei Verwendung von Lichtwellenleitern (LWL) im Kilometerbereich).
Wird im Ring generell in beide Richtungen kommuniziert, so führen die Teilnehmer meist Listen, zu welchem Zielgerät es in welche Drehrichtung „kürzer“ ist. Eine Ringunterbrechung kann dann als „unendlich“ für Zielgeräte markiert werden, die in eine Richtung nicht mehr erreichbar sind – womit automatisch die andere Drehrichtung gewählt wird.
Wird im Ring nur in eine (Dreh-)Richtung kommuniziert, dann wird bei einem Ausfall von einem der Teilnehmer der Ring unterbrochen. Abhängig von der Organisation der Kommunikation kann dies abgefangen werden (z. B. durch Protection-Umschaltung) oder zum weitgehenden Ausfall führen. In einem Ring mit Protection sind alle Leitungen doppelt; dadurch gibt es eigentlich zwei Ringe, einen „Arbeitsweg“ und einen „Ersatzweg“. Die beiden Ringe werden meist in gegensätzlicher „Drehrichtung“ betrieben. Wenn an einer Stelle ein oder beide Ringe unterbrochen wurden, kann immer noch jeder Teilnehmer jeden anderen erreichen. Verwendung findet dieses Verfahren unter anderem auch bei Feldbussystemen auf Lichtwellenleiter-Basis.
Wird ein Ringleitungsverteiler (deutsch: RLV, engl.: MAU=Multistation Access Unit) eingesetzt, dann wird jedes Gerät nur mit einem Kabel mit dem RLV verbunden. Der RLV reicht die Daten dabei von einem Port zum nächsten weiter. Damit hat man technisch eine Stern-, logisch aber eine Ring-Topologie. Auch die Verbindung mehrerer RLV ist möglich, wobei die Ring-Topologie erhalten bleibt. Mit Ringleitungsverteiler wird der Ausfall des gesamten Netzes bei Ausfall eines Endgerätes verhindert, da der Verteiler ausgefallene oder abgeschaltete Teilnehmer „überbrücken“ kann.
Eine Sonderform der Ringtopologie ist die Linientopologie, die als ein „offener Ring“ betrachtet werden kann, 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 mittleren Teilnehmers das Netz in zwei getrennte Teilnetze spaltet, die nur noch in sich weiter Datenübertragung ermöglichen.
Daten des (veralteten) IBM-Token-Rings: maximale Ringlänge 800 m Computer dürfen maximal 100 m von der MAU entfernt sein Übertragungsrate 4, 16 oder 100 Mbit/s aktive Topologie Transportprotokoll ist Token passing Zugriff ist deterministisch (bestimmter Zugriff) wird nur über MAC-Adressen angesprochen
Vorteile
deterministische Rechnernetzkommunikation ohne Paketkollisionen – Vorgänger und Nachfolger sind definiert Alle Stationen arbeiten als Verstärker. Alle Rechner haben gleiche Zugriffsmöglichkeiten. garantierte Übertragungsbandbreite skaliert relativ gut, Grad bleibt bei Erweiterung konstant reguläre Topologie, daher leicht programmierbar kostengünstig wenig Verkabelung und Installationsaufwand
Nachteile
Niedrige Bisektionsweite und Konnektivität, d. h., dass der Ausfall eines Endgerätes dazu führen kann, dass die gesamte Netzkommunikation unterbrochen wird (abhängig von der Kommunikationsart, Protection-Umschaltung, siehe z. B.: FDDI und SDH). Mitunter beherrschen Netzwerkkomponenten selbst ohne explizite Stromversorgung ein direktes Durchschleifen des Signals zum nächsten Teilnehmer. Jedoch gibt es wenig Alternativwege, was z. B. im Falle von hohen Lastzuständen auf einem Ringabschnitt zu Engpässen führen kann. Bei Verwenden eines Ringverteilers lange Signalwege mit häufigem Empfangen und Weitersenden, d. h. hohe Latenzen zu entfernten Knoten Ohne Ringverteiler hoher Verkabelungsaufwand, da das Bilden eines echten Rings häufig der (Büro-)Raumaufteilung entgegensteht. Datenübertragungen können leicht abgehört werden. langsamere Datenübertragung bei vielen angeschlossenen Endgeräten Relativ hoher Energieaufwand – in einem Ring mit m Teilnehmern muss eine Nachricht an eine „gegenüberliegende“ Station m/2 Mal gesendet, empfangen und verarbeitet 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