3. Topologien lokaler Netzwerke
Die Eigenschaften eines lokalen Netzwerkes werden entscheidend durch die Anordnung der Knoten und das die Knoten verbindende Übertragungsmedium beeinflußt. In diesem Kapitel soll deshalb die Verwendbarkeit von unterschiedlichen Netzwerkstrukturen für lokale Netzwerke diskutiert werden.
Eine Struktur, die Auskunft über die Verkoppelung der Knoten gibt, bezeichnet man als die Topologie eines Kommunikationsnetzes. Formaler ist eine Topologie, die abstrakte Darstellung der Gesamtheit aller Netzwerkknoten und der die Knoten verbindenden Leitungen. Die Topologie hat wesentlichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit (Durchsatzkapazität) und Einsetzbarkeit eines Netzwerkes. Ebenso wird die Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit eines Netzes von der Topologie mitbestimmt[1]. Weitere Merkmale, wie das Verhalten bei Erweiterungen und Schrumpfungen sowie mögliche Engpässe bei der Informationsübertragung, sind ebenso aus der Netzwerk-Topologie ableitbar. Zur Realisierung bestimmter Topologien werden spezielle Übertragungsmedien bevorzugt. Topologien können daher zur Klassifizierung von Netzwerken herangezogen werden.
3.1 Graphentheoretische Darstellung
Topologien von Netzwerken sind graphentheoretisch beschreibbar und daher mit den Methoden und Algorithmen der Graphentheorie zu behandeln[2]. Somit lassen sich allgemeine Aussagen über Leitungslängen[3] und die Zuverlässigkeit einer Topologie gewinnen. Zur optimalen Weglenkung eines Paketes zwischen Sender und Empfänger kommen Routing-Algorithmen zur Anwendung.
Ein Graph wird definiert durch die Menge der Knoten V und die Menge der Kanten A:
Dabei entspricht die Knotenmenge V den Teilnehmer- und Vermittlungsknoten und die Kantenmenge A den Leitungsverbindungen zwischen diesen Knoten. Im folgendem sei angenommen, daß es sich um Halb- und Vollduplex-Verbindungen handelt.
Ein Kommunikationsnetz wird nun durch einen endlichen Graphen mit nicht leerer Knotenmenge V beschieben:
Der Graph eines Rechnernetzes ist i.a. ungerichtet[4]. Somit werden die Kanten als ungerichtete Verbindungen (vi vj) zwischen zwei Knoten dargestellt. Als Kantenmenge kann dann das kartesische Produkt der Knotenmenge mit sich selbst definiert werden:
Eine Kantenfolge ergibt sich durch Nummerierung der Kanten in der Weise, daß die Kante ak genau einen Eckpunkt mit der ak+1-ten und ak-1-ten Kante besitzt. Weiter definiert man einen Kantenzug als Kantenfolge, in der keine Kante mehrfach vorkommt; ein Weg ist ein Kantenzug, der keinen Knoten mehrfach enthält. Als Weglänge bezeichnet man die Anzahl der Kanten eines Weges l(w). Ein Kreis ist in diesem Sinne ein geschlossener Kantenzug, der nur Anfangs- und Endpunkt besitzt. Ein Graph heißt zusammenhängend, wenn je zwei Knotenpunkte vi Œ V und vj Œ V durch mindestens einen Weg verbunden sind. Kommunikationsnetze müssen sinnvollerweise zusammenhängend sein. Ein Graph ist m-fach zusammenhängend, wenn je zwei Knoten durch mindestens m Wege verbunden sind, also bei Streichung von m-1 Kanten oder Knoten der Zusammenhang erhalten bleibt. Durch Streichen einer Teilmenge W aus V von Knoten und AW von Kanten entstehen sogenannte Knotenschnitte. Auf ein Rechnernetz bezogen ist dabei die Kantenzusammenhangszahl die Mindestzahl von Kanälen, die bei Ausfall das Netz unterbrechen. Als Grad eines Knoten bezeichnet man die Anzahl der Kanten, die mit ihm indizieren[5]. Der Grad eines Graphen ist der maximale Grad aller Knoten di(G) im Graphen.
Graphentheoretische Betrachtungen erleichtern die Beurteilung von Topologien wesentlich. Mit den Mitteln der Grapentheorie wird es möglich, Optimierungen von Netzwerk-Topologien nach verschiedenen Gesichtspunkten durchzuführen. Bei LANs erscheint das aufgrund der kurzen Entfernungen und allgemeinen Verwendbarkeit allerdings nicht sinnvoll.
