Topologien in Rechnernetzen

Innerhalb eines Computernetzwerkes steht der Begriff „Topologie“ stellvertretend für die Struktur der Verbindungen zwischen den einzelnen Teilnehmern untereinander zum Zwecke eines gemeinsam ablaufenden Datenaustauschs. Die Art und Weise wie die Architektur in einem System ausfällt, hat auch entscheidenden Einfluss auf die Ausfallsicherheit des jeweiligen Netzwerkes. So ist es wichtig alternative Wege zwischen den Knoten aufzubauen, sodass die Funktionsfähigkeit erhalten bleiben kann, auch wenn es zum Ausfall einzelner Verbindungsstränge kommt. Somit existieren in einer Netzwerktopologie neben den herkömmlichen Arbeitswegen auch noch Ersatzwege oder Umleitungen. Zudem ist die Kenntnis zur Strukturierung der Systemkomponenten noch nützlich bei der Bewertung der Performance sowie bei der Planung notwendiger Investitionen und geeigneter Hardware. Topologien lassen sich in physikalische und logische Topologien unterteilen, wobei die zuerst genannte den Aufbau der Netzverkabelung beschreibt und die logische Topologie Einblicke zum Datenfluss zwischen den Endgeräten liefert. Topologien lassen sich nach der Graphen-Theorie durch Knoten und Kanten darstellen und sind in großen Netzwerken in verschiedenen Ausführungen vertreten.

Grundlagen der logischen Topologien anhand ausgewählter Beispiele

Eine logische Topologie muss innerhalb von Rechnernetzen nicht zwangsläufig der physischen entsprechen, da beispielsweise beim Ethernet eine sternförmige Anordnung oder die Bustopologie vertreten sein kann. Von der Logik her muss hierbei jedoch eine Unterscheidung der verwendeten Koppelelemente getroffen werden. Wird ein Hub eingesetzt, so liegt eine logische Bustopologie vor, da sich der Datenfluss von einem Endgerät zu allen anderen Endgeräten erstreckt. Wird jedoch ein Switch verwendet, so findet sich die logische Topologie des Sterns oder die Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Eine Ausnahme zu dieser Regel bildet alleine der Broadcast-Datenverkehr, da der Switch bei diesem Verfahren logisch wie ein Bus arbeitet, welche die Daten an alle angeschlossenen Endgeräte überträgt. Die Realisierung des Token Rings erfolgt physisch gesehen in Form einer Sternstrukturierung und über einen Ringleitungsverteiler, kurz MSAU. Geht man jedoch von der logischen Topologie aus, so handelt es sich hierbei um die ringförmige Anordnung der Teilnehmer eines Netzwerkes, da der Datentransfer von der Logik her von Endgerät zu Endgerät verläuft. Auch bei ARCNET erfolgt logisch gesehen ein Datenfluss von Endgerät zu Endgerät, obwohl man bei der physischen Topologie eine baumförmige Anordnung vorfindet, da sich die Verbindung über aktive und passive Hubs aufbaut. Zu den Beispielen einer logischen Topologie lassen sich zudem die sogenannten Overlay-Netzwerke zählen, wie das Peer-to-Peer-Netzwerk. Diese Netzwerke haben die Charakteristik, dass sie meist logische Strukturen auf einer Basis der untergeordneten physischen Topologien aufbauen, wobei sich diese beiden Topologien im Netzwerk jedoch vollständig voneinander unterscheiden können. So finden sich bei Overlay-Netzwerken logische Baum-oder Ringtopologien, auch wenn die physische Struktur einem Stern gleicht.

Wichtige Kennwerte für die Beschreibung einer Topologie

Eine jede Topologie lässt sich nach den sogenannten Kennwerten beschreiben, die Anwender Einblick dazu geben, wie eine Topologie bis ins kleinste Detail aufgebaut ist und worauf es bei der Strukturierung eines Netzwerkes zu achten gilt. Folgende Kennwerte lassen sich bei Topologien in Rechnernetzen benennen:

  • Durchmesser – dieser Kennwert beschreibt die maximale direkte Entfernung, die zwischen zwei Knoten besteht. Der Durchmesser wird in Hops angegeben. Durch diesen Kennwert lässt sich auch die maximal zu erwartende Transferzeit bestimmen, sodass gilt: Je größer der Durchmesser, desto größer die Transferzeit. Dies muss jedoch nicht immer zutreffend sein, beschreibt jedoch den ungünstigsten Fall.

