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Topologie (Rechnernetz)
Die Topologie eines Rechnernetzes beschreibt die spezifische Anordnung der Geräte und Leitungen, die ein Rechnernetz bilden, über das die Computer untereinander …
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Grundlagen und Bedeutung
Die Topologie eines Rechnernetzes beschreibt die Anordnung der Geräte und Leitungen, über die Computer miteinander verbunden sind und Daten austauschen. In einer graphischen Darstellung nach der Graphentheorie heißen die Kommunikationsteilnehmer Knoten und ihre physischen oder logischen Verbindungen Kanten beziehungsweise Links.
Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Verkabelung, die logische Topologie dagegen den Datenfluss zwischen den Endgeräten. Beide müssen nicht übereinstimmen. Bei 100-Mbit-Ethernet mit 100BASE-T und Hub liegen die Kabel beispielsweise physisch sternförmig, während der Signalfluss einem Bus entspricht.
Die Topologie bestimmt wesentlich die Ausfallsicherheit: Gibt es alternative Wege zwischen Knoten, kann der Datenverkehr beim Ausfall einer Verbindung über Ersatzwege oder Umleitungen weiterlaufen. Außerdem ist die Kenntnis der Topologie wichtig, um Leistung, Hardwarebedarf und Investitionskosten eines Netzes zu beurteilen. Große Netze setzen sich häufig aus mehreren Topologien zusammen.
Wichtige Kennwerte
• Der Durchmesser ist die maximale direkte Entfernung zwischen zwei Knoten, gemessen in Hops, also durchlaufenen Links. Ein größerer Durchmesser bedeutet im ungünstigsten Fall eine längere Transferzeit.
• Der Grad gibt die Anzahl der Links pro Knoten an. Haben alle Knoten denselben Grad, heißt die Topologie regulär. Ein hoher Grad ermöglicht viele Verbindungen, erhöht aber meist die Aufbaukosten.
• Die Bisektionsweite ist die kleinste Anzahl von Links, die getrennt werden müssen, um ein Netz mit N Knoten in zwei Netze mit jeweils N/2 Knoten zu teilen. Sie misst die Leistungsfähigkeit bei der Kommunikation zwischen beiden Netzhälften. Eine geringe Bisektionsweite kann den Datenaustausch stark verlangsamen.
• Eine Topologie ist symmetrisch, wenn das Netz von jedem betrachteten Knoten oder Link gleich aussieht; mathematisch bestehen dann Graphen-Automorphismen. Knoten beziehungsweise Links verhalten sich dadurch gleich. Das vereinfacht Programmierung, Lastverteilung und Routing, also die Wahl der Übertragungswege.
• Die Skalierbarkeit bezeichnet das kleinste Netzinkrement aus Knoten und Links, um das eine Topologie mit vertretbarem Aufwand und ohne Leistungseinbußen erweitert werden kann, während ihre typischen Eigenschaften erhalten bleiben.
• Die Kanten- beziehungsweise Knotenkonnektivität gibt an, wie viele Links oder Knoten mindestens getrennt werden müssen, damit das Netz nicht mehr funktioniert. Sie entspricht einem Maß für die Anzahl unabhängiger Wege zwischen zwei Knoten: Je höher die Konnektivität, desto ausfallsicherer ist das Netz.
Direktverbindung, Stern, Ring und Bus
Bei der Punkt-zu-Punkt-Topologie sind genau zwei Knoten direkt verbunden. Sie stellt jedem Teilnehmer die gesamte Bandbreite des Mediums bereit, liefert eine vorhersagbare Übertragungsrate und ist leicht verständlich, erweiterbar und zu untersuchen; Routing ist nicht nötig. Sollen mehr als zwei Teilnehmer ausschließlich durch solche Verbindungen gekoppelt werden, entsteht im Prinzip eine andere, auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen beruhende Topologie. Ohne automatische Verwaltung kann dabei „händisches Routing“ erforderlich werden. Ein Einsatzgebiet sind Fibre-Channel-Netze.
In einer Stern-Topologie ist jedes Endgerät durch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem zentralen Verteiler, etwa einem Switch, verbunden; direkte Verbindungen zwischen Endgeräten fehlen. Der Ausfall eines Endgeräts beeinträchtigt den Rest nicht. Sterne sind einfach zu erweitern und zu untersuchen, unterstützen hohe und unterschiedliche Übertragungsraten sowie Multicast und Broadcast und ermöglichen einfaches Routing im Verteiler. Der zentrale Verteiler ist jedoch ein gemeinsamer Ausfallpunkt: Fällt er aus, ist kein Netzverkehr mehr möglich. Als Schutz kann er redundant doppelt vorhanden sein. Mehrere ohne Maschen verbundene Sterne bilden einen Baum.
