Netzwerk-Topologie. Bus-Topologie. Ring-Topologie. Stern-Topologie

Transkript

1 Netzwerk-Topologie Unter einer Netzwerk-Topologie versteht man die Anordnung von Netzwerk-Stationen und Kabeln. Sie bestimmen die einzusetzende Hardware, sowie die Zugriffsmethoden. Dieses wiederum hat Einfluss auf das Medium (z. B. das Kabel), auf die Übertragungsgeschwindigkeit und den Durchsatz der Daten. Die im folgenden beschriebenen Topologien beziehen sich auf paketvermittelnde Netzwerke. Bus-Topologie Die Bus-Topologie besteht aus mehreren Stationen, die hintereinander oder nebeneinander in Reihe angeordnet sind. Die Stationen sind über eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden. Um Störungen auf der Leitung zu verhindern und die physikalischen Bedingungen zu verbessern werden die beiden Kabelenden mit einem Abschlusswiderstand versehen. Der Ausfall des Netzes kann nur durch die Trennung des Kabels erfolgen. Eine zentrale Netzwerkkomponente, die die Abläufe auf dem Bus regelt gibt es nicht. Die Intelligenz sitzt in den Stationen. Ein Zugriffsverfahren ist verantwortlich, an dessen Regeln sich alle Stationen halten. Alle Stationen, die an dem Bus angeschlossen sind, haben Zugriff auf diese das Übertragungsmedium die Daten, die darüber übertragen werden. Den Daten wird die Adresse des Empfängers, des Senders und eine Fehlerbehandlung vorausgeschickt. Die Stationen, die nicht als Empfänger adressiert sind, ignorieren die Daten. Die Station, die adressiert ist, liest die Daten und schickt eine Bestätigung an den Sender. Senden zwei Knoten gleichzeitig ihre Daten, entsteht ein elektrisches Störsignal auf dem Bus. Die Übertragung wird unterbrochen. Nach einer gewissen Zeit, versuchen die Statione wieder Daten zu senden. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine Station es schafft seine Daten zu verschicken. Ring-Topologie Die Ring-Topologie ist eine geschlossene Kabelstrecke in der die Netzwerk-Stationen im Kreis angeordnet sind. Das bedeutet, dass an jeder Station ein Kabel ankommt und ein Kabel abgeht. Im Ring befindet sich keinerlei aktive Netzwerk-Komponente. Die Steuerung und der Zugriff auf das Übertragungsmedium regelt ein Protokoll, an das sich alle Stationen halten. Wird die Kabelverbindung an einer Stelle unterbrochen fällt das Netzwerk aus, es sei denn die eingesetzte Übertragungstechnik kennt den Bus-Betrieb, auf den alle Stationen umschalten können. Stern-Topologie In der Stern-Topologie befindet sich eine zentrale Station, die eine Verbindung zu allen

2 anderen Stationen unterhält. Jede Station ist über eine eigene physikalische Leitung an die zentrale Station angebunden. Es handelt sich im Regelfall um einen Hub oder einen Switch. Der Hub oder Switch übernimmt die Verteilfunktion für die Datenpakete. Die einzelnen Stationen müssen sich über ein Protokoll miteinander verständigen. Der Hub oder Switch ist in der Lage alle Stationen miteinander zu verbinden. Dazu werden die Datenpakete auf elektronischem Weg entgegen genommen und an das Ziel weitergeleitet. Die Datenbelastung der zentralen Station ist sehr hoch, da alle Netzverbindungen darüber laufen. Das Netzwerk funktioniert so lange, bis die Zentralstation ausfällt. Das zentrale Netzwerk ist leicht erweiterbar, und einfach zu pflegen. Baum-Topologie Die Baum-Topologie ist eine erweiterte Stern-Topologie. Größere Netze nehmen eine solche Struktur an. Vorallem dann, wenn mehrere Topologien miteinander kombiniert werden. Meist bildet ein übergeordnetes Netzwerk-Element, entweder ein Koppel-Element oder eine ander Topologie, die Wurzel. Von dort bildet sich ein Stamm mit vielen Verästelungen und Verzweigungen. Ein Netzwerk mit Stern-Bus-Struktur ist ein Kombination aus Stern- und Bus-Topologie. Über eine Sternstruktur sind die Stationen mit einem Hub verbunden. Mehrere Hubs sind über eine Busleitung miteinander verbunden. Ein Netzwerk mit Stern-Ring-Struktur ist eine Kombination aus Ring-Topologie mit Ringleitungsverteiler und Stern-Topologie. Die einzelnen Stationen sind über einen Ringleitungsverteiler miteinander verbunden. Die Ringleitungsverteiler wiederum sind sternförmig an einem Haupthub angeschlossen. Vermaschte-Topologie

