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Die Kommunikationstechnik-Fibel ist sehr informativ und verständlich. Genau das habe ich schon seit langem gesucht. Endlich mal ein Buch, das kurz und bündig die moderne Informationstechnik beleuchtet.

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Netzwerk-Topologie

Ein Netzwerk kann man grob in eine physikalische und logische Anordnung von Geräten und Teilnetzwerken gliedern. Ein logisch gegliedertes Netzwerk definiert, wo sich welches Gerät in einem Netzwerk befindet. Die physikalische Gliederung bricht das Netzwerk auf einzelne Ports und Kabelverbindungen herunter.

Unter einer Netzwerk-Topologie versteht man die physikalische Anordnung von Netzwerk-Stationen, die über ein Übertragungsmedium miteinander verbunden sind. Die Netzwerk-Topologie bestimmt die einzusetzende Hardware, sowie die Zugriffsmethoden auf das Übertragungsmedium.

Die im folgenden beschriebenen Topologien beziehen sich auf paketvermittelnde Netzwerke.

Bus / Chain / Bus-Topologie

Bus-Topologie
Die Bus-Topologie, manchmal auch Ketten-Topologie genannt, besteht aus mehreren Stationen, die hintereinander geschaltet sind. Die Stationen sind über eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden. Alle Stationen, die an dem Bus angeschlossen sind, haben Zugriff auf das Übertragungsmedium und die Daten, die darüber übertragen werden. Um Störungen auf der Leitung zu verhindern und die physikalischen Bedingungen zu verbessern, werden die beiden Kabelenden mit einem Abschlusswiderstand versehen.

Eine zentrale Netzwerkkomponente, die die Abläufe auf dem Bus regelt, gibt es nicht. Dafür ist ein Zugriffsverfahren für die Abläufe auf dem Bus verantwortlich, an dessen Regeln sich alle Stationen halten. Die Intelligenz sitzt in den Stationen und wird in der Regel durch ein komplexes Protokoll vorgegeben. Der Kabel-Bus selber ist nur ein passives Übertragungsmedium.
Den Daten wird die Adresse des Empfängers, des Senders und eine Fehlerbehandlung angehängt. 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 Stationen gleichzeitig, dann überlagern sich die Signale. Es entsteht ein elektrisches Störsignal auf dem Bus. Die Übertragung wird unterbrochen. Nach einer gewissen Zeit, versuchen die Stationen wieder Daten zu senden. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine Station es schafft die Daten erfolgreich zu verschicken.

Soll der Bus erweitert werden oder Stationen hinzugefügt oder entfernt werden, dann fällt der Bus für die Zeit der Arbeiten aus.

Ring / Ring-Topologie

Ring-Topologie
Die Ring-Topologie ist eine geschlossene Kabelstrecke in der die Netzwerk-Stationen mit einem durchgehenden Kabelring miteinander verbunden sind. Das bedeutet, dass an jeder Station ein Kabel ankommt und ein Kabel abgeht.
In der Ring-Topologie muss sich typischerweise keine aktive Netzwerk-Komponente befinden. Die Steuerung und der Zugriff auf das Übertragungsmedium regelt ein Protokoll, an das sich alle Stationen halten.
Allerdings macht ein Ring-Manager Sinn. Denn wenn an einer Stelle der Ring unterbrochen ist, dann kann er in einen Bus-Betrieb umschalten.
Das bedeutet, dass die Ring-Topologie redundant ist, was in Produktionsumgebungen wichtig ist, die auf hohe Verfügbarkeit angewiesen sind.

Star / Stern-Topologie

Stern-Topologie
In der Stern-Topologie befindet sich eine zentrale Station, die eine Verbindung zu allen anderen Stationen unterhält. Jede Station ist über eine eigene Leitung mit der zentralen Station verbunden. Es handelt sich im Regelfall um einen Hub oder einen Switch. Der Hub oder Switch übernimmt die Verteilfunktion für die Datenpakete. Dazu werden die Datenpakete entgegen genommen und an das Ziel weitergeleitet.
Die Datenbelastung der zentralen Station ist sehr hoch, da alle Daten und Verbindungen darüber laufen. Das Netzwerk funktioniert nur so lange, bis die Zentralstation ausfällt. Die anderen Netzwerkstationen können jederzeit hinzugefügt oder entfernt werden. Sie haben keinen Einfluss auf den Betrieb des Netzwerks.

Stern-Bus-Topologie
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.

Tree / Baum-Topologie

Baum-Topologie
Die Baum-Topologie ist eine erweiterte Stern-Topologie. Größere Netze haben diese Struktur. Vor allem dann, wenn mehrere Topologien miteinander kombiniert werden. Meist bildet ein übergeordnetes Netzwerk-Element, entweder ein Koppel-Element oder eine anderen Topologie, die Wurzel. Von dort bildet sich ein Stamm mit vielen Verästelungen und Verzweigungen.