  • Grad – Bei einer Topologie steht dieser Kennwert für die Anzahl der Links pro Knoten, wobei dieser Wer gleich oder verschiedenen sein kann. Besitzen die gesamten Knoten einer Netzwerkstrukturierung denselben Grad, so handelt es sich um eine reguläre Topologie. Indirekt können durch diesen Kennwert auch Kosten für den Aufbau des Netzwerkes abgeschätzt werden
  • Bisektionsweite – Hierbei handelt es sich um die minimale Linkanzahl, die durchschnitten werden muss, damit ein Netz in zwei Netze mit einer identischen Knotenmenge geteilt werden kann. Somit steht dieser Kennwert stellvertretend für die Leistungsfähigkeit. Je niedriger demnach die Bisektionsweite ausfällt, desto mehr Einfluss besteht auf die Zeit, die für einen Datenaustausch zwischen den Netzhälften gebraucht wird.

  • Symmetrie – Liegt eine symmetrische Topologie vor, so sieht ein Netz aus jedem Blickwinkel gleich aus. So entspricht das Verhalten der Knoten dem der Links. Hierdurch lassen sich die Programmierung, Lastverteilung und das Routing vereinfachen, da keine Spezialfälle in die Planung mit einbezogen werden müssen.

  • Skalierbarkeit – Dies ist die kleinste Anzahl an Knoten und Links, um welche man eine Topologie erweitern kann, damit sich keine Leistungseinbußen oder ein steigender Aufwand ergeben.

  • Konnektivität – dieser Kennwert steht für die minimale Anzahl von Knoten oder Links, die durchtrennt werden müssen, damit ein Netzwerk nicht mehr funktioniert. Somit ist sie auch ein Maß für die maximale Anzahl der möglichen unabhängigen Wege. Darüber hinaus gilt, dass eine Ausfallsicherheit höher ist, je besser die Konnektivität ausfällt.

Physikalische Topologien anhand ihrer Vor-und Nachteile

Die Teilnehmer eines Netzwerkes lassen sich auf unterschiedliche Arten miteinander verbinden. Bei diesen Strukturen spricht man in der Fachsprache von den Topologien. Im Folgenden sollen nun drei wesentliche Topologien, die der Punkt-zu-Punkt-Verbindung, des Rings und des Sterns, anhand ihrer Form sowie Vor-und Nachteile näher beschrieben werden.

Die Punkt-zu-Punkt-Topologie

Werden die Teilnehmer eines Netzwerkes über die Punkt-zu-Punkt-Verbindung miteinander in Kontakt gebracht, so spricht man hierbei auch von einer Zweipunkttopologie. Diese Anordnung wird jedoch aufgrund ihres einfachen Aufbaus oftmals übersehen, obgleich sie als Grundlage für andere Topologien genommen wird. Eine solche Verbindung entsteht, wenn zwei Knoten ohne Umwege direkt miteinander verknüpft werden. Aufgrund dieser Direktverbindung zählen solche Netzwerkstrukturen zu den leistungsfähigeren Anordnungen, sodass sie auch ohne komplexen Aufbau immer noch verwendet werden. Dies trifft zum Beispiel bei Netzwerken zu, die auf Fibre Channel basieren. Sind die Knoten eines Systems alle in einer vollständig permutierten Punkt-zu-Punkt-Topologie miteinander verbunden spricht man von einer Vollvermaschung.

Vorteile und Nachteile dieser Netzwerkstrukturierung

Die Punkt-zu-Punkt-Topologie dient als Grundlage für die weitaus komplexeren Verbindungsmöglichkeiten von Teilnehmern in einem Rechnernetz. Doch auch als eigenständige Topologie kann die Punkt-zu-Punkt-Verbindung einige Vorteile aufweisen:

  1. höhere Sicherheit gegen Störungen und Lauschangriffe
  2. höchste Übertragungsrate im Vergleich zu anderen Anordnungen
  3. nutzbare Übertragungskapazität lässt sich vorhersagen
  4. leichte Erweiterung möglich
  5. einfache Fehlersuche
  6. Anwenderfreundlich
  7. Routing wird nicht benötigt

Allerdings finden sich bei dieser einfachen Topologien auch Nachteile, die gegen eine Verwendung sprechen könnten:

  1. jeder Nutzer auf jedem Rechner muss eingetragen werden
  2. es existiert keine zentrale Verwaltungsmöglichkeit
  3. Freigaben auf Benutzerebene sind nicht umzusetzen