3.2 Topologische Strukturen
In diesem Abschnitt sollen die wichtigsten Topologien von Rechnernetzen und ihre Bedeutung für LANs diskutiert werden. Rechnernetze lassen sich zunächst unterscheiden in Teilstreckennetze, die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bereitstellen, und Diffusionsnetze, die Nachrichten an alle Stationen leiten, die aber nur durch die Zielstation verwertet werden[6]. Eine genauere Differenzierung ist durch die topologische Anordnung der Netzwerkknoten möglich.
3.2.1 Ringtopologien
Die Topologie eines Kreises hat vor allem für lokale Netzwerke Bedeutung. Der kleinste Knotengrad dmin einer Ringtopologie ist 2. Es gibt also mindestens zwei verschiedene Wege zwischen den Knoten. Dadurch wird bei Duplex-Betrieb eine Ringtopologie weniger verwundbar als etwa eine baumartige Struktur. Ringartige Topologien gibt es in verschiedenen Ausprägungen, wovon hier die bedeutendsten genannt werden[7]:
Vollvermaschtes Netz:
In einem vollvermaschten Netz gibt es bei n Knoten
Kanten. Ein vollvermaschtes Netz ist ein n-1-zusammenhängender Graph und daher sehr sicher. Das gilt aber nur, wenn Meldungen nach dem Diffusionsprinzip verteilt werden oder ein flexibles Rooting betrieben wird. Der größte Nachteil eines solchen Netzes ist, daß bei einer eventuellen Erweiterung die Anzahl der Kanten im Vergleich zur Anzahl der Knoten von der Ordnung n2/2 wächst. Aus diesem Grund ist ein auf einer derartigen Topologie basierendes Computernetz i.a. zu aufwendig und findet kaum Verwendung.
Teilvermaschtes Netz:
Im Gegensatz zu einem vollvermaschten Netz sind in einem teilvermaschten Netz nicht alle Knoten paarweise miteinander verbunden. Derartige Topologien sind bei flächendeckenden Kommunikationsnetzen üblich, jedoch weniger bei lokalen Netzwerken.
Einziger Kreis (loop):
Eine einziger Kreis wird häufig bei LANs[8] verwendet (vgl. Abb. 3.2.1). Sind die Graphen dieser Netzwerke ungerichtet, so besitzen sie zweifachen Zusammenhang, da eine Meldung in zwei Richtungen zum Empfänger laufen kann (Diffusion). Nachrichten wandern um den Ring zu ihren Zielknoten, indem sie in den Knoten zwischengespeichert und weitergeleitet werden. Durch diese Zwischenspeicherung ergeben sich, je nach Entfernung[9] des Zielknotens, geringe Zeitverluste.
Wird der Zugriff auf den Ring durch Rundmeldungen (Token) geregelt, die in einer bestimmten Richtung um den Ring wandern, so ist der Graph wieder gerichtet und der Zusammenhang nur noch einfach. Auch bei einem solchen Ring führt ein Kabelbruch zur Auflösung des Zusammenhangs. Im Unterschied zur Bustopologie kann hier der Ausfall eines einzigen Knotens zum Totalausfall führen[10]. Damit ist der wichtigste Vorteil eines Ringes nicht mehr gegeben. Die Algorithmen für die Zugriffskontrolle über Rundmeldungen sind deterministisch und oft sehr elegant.
Abb. 3.2.1: Ringtopologie
Da die Leitungszahl und -länge pro Station gering und der Zuwachs der Leitungslänge beim Anfügen einer weiteren Station minimal ist, sind einfache Ringe leicht zu erweitern. Durch einen zweiten redundanten Ring, der die Knoten verbindet, kann unter Erhöhung des Aufwands die Funktionssicherheit verbessert werden. Mit mehreren redundanten Ringen kann dieselbe Betriebssicherheit wie bei vollvermaschten Netzen erreicht werden. Durch eine sogenannte Verzopfungstechnik werden in den Ring zusätzliche Leitungen so eingefügt, daß die Erreichbarkeit auch noch bei Ausfall eines Knotens oder einer Leitung gegeben ist. Der zu betreibende Aufwand ist jedoch für LANs meist zu hoch.