3 Die vermaschte Topologie ist ein dezentrales Netzwerk, das keinen verbindlichen Strukturen unterliegen muss. Allerdings sind alle Netzwerk-Stationen irgendwie miteinander verbunden. Häufig dient dieses Modell als perfektes Netzwerk in dem jede Netzwerk-Station mit allen anderen Stationen mit der vollen Bandbreite verbunden ist. Diese Topologie wird zumindest virtuell mit jeder anderen Topologie realisierbar, wenn genug Bandbreite zu Verfügung steht und aktive Netzwerk-Komponenten das Routing der Datenpakete übernehmen. Bei Ausfall einer Verbindung gibt es im Regelfall einige alternative Strecken, um den Datenverkehr fortzuführen. Die Struktur des dezentralen Netzwerkes entspricht einem Chaos an verschiedensten Systemen und Übertragungsstrecken. Das Internet stellt ein solches gewolltes Szenario dar. Die Tabelle soll einen Überblick über die Vor- und Nachteile der 3 Grundtopologien geben: Topologie/Struktur Vorteile Busstruktur einfach installierbar einfach erweiterbar kurze Leitungen Nachteile Netzausdehnung begrenzt bei Kabelbruch fällt Netz aus aufwändige Zugriffsmethoden Sternstruktur einfache Vernetzung einfache Erweiterung hohe Ausfallsicherheit hoher Verkabelungsaufwand Netzausfall bei Ausfall oder Überlastung des Hubs Ringstruktur verteilte Steuerung große Netzausdehnung aufwendige Fehlersuche bei Störungen Netzausfall hoher Verkabelungsaufwand Dezentrale Struktur dezentrale Steuerung unendliche Netzausdehnung hohe Ausfallsicherheit aufwendige Administration teuere und hochwertige

4 Topologie (Netzwerk) aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie 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. Inhaltsverzeichnis [Verbergen] 1 Physische Topologien o 1.1 Stern-Topologie o 1.2 Ring-Topologie o 1.3 Bus-Topologie o 1.4 Baum-Topologie o 1.5 Vermaschtes Netz o 1.6 Zell-Topologie 2 Logische Topologie 3 Siehe auch 4 Weblinks Physische Topologien Stern-Topologie

5 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 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 Sternkoppler, 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. Leicht erweiterbar Leicht verständlich Nachteile Aufwändige Verkabelung Durch Ausfall des Verteilers wird Netzverkehr unmöglich. Beispiele Telefonnetz Fast Ethernet (physisch) Token Ring (physisch)

6 Ring-Topologie Jedes Endgerät ist mit genau zwei anderen verbunden 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. Daten: maximale Ringlänge 800m Computer dürfen maximal 10m von der MAU entfernt sein Übertragungsrate 10 MBit/s Performance kann auf 16 MBit/s erweitert werden 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

7 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. Beispiele Token Ring (logisch) FDDI (physisch) In der Praxis 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 Alle Endgeräte sind an den Bus angeschlossen Eine Bus-Topologie besteht aus einem Hauptkabel, dem Bus, an das alle Geräte angeschlossen sind und zwei Endwiderständen. Der Anschluss zwischen den Geräten (also Netzkarten) und Hauptkabel erfolgt über T-Stücke. Zugriffsverfahren (z.b. CSMA/CD) 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. 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

8 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 Nur geringe Kosten, da nur geringe Kabelmengen erforderlich sind. Einfache Verkabelung und Netzerweiterung 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. Aufgrund der Möglichkeit der Kollisionen sollte das Medium nur zu ca. 30% ausgelastet werden Beispiele Thick Ethernet (physisch) Thin Ethernet (physisch) Baum-Topologie

9 Jedes Endgerät ist mit dem Verteiler verbunden, die Verteiler untereinander sind verbunden 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 Strukturelle Erweiterbarkeit Große Entfernungen realisierbar (Kombination) Nachteile Bei Ausfall eines Verteilers ist der ganze Baum "tot" Vermaschtes Netz Teilweise vermaschtes Netz Die Endgeräte sind miteinander verbunden In einem vermaschten Netz ist jedes Endgerät mit einem oder mehreren anderen Endgeräten verbunden. Wenn jeder Knoten mit jedem anderen Knoten 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.

10 Zell-Topologie Zelltopologie 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. 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)