Mesh / Maschen-Topologie

Maschen-Topologie (Mesh)
Die Maschen-Topologie bzw. vermaschte Topologie ist ein dezentrales Netzwerk, das keinen verbindlichen Strukturen unterliegen muss und in dem alle Netzwerkknoten irgendwie miteinander verbunden sind.
Die Maschen-Topologie ist meist ein Wildwuchs mehrerer Topologien, die einem Chaos an verschiedenen Systemen und Übertragungsstrecken und damit von der Struktur her einem dezentralen Netzwerke entsprechen. Das Internet stellt ein solches Netzwerk dar, in dem aktive Netzwerk-Komponenten das Routing der Datenpakete übernehmen. Das erhöht die Reichweite insbesondere am Rand liegender Knoten und ermöglicht blockierte oder ausfallende Verbindungen zu umgehen.
In einem Mesh-Netzwerk gibt es beim Ausfall einer Verbindung im Regelfall immer eine alternative Strecke, um den Datenverkehr unterbrechungsfrei fortzuführen. Vermaschte Netze sind in der Regel selbstheilend. Geht eine Verbindung verloren, dann wird sofort eine andere genutzt. Das Netzwerk bleibt betriebsfähig.

Fabric / Geflecht-Topologie (Gewebe)

Ein hierarchischer Aufbau und Segmentierung waren lange Zeit das Kriterium beim Strukturieren eines Netzwerks. Wegen dem vorwiegenden Client-Server-Datenstrom war hier die Stern- oder Baum-Topologie mit ihrem zentralistischen Ansatz die bevorzugte Verkabelungs- und Vernetzungsarchitektur. Heute hat der Datenverkehr durch dynamische Inhalte zwischen den Servern und dem Zusammenspiel von Web-, Applikations- und Datenbank-Servern stark zugenommen. Das heißt, die logischen Verbindungen finden nicht mehr nur zwischen Clients und Servern statt, sondern auch zwischen einzelnen Servern. Dabei treten Datenströme auf, die sehr unterschiedliche Charakteristiken aufweisen. Und deshalb müssen zukünftige Netzwerk-Topologien und Netzarchitekturen flexibel sein und über mehr Intelligenz verfügen.

Das Konzept der Fabric soll alle wichtigen Anforderungen an das Netzwerk im Rechenzentrum erfüllen:

Fabric / Geflecht-Topologie (Gewebe)
Eine Fabric weist eine Sternstruktur auf, die allerdings keinen zentralen Knoten hat, sondern die verteilenden Komponenten redundant zu einer strukturiert vermaschten Topologie miteinander verbindet. Die Fabric bildet die Grundlage zu hochverfügbaren verteilten Systemen. Häufig dient dieses Modell als perfektes Netzwerk in dem jede Netzwerk-Station mit allen anderen Stationen mit der vollen Bandbreite verbunden ist.

Die Fabric ist eine Netzwerk-Topologie, deren Begriff und technische Ansätze aus der Fibre-Channel-Welt stammen und in Speichernetzen schon sehr lange zum Einsatz kommt. Sie dienen als Vorbild für Ethernet im Rechenzentrum. Hier ist die Fabric eine verteilt angelegte Architektur, die zum Beispiel mehrere physische Switche zu einem großen logischen Switch zusammenfasst.

Für eine Gebäudevernetzung bedeutet das, dass weitere Core-, Etagen- und Access-Switche zum Einsatz kommen müssen, die über zusätzliche Leitungen miteinander verbunden sind.

Vorteile und Nachteile der Grundtopologien

TopologieVorteileNachteile
Bus-Topologie
  • einfach installierbar
  • kurze Leitungen
  • Netzausdehnung begrenzt
  • bei Kabelbruch fällt Netz aus
  • aufwändige Zugriffsmethoden
Ring-Topologie
  • verteilte Steuerung
  • große Netzausdehnung
  • aufwendige Fehlersuche
  • bei Störungen Netzausfall
  • hoher Verkabelungsaufwand
Stern-Topologie
  • einfache Vernetzung
  • einfache Erweiterung
  • hohe Ausfallsicherheit
  • hoher Verkabelungsaufwand
  • Netzausfall bei Ausfall oder Überlastung des Hubs
Maschen-Topologie
  • dezentrale Steuerung
  • unendliche Netzausdehnung
  • hohe Ausfallsicherheit
  • aufwendige Administration
  • teure und hochwertige Vernetzung

Verkabelungsaufwand im Vergleich

Der hohe Verkabelungsaufwand der Bus- und Ring-Topologie ist nicht zu unterschätzen. Es mag zwar sein, dass die Kabelstrecke hier kürzer ist als zum Beispiel bei der Stern-Topologie. Bei der Bus- und Ring-Topologie muss man jedoch sehr häufig lange und ungewöhnlich verwinkelte Kabelstrecken wählen, weil man von Station zu Station verlegen muss. Muss man eine Station mal versetzen, dann geht das Kabelziehen wieder von vorne los.
Bei der Stern-Topologie ist es wesentlich einfacher. Zwar ist der Verkabelungsaufwand im ersten Schritt etwas aufwändiger. Dafür kann man die Leitungen der Stern-Topologie flexibel nutzen. So kann man unterschiedliche Netzwerk-Techniken oder andere Anwendungen auf den Kabelstrecken betreiben.

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