Die Stern-Topologie

Bei der sternförmigen Aneinanderreihung existiert ein zentraler Teilnehmer, an welchen alle anderen Teilnehmer mittels einer Zweipunktverbindung angeschlossen sind. Dabei muss der zentrale Teilnehmer jedoch nicht zwangsläufig über eine spezielle Intelligenz zur Steuerung verfügen, da dies bei Transportnetzen zum Beispiel nie der Fall ist. Im Computernetz kann es eine besondere Einrichtung wie einen Hub oder einen Switch geben, auch eine Nebenstellenanlage besitzt für gewöhnlich die Stern-Topologie. Dabei ist die Vermittlungsanlage der zentrale Knoten, an den in einer sternförmigen Formatierung alle anderen Teilnehmer geknüpft sind. Durch den Einsatz einer zentralen Komponente wird die Ausfallwahrscheinlichkeit für die einzelnen Verbindungen erheblich angehoben, da nur der zentrale Teilnehmer ausfallen muss, damit es im selben Moment zum Zusammenbruch aller Verbindungsmöglichkeiten kommt. Eine wirksame Schutzmaßnahme hiergegen wird jedoch durch die Redundanz erreicht, wobei die zentrale Komponente gedoppelt wird. Die Vorteile der Stern-Topologie liegen in den hohen Übertragungsraten, vorausgesetzt der Netzknoten ist ein Switch, und der Kombinationsmöglichkeit von Telefonverkabelung mit einer Rechnernetzverkabelung. Aber auch die Anwenderfreundlichkeit, das einfache Erweitern um neue Teilnehmer und die leichte Fehlersuche zählen ebenso zu den Vorteilen, wie das Wegfallen von Routing und die gute Eignung bei Multicast-sowie Broadcastanwendungen. Die Nachteile hingegen beziehen sich auf die niedrige Übertragungsrate unter Verwendung eines Hubs, sodass zwangsläufig bei der Unterteilung von Netzen ein Switch gebraucht wird, aber auch auf den hohen Kabelaufwand.

Die ringförmige Netzwerkstrukturierung

Werden die Teilnehmer in einem Netzwerk mittels der Ring-Topologie verbunden, so erfolgt dies immer für zwei Teilnehmer über eine Zweipunktverbindung, sodass sich am Ende ein geschlossener Ring ergibt. Dabei wird die zu übertragende Information in chronologischer Reihenfolge weitergegeben, bis sie ihren Bestimmungsort erreicht hat. Damit es hierbei nicht zu Überschneidungen kommen kann, werden besondere Adressierungsverfahren erforderlich. Da jeder Teilnehmer gleichzeitig auch die Funktion eines Repeaters einnehmen kann, lassen sich Verbindungen auch über große Distanzen hinweg aufbauen. Im Kilometerbereich werden zum Beispiel Lichtwellenleiter eingesetzt, kurz LWL, damit dies realisiert werden kann. Kommt es zum Ausfall eines Teilnehmers, bricht auch das gesamte Netzwerk zusammen. Verhindert werden kann dies durch die Protection-Umschaltung, da hier der Arbeitsweg in eine bestimmte Drehrichtung verläuft und der Ersatzweg in die andere Richtung geht. So ein Verfahren findet sich oftmals bei Feldbussystemen, die auf einer LWL-Basis arbeiten. Fällt ein Endgerät aus, so wird mittels eines Ringleitungsverteilers der Zusammenbruch des Netzwerkes abgewendet, wobei jedes Gerät dann mit einem Kabel an diesen RLV angeschlossen ist, sodass der Verteiler die Daten von Port zu Port weiterleiten kann. Von der logischen Topologie her, findet sich dann noch die ringförmige Anordnung, auch wenn es sich physisch gesehen eher um einen Stern handelt. Die Ringtopologie existiert auch in einer Sonderform, wobei es sich dann um eine linienähnliche Anordnung handelt, sodass ein offener Ring vorhanden ist, da der erste und letzte Rechner keine Verbindung zueinander haben.

Vorteile dieser Netzwerkstrukturierung sind:

  1. die Möglichkeit einer deterministischen Rechnernetzkommunikation ohne Paketkollisionen,
  2. die garantierte Übertragungsbandbreite
  3. und die leichte Programmierung

Nachteile finden sich beispielsweise bei:

  1. der niedrigen Bisektionsweite und Konnektivität,
  2. dem hohen Verkabelungsaufwand
  3. und den teuren Komponenten

Die Bus-Topologie in Rechnernetzen

Eine solche Anordnung von Teilnehmern lässt sich auch als Linien-oder Strangtopologie bezeichnen, da die Geräte hier alle mit dem gleichen Übertragungsmedium verbunden sind. Dabei existieren keine weiteren aktiven Komponenten zwischen den Geräten und diesem Medium. Das Medium an sich wird oftmals bei Systemen mit einer kleineren physikalischen Ausdehnung direkt auf einer Leiterplatte umgesetzt und kommt ansonsten als Kabel oder Kabelbündel vor. Ein weit verbreitetes Beispiel für diese Topologie findet sich beim 10 Mbit/s Ethernet. Bei der Variante des Thin Ethernets gibt es ein einziges Kabel, welches sich in verschiedene Segmente unterteilt. Der eigentliche Anschluss zwischen den Netzkarten und den Segmenten des Kabels erfolgt dann über die sogenannten T-Stücke. Zudem befinden sich an den Enden des Kabels Abschlusswiderstände, die dabei behilflich sind, Reflexionen zu verhindern. Wird in einem Rechnernetz die Formatierung der Bus-Topologie verwendet, so muss gewährleistet werden, dass immer nur ein Gerät zu einem bestimmten Zeitpunkt Signale über das Übertragungsmedium versenden kann. Umgesetzt werden kann diese durch den Bus-Arbiter, eine zentrale Einheit. Will ein Gerät nun eine Datei versenden, so muss es über eine gesonderte Leitung an diesen Bus-Arbiter erst einmal eine entsprechende Anfrage senden.