In der Ring-Topologie ist jedes Endgerät mit genau zwei anderen verbunden. Informationen werden von Teilnehmer zu Teilnehmer bis zum Ziel weitergeleitet; die Teilnehmer können dabei als Repeater Signale auffrischen. Mit Lichtwellenleitern sind so Entfernungen im Kilometerbereich möglich. Bei Kommunikation in beiden Richtungen kann nach einer Unterbrechung die weiterhin erreichbare Richtung gewählt werden. Ein nur einseitig betriebener Ring kann dagegen durch den Ausfall eines Teilnehmers unterbrochen werden. Ein Ring mit Protection besitzt doppelte, meist gegenläufig betriebene Leitungen: einen Arbeitsweg und einen Ersatzweg.
Ein Ringleitungsverteiler, RLV beziehungsweise MAU, verbindet die Geräte physisch sternförmig, leitet die Daten aber von Port zu Port weiter und erzeugt so einen logischen Ring. Er kann ausgefallene Geräte überbrücken. Eine Linie ist ein offener Ring ohne Verbindung zwischen erstem und letztem Rechner; der Ausfall eines mittleren Teilnehmers teilt sie in zwei Teilnetze. Ringe ermöglichen deterministische Kommunikation ohne Paketkollisionen, gleiche Zugriffsmöglichkeiten, garantierte Bandbreite, einen bei Erweiterungen konstanten Grad und vergleichsweise wenig Verkabelung. Nachteile sind geringe Bisektionsweite und Konnektivität, wenige Ausweichwege, mögliche Engpässe, hohe Latenzen über entfernte Knoten, leichte Abhörbarkeit und sinkende Geschwindigkeit bei vielen Geräten. In einem Ring mit m Teilnehmern muss eine Nachricht zur gegenüberliegenden Station m/2 Mal gesendet, empfangen und verarbeitet werden. Beispiele sind Token Ring als logische und FDDI als physische Ringstruktur.
Bei der Bus-Topologie nutzen alle Geräte dasselbe Übertragungsmedium. Es gibt zwischen Geräten und Medium keine aktiven Komponenten. Das Medium kann eine Leiterbahn, ein Kabel, ein Kabelbündel oder bei Funknetzen der freie Raum sein. Beispiele sind WLAN sowie die Koaxialvarianten des 10-Mbit/s-Ethernets. Bei Thin Ethernet verbinden T-Stücke die Geräte mit Kabelsegmenten; Abschlusswiderstände verhindern Reflexionen.
Bei einem gemeinsam genutzten Medium darf immer nur ein Gerät senden. Das kann ein zentraler Bus-Arbiter regeln. Dezentral gesteuerte Netze erkennen und behandeln gleichzeitige Zugriffe beziehungsweise Kollisionen, beispielsweise mit CSMA/CD. Beim Zeitmultiplex erhält jeder Rechner nacheinander ein festes kurzes Sendeintervall. Ein Bus ist kostengünstig, einfach zu verkabeln und zu erweitern und benötigt keine aktiven Netzkomponenten. Allerdings blockiert ein Kabeldefekt den gesamten Strang, Übertragungen sind leicht abzuhören, und jeweils nur eine Station kann senden. Bei kollisionsbasierten Verfahren steigt die Zahl der Kollisionen bei hoher Last überproportional. Beispiele sind 10BASE5, 10BASE2, CANbus, Profibus und der MVB-Feldbus für Züge.
Bäume und vermaschte Netze
Eine Baum-Topologie besitzt eine Wurzel, von der Links zu Blättern, also Endknoten, oder zu inneren Knoten weiterer Teilbäume führen. Sie ähnelt einem erweiterten Stern und wird häufig in großen Gebäuden eingesetzt. Endgeräte lassen sich ohne Folgen für andere Blätter entfernen oder ergänzen; außerdem sind große Entfernungen sowie Such- und Sortieralgorithmen gut zu unterstützen. Fällt jedoch ein innerer Verteiler aus, ist sein gesamter Unterbaum nicht mehr erreichbar. Klassische Bäume haben eine Bisektionsweite von 1, weshalb die Wurzel zum Engpass werden kann. Mit zunehmender Tiefe wächst außerdem der Durchmesser und damit die Latenz.
