01. Netzwerktopologien

Persönliche Meinung der Redaktion: Der Wikipediaartikel ist definitiv lesenswert zum Thema Topologien.

Bus-Topologie

Die Bus-Topologie ist das einfachste Grundmuster für die Verkabelung.

Wenn ein Netzwerk oder ein Netzwerk-Segment der Bus-Topologie folgt, dann gibt es eine Hauptleitung (auch Backbone oder Bus genannt), und die Kabel, mit denen die PCs angeschlossen werden, sind an die Hauptleitung (mindestens ein Adernpaar) direkt angeschlossen. Die Stationen oder Geräte sind gegenüber dieser Leitung so positioniert, wie es meistens Häuser zu einer Straße sind.

Die Hauptleitung (Backbone), welche die Geräte miteinander verbindet, kann z.B. mit verdrillten Leitungen, Koaxialkabel oder flache Buskabeln realisiert werden.

In einem Bus-Netz überprüft jeder Computer jedes Paket, das über das Kabel versendet wird. Stellt ein Computer fest, dass die Zieladresse des untersuchten Pakets mit der eigenen Adresse übereinstimmt, fertigt er eine Kopie an und übernimmt diese. Es kann also immer nur ein Computer Nachrichten senden, alle anderen empfangen sie.

Damit die Signale davon abgehalten werden, am Ende der Leitung abzuprallen und als Echo reflektiert zu werden, hat jedes Kabelende einen sogenannten Abschlusswiderstand. Dabei handelt es sich um ein Stück Hardware, welches das Signal absorbiert, bevor es auf das Kabel zurückkehren kann.

Bus-Topologien sind einfach zu verwalten und erweitern, weil dafür weniger Kabel benötigt wird als bei anderen Topologien. Da jedoch alle Computer an ein einziges Kabel angeschlossen sind, kann eine Unterbrechung im Kabel an jeder möglichen Stelle das gesamte Netzwerk lahmlegen.

Da das Netzwerk zu jeder Zeit nur eine Nachricht über das Hauptkabel schicken kann, hängt die Netzwerkleistung stark davon ab, wie viele Computer angeschlossen sind und in welchem Umfang die angeschlossenen PCs das Netzwerk nutzen. Durch geregelte Zugriffsverfahren und die Begrenzung der Geräteanzahl kann man gewährleisten, dass die Netzwerklast nicht zu groß wird und die Netzwerkleistung nicht zu stark abfällt.

Schaubild

Quelle: Wikipedia

Aktuelle Anwendungen

• USB (Universal Serial Bus):
  • USB 2.0: halbduplexfähig
  • USB 3.0: vollduplexfähig
• Bussysteme im industriellen Produktionsumfeld auf Feldbusebene
  • Realisierung von kompakten Produktionszellen
  • ASI Bus (Actuator-Sensor-Interface)
  • Profibus (Siemens)
• CAN-Bus
  • Standard für die Vernetzung in Automobilen

Funktion des Abschlusswiderstandes

Andere Analogien:

• Wellenbrecher
• Tonstudio
• Knautschzone beim Auto

Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
man benötigt wenig Kabel	es kann nur ein Computer senden
einfach erweiterbar	Unterbrechung kann das ganze Netzwerk lahmlegen
kein Hub/Switch notwendig	je mehr PCs, desto weniger Leistung
einfach zu verwalten
geringe Kosten

Ring-Topologie

Bei einem Netzwerk mit Ring-Topologie sind die Computer direkt oder über angeordnete Netzwerkkomponenten ringförmig miteinander verbunden. Es gibt keine Kabelenden mit Abschlusswiderständen.

Die Daten durchlaufen den Ring (z.B. beim älteren Token-Ring-Verfahren) in einer Richtung und passieren dabei jeden Computer. Im Gegensatz zu passiven Bus-Topologie, funktionieren die einzelnen Computer oder Netzwerkkomponenten wie Repeater. Sie senden die Daten, die sie empfangen, verstärkt zum nächsten Computer weiter.

Da die Daten jeden Computer eines Computerringsystems durchlaufen, hat der Ausfall eines Computers Einfluss auf das gesamte Netzwerk.

Ein großer Vorteil bei der Ringtopologie ist, dass ab einer bestimmten Anzahl von Teilnehmern der Verkabelungsaufwand geringer als bei der Sterntopologie ist.

Moderne Netzwerkkomponenten im Produktionsumfeld können mit Leistungsunterbrechungen und defekten Gerätschaften “umgehen”. Fällt z.B. bei einem Ring mit 5 Knoten die Netzwerkkomponente 3 aus, so kann sich das physikalische Ringsystem zu einer Linientopologie (2-1-5-4) rekonfigurieren.