3.2.2 Baumtopologien
Ein Graph GB=[V, A] mit n Knoten wird in der Informatik als Baum bezeichnet, wenn zwei der drei folgenden Eigenschaften erfüllt sind[11]:
v GB ist zusammenhängend
v GB besitzt keine Kreise
v GB besitzt n-1 Kanten
Knoten, die nur mit einer Kante indiziert sind, werden als Hängende Punkte[12] bezeichnet. Die wichtigste topologische Eigenschaft einer Baumstruktur ist, daß zwischen zwei Knoten nur ein Weg existiert, d.h. der kleinste Grad den Wert 1 hat (siehe Abb. 3.2.2). Damit impliziert der Ausfall einer einzigen Kante die Auflösung des Netzes. Bei der Betrachtung von baumartigen Topologien sei angemerkt, daß es sich hierbei um einen ungerichteten Graphen handelt.
Abb. 3.2.2: Beispiel für eine Baumtopologie
Die Struktur eines Baumes ist vor allem gut an die Verhältnisse in Gebäuden angepaßt. Der Zugriff auf das Medium wird wie bei einem Bus gehandhabt. Heute werden baumartige Netze meist als Breitbandnetze betrieben.
3.2.3 Bustopologien
Die Bustopologie ist ein Sonderfall einer Baumstruktur, wobei die Knoten linienförmig angeordnet sind (vgl. Abb. 3.2.3). Der Graph ist einfach zusammenhängend, da jeweils nur ein Weg zwischen den einzelnen Knoten existiert. Die Struktur eines Busses ist die für LANs am meisten verwendete Topologie.
Abb. 3.2.3: Bustopologie
Bei Verwendung einer Bustopologie für ein LAN sind folgende Punkte zu beachten:
+ Durch den einfachen Zusammenhang verursacht eine Erweiterung nur einen geringen Aufwand.
+ Der Ausfall eines Knotens bewirkt bei den meisten LANs, die auf Bussystemen basieren, keine Auflösung des Netzes[13].
+ Meldungen werden nicht von Station zu Station weitergereicht, sondern diffundieren auf dem Netz. Dadurch treten bei der Übertragung geringere Zeitverluste auf als etwa bei einem Token-Ring.
+ Jeder Teilnehmer am Bus kann den Verkehr auf dem Netz beobachten. Dadurch wird ein Broadcasting leicht realisierbar.
+ Zur Übertragung werden meist keine Einzelleitungen, sondern ein durchgehendes, passives und störunanfälliges Medium benutzt. Oft ist eine Neuinstallation sogar ohne Störung des Netzbetriebes möglich.
- Beim Ausfall einer einzelnen Verbindungsleitung geht der Zusammenhang verloren und das Netz ist aufgelöst[14]. Durch diese Eigenschaft ist ein Bus sehr verwundbar gegen den Ausfall von Verbindungen.
- Durch die unflexible, wenig an die Gegebenheiten von Gebäuden angepaßte Struktur und das relativ teure Übertragungsmedium entstehen bei der Installation nicht selten hohe Kosten.
- Die Tatsache, daß jeder Knoten zu jedem Zeitpunkt auf den Bus zugreifen kann, erfordert eine Zugriffskontrolle auf das Medium.
- Bustopologien sind mit heutigen, modernen Medien, wie etwa Glasfaserleitungen und CPBX-Anlagen, schlecht zu realisieren.
3.2.4 Sterntopologien
Die Topologie eines Sterns ist ebenso ein Sonderfall eines Baumes und alle Aussagen gelten auch hier. Im allgemeinen dient der zentrale Knoten einer Sterntopologie als Vermittlungsknoten (z.B. PBX). Alle Nachrichten im Netz sind an diesen Knoten gerichtet und werden von diesem weitergeleitet (Abb. 3.2.4).
Abb. 3.2.4: Beispiel für eine Sterntopologie
Eine sternförmige Topologie hat vor allem folgende Vor- und Nachteile:
+ Eine Sterntopologie benötigt eine geringe Leitungszahl pro Station. Die Anzahl der zu überwindenden Teilstrecken bei Verbindungen ist stets 2.
+ Eine Sternstuktur ist leicht erweiterbar. Eine Erweiterung verursacht einen minimalen Zuwachs an Leitungen.
+ Fällt in einem Stern eine hängende Station aus, so hat das i.a. kaum Störungen des Netzes zur Folge[15]. Eine einfache Leitungsunterbrechung zwischen Zentralstation und Knoten schließt lediglich diesen vom Netzwerk aus, hat aber keine Auswirkung auf das restliche Netz.
+ Meist ist mit einer digitalen Nebenstellenanlage und den zugehörigen Telefonleitungen die Infrastruktur für ein Rechnernetz bereits vorhanden.