Beim k-Baum gehen von jeder Wurzel k Kanten aus. Gegenüber einem binären Baum kann dies Tiefe und Latenz reduzieren, verlangt aber komplexere Wurzelelemente mit dem Grad k. Beim ringerweiterten Baum werden innere Knoten gleicher Ebenen vollständig oder teilweise zu horizontalen Ringen verbunden. Dadurch können sie lokal kommunizieren und obere Ebenen entlasten. Teilringe sind ein Kompromiss zwischen Aufwand und Nutzen. Der Hyperbaum verbindet zusätzlich Knoten verschiedener Ebenen, benötigt dafür aber relativ komplexes Routing. Der Fette Baum oder fat tree erhöht die Bandbreite zur Wurzel, etwa durch mehrere parallele Links. Das entschärft den Flaschenhals und die geringe Bisektionsweite, ändert jedoch nichts am großen Durchmesser.
In einem vermaschten Netz ist jedes Endgerät mit einem oder mehreren anderen verbunden. Sind alle Teilnehmer direkt miteinander verbunden, ist das Netz vollständig vermascht. Beim Ausfall eines Geräts oder einer Leitung können Daten normalerweise umgeleitet werden. Vermaschte Netze gelten wegen ihrer hohen Konnektivität als besonders sicher und sind dank hoher Bisektionsweite leistungsfähig. Vollvermaschte Netze haben einen konstanten Durchmesser von 1 und benötigen kein Routing, weil nur Direktverbindungen bestehen. Dafür sind sehr viele Kabel und gewöhnlich ein hoher Grad erforderlich. Nicht vollständig vermaschte Netze brauchen vergleichsweise komplexes Routing, da sie oft weder regulär noch symmetrisch sind. Viele Verbindungen und aufwendiges Routing erhöhen zudem den Energieverbrauch.
Funkzellen und Mischformen
Die Zell-Topologie wird hauptsächlich in drahtlosen Netzen verwendet. Eine Zelle ist der Bereich um eine Basisstation, beispielsweise einen Wireless Access Point, in dem Endgeräte mit ihr kommunizieren können. Innerhalb einer einzelnen Zelle entspricht die Struktur einem Bus. Bei mehreren überlappenden Zellen kommen Störungen durch fremde Zellen und Routing über Zellgrenzen hinzu. Vorteile sind der Verzicht auf Kabel und die Unabhängigkeit von Ausfällen einzelner Endgeräte. Nachteile sind Störanfälligkeit, begrenzte Reichweite und ein grundsätzlich möglicher Zugriff von außen, weshalb Verschlüsselung notwendig ist. Beispiele sind IEEE 802.11 (Wireless LAN), GSM und Bluetooth.
Hybride oder gemischte Topologien verbinden mindestens zwei Topologiearten. Beim Stern-Bus bilden mehrere Verteiler jeweils das Zentrum eines Sterns und sind über ein Bus-Kabel gekoppelt. Diese früher in mehrstöckigen Gebäuden eingesetzte Technik wird seit Ende des 20. Jahrhunderts nicht mehr verwendet. Beim Stern-Stern beziehungsweise erweiterten Stern sind mehrere sternförmige Verteiler jeweils über ein eigenes Kabel mit einem weiteren Verteiler verbunden. Diese Form ist heute die Standardverkabelung in lokalen Netzen; eine Baum-Topologie entspricht einem erweiterten Stern.
Logischer Datenfluss
Die logische Topologie kann sich vollständig von der sichtbaren Verkabelung unterscheiden. Ethernet kann physisch als Stern oder, veraltet, als Bus aufgebaut sein. Mit einem Hub ist es logisch ein Bus, weil Daten eines Endgeräts gleichzeitig zu allen anderen gelangen. Mit einem Switch entspricht der normale Datenfluss einem Stern beziehungsweise Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Broadcast-Verkehr bildet eine Ausnahme: Der Switch sendet ihn an alle angeschlossenen Endgeräte und arbeitet dabei logisch wie ein Bus.
Token Ring wird über einen Ringleitungsverteiler physisch als Stern, wegen des Datenflusses von Gerät zu Gerät aber logisch als Ring realisiert. ARCNET ist physisch ein Baum aus aktiven und passiven Hubs, logisch jedoch ebenfalls ein Ring. WLAN besitzt eine logische Bus-Topologie.
Overlay-Netzwerke erzeugen logische Netzstrukturen auf einer darunterliegenden physischen Infrastruktur und sind besonders bei Peer-to-Peer-Netzen wichtig. Ihre Topologie kann sich völlig von der physischen Struktur unterscheiden. Viele strukturierte Peer-to-Peer-Netze verwenden beispielsweise logisch Baum- oder Ring-Topologien, obwohl die zugrunde liegenden physischen Netze typischerweise sternförmig aufgebaut sind.