**Die Linientopologie ist nicht mit der Bustopologie zu verwechseln!**

Um eine schnelle, automatische Wandlung bei Ausfall oder Unterbrechung vom physikalischen Ring zu Linie vornehmen zu können, müssen folgende technische Voraussetzungen erfüllt sein:

• Die Kommunikation zwischen benachbarten Netzkomponenten muss vollduplexfähig sein, d.h. es können - anders als bei älteren Token-Ring-Systemen - Datenpakete in beide Richtungen gesendet werden.
• Eine Netzwerkkomponente (Manager) muss den Ring überwachen, Fehler erkennen und das Netzwerk sehr schnell rekonfigurieren, um die Produktion nicht zu beeinflussen.

Möglichkeit der Überwachung und Rekonfiguration von zeitkritischen Ring-Topologien:

Für die Überwachung der Funktion ist der Redundanzmanager zuständig. Er sendet Testpakete (Telegramme) in beide Richtungen des Rings an die Redundanz-Clients, die sie weiterleiten.

Fällt nun eine Netzwerkkomponente aus oder wird eine Leitung unterbrochen, so kommen die gesendeten Testpakte nicht mehr beim Redundanzmanger an. Nun rekonfiguriert der Redundanzmanager den physikalischen Ring innerhalb weniger Zehntelsekunden neu und schließt die beiden Teile links und rechts von ihm zu einer neuen vollduplexfähigen Linie.

Schaubild

Quelle: Wikipedia

Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
kürzere Vernetzungsentfernungen als z.B. bei Stern (> 6 PCs)	Ausfall eines Knotens legt Netzwerk lahm
bei Doppelring $\rightarrow$ Leistungssteigerung	schwieriger erweiterbar
sichere, feste Übertragungsgeschwindigkeit
PCs sind Repeater

Moderne Ringtopologien

z.B. im Produktionsumfeld

Bei Ausfall eines Segments:

• Redundanzmanager sendet Testpakete und erkennt Unterbrechung
• Rekonfiguration zur Linie

Stern-Topologie

Stern-Topologien hat es zuerst in den 1960ern in Großrechner-Umgebungen gegeben. Im Zentrum gab es einen Großrechner, an diesen war eine Reihe von Terminals angeschlossen. Jede Nachricht, die von einem Terminal zu einem anderen ging, nahm ihren Weg über den Großrechner.

Wenn PCs in den 1980ern nach der Stern-Topologie verbunden wurden, gab es im Zentrum einen Sternverteiler (Hub) als zentrale Verkabelungsstation. Wenn ein PC Daten sendete, wurden diese Daten über den Hub an jeden anderen Computer im Netz übertragen.

Heutzutage kommen Switche für die sternförmige Verkabelung zum Einsatz. Sie können Ports schalten, also z.B. Port 1 mit 5 und parallel dazu Port 3 mit 4 “durchschalten”. Hier in diesem Beispiel sind also zwei Verbindungen gleichzeitig voll-duplex möglich. Die Schaltzeichen von Switches deuten dies auch an.

Nachteile einer Stern-Topologie: Jeder Computer muss mit dem zentralen Verteiler verbunden werden. Das erfordert unter Umständen den Einsatz von einer großen Menge an Kabeln. Außerdem ist der Netzwerkbetrieb in hohem Maße von der Funktionstüchtigkeit des zentralen Gerätes abhängig. Bei einem Ausfall der Zentrale kommt es zu einem Stillstand des gesamten Netzes.

Andererseits gibt es keine Störanfälligkeit in Bezug auf den einzelnen Computer. Wenn in einem Stern-Netz ein Computer ausfällt, dann werden die anderen dadurch nicht behindert, und wenn ein Kabel bricht, dann ist nur der Computer betroffen, der über dieses Kabel an den Verteiler angeschlossen ist.

Switches in der Produktionstechnik

Häufig werden Switches auch in Produktionen eingesetzt. Sie verbinden Anlagenteile, Produktionszellen, Roboterarme, Motoren und Kameras sternförmig miteinander. Die Switches untereinander sind jedoch häufig physikalisch als Ringe oder Linien miteinander verbunden.

Schaubild

Quelle: Wikipedia

Vor- und Nachteile

Vorteile	Nachteile
einzelne PCs können ausfallen $\rightarrow$ kein Netzausfall	jeder PC muss mit zentralem Hub/Switch verbunden sein
Kabel können brechen $\rightarrow$ kein Netzausfall	Hub muss funktionieren, sonst kein Netzwerkbetrieb
leicht erweiterbar	großer Verkabelungsaufwand
leicht wartbar/leichte Fehlersuche