- Da in leitungsvermittelnden Sternnetzen nicht jeder Teilnehmer mithören kann, ist ein Broadcasting von Meldungen nur bedingt möglich. Das hat vor allem Auswirkungen auf die Implementierungen von Protokollen für ein lokales Netzwerk.
- Die größte Schwachstelle einer Sternstruktur stellt der zentrale Vermittler dar. Ein Ausfall der Zentralstation unterbricht alle Wege zu den hängenden Knoten. Das Netz ist gänzlich aufgelöst, nicht nur der Zusammenhang geht verloren.
- Da die Verfügbarkeit eines zentralen Vermittlers stets gegeben sein muß, verursacht er hohe Wartungskosten. Durch einen passiven Sternknoten wird die Sterntopologie unkritischer. Jedoch müssen dann Maßnahmen zur Synchronisation der Zugriffe getroffen werden[16].
- Eine sternförmige Topologie ist schlecht an die Gegebenheiten eines Gebäudes anpaßt[17]. Das erhöht den Aufwand für die Neuinstallation eines sternförmigen Netzes.
3.2.5 Busstruktur versus leitungsvermittelnde Sternstruktur
Zwischen der Topologie und den Leitungslängen, die sich wiederum auf die Kosten eines Netzwerkes auswirken, besteht ein wesentlicher Zusammenhang. Bezeichnet man n als die Anzahl der Knoten in einem Netz, lges als die gesamte Leitungslänge des Netzes und s als den kleinsten Abstand zwischen zwei Knoten, so erhält man die anteilige Leitungslänge l*=lges/n für die jeweiligen Topologien folgendermaßen[18]:
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vollvermaschtes Netz: |
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Liniennetz: |
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Sternnetz: |
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Ringnetz: |
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Wie obigen Formeln zu entnehmen ist, sind die Leitungslängen ring- und linienförmiger Topologien günstiger als die sternförmiger und vollvermaschter. Da bei LANs die Installationskosten im Vordergrund stehen, basieren sie überwiegend auf Linien- und Ringstrukturen.
Weitere Nachteile leitungsvermittelnder, sternförmiger Strukturen gegenüber einer Busstuktur:
∑ Die Übertragungsleistung eines einzelnen Kanals ist verglichen mit der Übertragungskapazität von LANs mit Bustruktur gering.
∑ Die Verfügbarkeit des zentralen Vermittlers muß stets gegeben sein, da ein Ausfall zur Auflösung des gesamten Systems führt.
∑ Die mangelnde Broadcast-Fähigkeit eines Sterns mit Vermittlungsknoten ist ein weiterer schwerwiegender Nachteil, der bei der Konzipierung eines LAN für eine Sternstruktur berücksichtigt werden muß. Dem Broadcasting auf dem Bus steht das Circuit Switching der Vermittlungsanlage gegenüber. Erhebliche Probleme entstehen, wenn Protokolle, die auf der Rundspruchfähigkeit eines Busses basieren, auf eine leitungsvermittelnde, sternförmige Struktur übertragen werden sollen.
∑ Im Gegensatz zu einer Busstruktur können leitungsvermittelnde Systeme jeweils nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu einem Zeitpunkt unterstützen.
∑ Der Aufbau einer Wählverbindung kann realtiv viel Zeit beanspruchen .
Der Hauptgründe, warum heute dennoch sternförmige Rechnernetze entstehen, sind folgende:
v Oft kann auf vorhandene leitungsvermittelnde Strukturen, wie digitale Nebenstellenanlagen, zurückgegriffen werden. Somit entstehen nur geringe zusätzliche Kosten für die Installation der Infrastruktur eines Computernetzes.
v Die Zugriffe bei Bussen werden meist durch stochastische Methoden und bei Ringen durch deterministische Tokenverfahren geregelt. Bei leitungsvermittelnden Sternstrukturen kann eine aufwendige Zugriffskontrolle auf das Medium entfallen, da über den Steuerknoten immer nur Punk-zu-Punkt-Verbindungen bestehen. Somit entsteht bei der Datenübertragung kein zusätzlicher Overhead durch die Zugriffskontrolle und auch die Übertragungsprotokolle werden einfacher.
v Die Gesamtübertragungsleistung eines leitungsvermittelnden Systems kann ein Vielfaches eines einzelnen Kanals betragen (z.B. n * 64 kbit/s).
Über PBX-Anlagen und die zugehörige Telefonverkabelung stellt die Datenübertragung keinen nennenswerten Mehraufwand zur Sprachübertragung dar.