Die Baumtopologie und ihre vielfältigen Ausführungen

Die Baumtopologie an sich kennzeichnet sich zunächst einmal dadurch aus, dass sie über eine Wurzel verfügt, wobei es sich entweder um den ersten oder obersten Knoten handelt. Von diesem Punkt aus gehen eine oder mehrere Kanten bzw. Links aus, die zu den Endknoten führen, die das Blatt in dieser Strukturierung darstellen. Kanten können jedoch auch zu den Wurzeln anderer Bäume verlaufen. Technisch gesehen handelt es sich bei dieser Teilnehmerverbindung um eine Netztopologie, bei denen mehrere Netze einer Sterntopologie anhand einer festgelegten Hierarchie miteinander verbunden werden, wobei die Verbindungen zwischen den Hubs oder Switches mittels eines Uplinks hergestellt werden müssen. Die Formatierung als Baum findet sich bei großen Gebäuden und kann in einer Vielzahl von Ausführungen auftreten:

K-Baum
Dieser Baum ist grundlegend klassisch aufgebaut, wobei von jeder Wurzel aus K-Kanten ausgehen. Somit kann beispielsweise im Gegensatz zu binären Bäumen eine geringere Tiefe erreicht werden, was gleichzeitig die Latenzzeit verzögert. Ein Nachteil ist jedoch die höhere Komplexität der Wurzelelemente. 

Ringerweiterter Baum
Hierbei handelt es sich um einen normalen Binärbaum oder k-Baum, bei welchem die Blätter allerdings auf der gleichen Ebene jeweils zu einem Ring zusammengekoppelt werden. Dies sind dann sogenannte horizontale Ringe. Entweder werden die Blätter aller Ebenen zu Ringen verbunden oder nur diejenigen von tieferliegenden Ebenen. Resultierend hieraus entsteht eine Entlastung der Wurzelelemente der oberen Ebenen, da die Knoten aus einer Ebene lokal kommunizieren können, ohne dass dafür verschiedene Ebenen durchlaufen werden müssen.

Hyperbaum
Dieser Baum funktioniert ebenso wie der ringerweiterte Baum, wobei die zusätzlichen Verbindungen jedoch nicht auf die Horizontale beschränkt sind, sondern Verbindungen verschiedener Ebenen bestehen. Damit dies jedoch geschehen kann, wird ein relativ komplexes Routing notwendig.

Fetter Baum
Dieser Baum dient der Lösung der geringen Bisektionsweite. Erzielt wird dies durch eine gesteigerte Bandbreite in Richtung der Wurzeln, was durch mehrere parallel verlaufende Links ausgehend vom Wurzelknoten umgesetzt werden kann

Das Vermaschte Netz und sonstige Topologien

Bei einem vermaschten Netz sind alle Endgeräte mit einem oder mehreren anderen Endgeräten verbunden, wobei man dann von einem vollständig vermaschten Netz spricht, sobald auch alle Teilnehmer untereinander verbunden wurden. Der Vorteil dieser Topologie besteht in der hohen Ausfallsicherheit, da bei einem Defekt eines Endgerätes oder eine Leitung einfach auf eine Umleitung zurückgegriffen werden kann, um die Kommunikation weiter durchzuführen. Bei drahtlosen Netzen findet sich die sogenannte Zell-Topologie, wobei eine Zelle der Bereich um die Basisstation darstellt. Somit wird eine Kommunikation zwischen den Endgeräten und dieser Station möglich. Letztlich findet sich auch die Option der hybriden Topologie, was für die Verwendung von zwei Topologien in einem Netzwerk steht. Dabei unterscheidet man in Stern-Bus und Stern-Stern. Der Stern-Bus entsteht, wenn aus verschiedenen Verteilern ein Zentrum des Sterns gebildet wird, aber die Verteiler dennoch über ein Bus-Kabel aneinander angeschlossen sind. Vorteilhaft ist dies bei Hochhäusern und Gebäuden mit mehreren Stockwerken. Bei einem Stern-Stern-Netz bilden unterschiedliche Verteiler abermals das Zentrum einer sternförmigen Netzwerkstrukturierung. Die Verbindung dieser Verteiler erfolgt jedoch über ein eigenes Kabel. Auch diese Topologien findet sich bei Gebäuden mit mehreren Stockwerken.