Netzwerktopologie: Bus, Ring, Stern und Mesh

Stell dir ein Netz als Zeichnung vor. Jedes Gerät ist ein Punkt, ein Knoten. Jede Verbindung ist eine Linie, eine Kante. Die Topologie eines Rechnernetzes beschreibt, wie die Geräte und Leitungen angeordnet sind, die das Netz bilden.

Man unterscheidet zwei Sichten. Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Netzverkabelung: Wie sind die Kabel verlegt? Die logische Topologie beschreibt den Datenfluss zwischen den Endgeräten: Welchen Weg nehmen die Daten?

Die beiden Sichten können verschieden sein. Ein Hub ist ein Gerät, das Netzknoten sternförmig verbindet. Er leitet Daten an alle anderen Teilnehmer weiter. Bei 100-Mbit-Ethernet (einer Netztechnik) mit Hub laufen die Kabel sternförmig zum Hub. Aus Sicht des Signalflusses ist das Netz aber ein Bus. Was ein Bus und ein Ring sind, lernst du im nächsten Abschnitt.

Ein zweites Beispiel ist der Token Ring. Er wird physisch als Stern über einen Ringleitungsverteiler gebaut. Das ist ein Gerät in der Mitte, an das jedes Gerät mit nur einem Kabel angeschlossen ist und das die Daten von einem Anschluss zum nächsten weiterreicht. Logisch ist der Token Ring ein Ring, weil der Datenfluss von Endgerät zu Endgerät läuft. In großen Netzen setzt sich die Struktur oft aus mehreren verschiedenen Topologien zusammen.

Beim Punkt-zu-Punkt sind genau zwei Knoten direkt verbunden. Mehr als zwei Teilnehmer kann man damit nicht verbinden.

Beim Bus hängen alle Geräte direkt am selben Übertragungsmedium (zum Beispiel einem Kabel), dem Bus. Zwischen den Geräten und dem Medium gibt es keine aktiven Komponenten, also keine Geräte dazwischen. Teilen sich alle das Medium, darf immer nur ein Gerät zur selben Zeit senden.

Im Ring ist jedes Endgerät mit genau zwei anderen verbunden, so dass ein geschlossener Ring entsteht. Die Information wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergeleitet, bis sie ihr Ziel erreicht. Sind der erste und der letzte Rechner nicht verbunden, spricht man von einer Linie, einem offenen Ring.

Im Stern sind alle anderen Teilnehmer mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung an einen zentralen Teilnehmer angeschlossen. Die Endgeräte untereinander sind nicht verbunden. In Computernetzen kann die Mitte zum Beispiel ein Switch sein, also ein Verteiler-Gerät.

Ein Baum hat eine Wurzel, den obersten Knoten. Von ihr gehen Kanten aus, die zu einem Blatt oder zu inneren Knoten von Teilbäumen führen. Ein Blatt ist ein Endgerät am Ende des Baums. Die Verbindung mehrerer Sterne ohne Maschen bildet einen Baum. Der Baum wird häufig in großen Gebäuden eingesetzt.

Im Mesh (vermaschtes Netz) ist jedes Endgerät mit einem oder mehreren anderen Endgeräten verbunden.

Ein Netz fällt nicht immer ganz aus, wenn etwas kaputtgeht. Nur wenn es alternative Wege zwischen den Knoten gibt, bleibt das Netz bei Ausfällen einzelner Verbindungen funktionsfähig. Je mehr voneinander unabhängige Wege es gibt, desto ausfallsicherer ist das Netz.

Stern: Fällt ein Endgerät aus, hat das keine Auswirkung auf den Rest des Netzes. Fällt aber der zentrale Teilnehmer aus, fallen alle Verbindungsmöglichkeiten zugleich aus. Eine geläufige Schutzmaßnahme ist, die zentrale Komponente zu doppeln. Man nennt das Redundanz: Wichtige Teile sind doppelt vorhanden.

Bus: Eine Störung des Übertragungsmediums an einer einzigen Stelle, zum Beispiel ein defektes Kabel, blockiert den gesamten Netzstrang, also das ganze Netz an diesem Kabel.

Ring: Wird nur in eine Richtung kommuniziert und ein Teilnehmer fällt aus, wird der Ring unterbrochen. Je nach Organisation lässt sich das abfangen, oder es führt zum weitgehenden Ausfall. Wird in beide Richtungen kommuniziert, wird bei einer Unterbrechung automatisch die andere Drehrichtung gewählt. Bei einem Ring mit Protection sind alle Leitungen doppelt. Es gibt zwei Ringe, einen Arbeitsweg und einen Ersatzweg. Ist ein Ring oder sind beide an einer Stelle unterbrochen, erreicht jeder Teilnehmer noch jeden anderen. Bei der Linie spaltet der Ausfall eines mittleren Teilnehmers das Netz in zwei getrennte Teilnetze.

Baum: Der Ausfall eines Blatts hat keine Konsequenzen. Fällt ein Verteiler (innerer Knoten) aus, ist der ganze von ihm ausgehende Unterbaum nicht mehr erreichbar. Der Unterbaum ist alles, was unter diesem Verteiler hängt.

Mesh: Bei Ausfall eines Endgerätes oder einer Leitung kann im Regelfall weiter kommuniziert werden, weil die Daten umgeleitet werden (Routing).

Es gibt keine beste Topologie für alles. Du wählst nach den Anforderungen: Was soll das Netz können, und was darf es kosten? Jede Topologie hat Vorteile und Nachteile.

Sollen nur zwei Teilnehmer verbunden werden, reicht Punkt-zu-Punkt. Das ist leicht verständlich, die Fehlersuche ist leicht, und es gibt dann keine prinzipiellen Nachteile. Sollen mehr als zwei Teilnehmer verbunden werden, braucht man weitere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Prinzipiell ergibt sich dann eine der anderen Topologien.

Der Bus hat geringe Kosten, weil nur geringe Kabelmengen nötig sind. Er braucht keine aktiven Netzwerkkomponenten, also keine Geräte zwischen den Rechnern und dem Kabel. Dafür kann zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Station Daten senden, und Datenübertragungen können ziemlich leicht abgehört werden. Der Stern ist leicht erweiterbar, leicht verständlich und die Fehlersuche ist leicht. Sein Nachteil: Durch Ausfall des Verteilers wird Netzverkehr unmöglich. Der Stern-Stern, ein erweiterter Stern, ist heute die Standardverkabelung in lokalen Netzen.

Der Baum ist strukturell erweiterbar, und große Entfernungen sind realisierbar. Sein Nachteil: Will ein Gerät aus der einen unteren Baumhälfte ein Gerät in der anderen Hälfte erreichen, muss die Kommunikation immer über die Wurzel gehen. Darum kann es zur Wurzel hin zu Engpässen kommen.

Das Mesh ist die sicherste Variante eines Rechnernetzes. Gemeint ist ausfallsicher, nicht abhörsicher. Dafür werden viele Kabel benötigt. Je höher der Grad, also die Anzahl der Verbindungen pro Knoten, desto höher die Kosten. Vollvermaschte Netze brauchen kein Routing, weil es nur Direktverbindungen gibt.