Netzwerk-Topologien: Definitionen, Typen und Ethernet-Standard

Netzwerk-Topologie: Grundlagen und Definition

1. Definition der Netzwerk-Topologie

Die Netzwerk-Topologie beschreibt die physikalische oder logische Anordnung, in der die Komponenten eines Computernetzwerks miteinander verbunden sind. Verfügt ein Netzwerk über verschiedene Topologien, wird es als gemischte Topologie bezeichnet.

2. Gängige Netzwerk-Topologien

2.1. Ring-Netzwerk (Ring-Topologie)

Die Ring-Topologie verbindet die Stationen in einem geschlossenen Ring. Jede Station ist mit der nächsten verbunden, und die letzte Station ist wieder mit der ersten verbunden. Jede Station fungiert dabei als Relais, da sie über einen Empfänger und einen Sender verfügt, um das Signal an die nächste Station im Ring weiterzuleiten.

Die Kommunikation erfolgt oft mithilfe eines Tokens (oder Zeugen), der als eine Art Briefträger fungiert, indem er Informationspakete sammelt und zustellt. Dieses Verfahren hilft, Datenverluste durch Kollisionen zu vermeiden.

Ein wesentlicher Nachteil ist, dass der Ausfall eines einzelnen Knotens (Computers) die gesamte Kommunikation im Ring unterbrechen kann.

2.2. Baum-Netzwerk (Tree-Topologie)

Beim Baum-Netzwerk sind die Knoten hierarchisch angeordnet. Topologisch gesehen ähnelt die Baum-Verbindung einer Reihe miteinander verbundener Stern-Netzwerke.

Die Baum-Topologie ist eine Variation des Bus-Netzwerks. Der Ausfall eines einzelnen Knotens führt hierbei nicht zwangsläufig zu Störungen der gesamten Kommunikation, da der Kommunikationskanal geteilt wird.

Es verfügt über ein Hauptkabel (das Backbone), an das die einzelnen Bus-Netzwerke angeschlossen sind.

2.3. Vermaschtes Netzwerk (Mesh-Topologie)

Die Mesh-Topologie ist eine Netzwerk-Topologie, bei der jeder Knoten mit einem oder mehreren anderen Knoten verbunden ist. Dies ermöglicht es, Nachrichten auf unterschiedlichen Wegen von einem Knoten zum anderen zu übertragen.

Ist das Netzwerk vollständig vermascht (Full Mesh), gibt es praktisch keine Unterbrechung in der Kommunikation, da jeder Server über eine dedizierte Verbindung zu allen anderen Servern verfügt.

2.4. Bus-Netzwerk (Bus-Topologie)

Die Bus-Topologie verbindet alle Stationen über Interface-Einheiten und Shunts mit einem einzigen Kommunikationskanal (dem Bus). Die Stationen nutzen diesen gemeinsamen Kanal, um miteinander zu kommunizieren.

Bei der Bus-Topologie sind alle Knoten direkt mit einem einzigen Link verbunden; es gibt keine weiteren Verbindungen zwischen den Knoten. Physisch ist jeder Host mit einem gemeinsamen Kabel verbunden, was die direkte Kommunikation ermöglicht. Das Ende des Kabels muss terminiert werden.

Die Bus-Topologie erlaubt es allen Geräten im Netzwerk, alle Signale von allen anderen Geräten zu empfangen. Dies ist vorteilhaft, wenn alle Geräte die Informationen erhalten sollen. Ein Nachteil ist jedoch, dass es aufgrund des gemeinsamen Übertragungsmediums zu Verkehrsproblemen und Kollisionen kommen kann. Diese Probleme können durch die Segmentierung des Netzwerks in mehrere Teile verringert werden. Diese Topologie war früher häufiger in kleinen LANs anzutreffen, oft in Verbindung mit einem Hub oder Switch, wobei der Bus an beiden Enden terminiert werden musste.

2.5. Stern-Netzwerk (Star-Topologie)

Beim Stern-Netzwerk sind die Stationen direkt mit einem zentralen Server oder einem zentralen Knoten (Hub oder Switch) verbunden. Die gesamte Kommunikation muss zwingend über diesen zentralen Punkt erfolgen.

Alle Stationen sind separat mit dieser zentralen Kommunikationsdrehscheibe verbunden, sind aber nicht direkt miteinander verbunden. Diese Struktur erleichtert die Überwachung und Kontrolle der Informationen, da alle Nachrichten den Hub passieren müssen, der die Verteilung der Informationen an die anderen Knoten verwaltet. Die Zuverlässigkeit dieser Netzart liegt darin, dass eine Fehlfunktion eines einzelnen Rechners das gesamte Netzwerk in keiner Weise beeinträchtigt, da jeder Computer unabhängig mit dem Hub verbunden ist. Allerdings können die Kosten für die Verkabelung sehr hoch sein. Die größte Schwachstelle ist der zentrale Hub selbst, da dessen Ausfall das gesamte Netzwerk lahmlegt.

2.6. Drahtloses Wi-Fi-Netzwerk

Wi-Fi ist eine Marke der Wi-Fi Alliance (ehemals Wireless Ethernet Compatibility Alliance), dem Industrieverband, der Geräte testet und zertifiziert, die dem IEEE 802.11-Standard entsprechen.

Moderne drahtlose Netzwerke ermöglichen es, Geräte ohne aufwendige Installation mit einem lokalen Netzwerk zu verbinden. Dies erlaubt es Nutzern, sich frei im Büro zu bewegen, während ihr Laptop mit dem Netzwerk verbunden bleibt, oder Überwachungskameras an schwer zugänglichen Stellen drahtlos zu verbinden. WLANs werden auch an öffentlichen Plätzen installiert, um kabellosen Internetzugang anzubieten.

Der IEEE 802.11b-Standard hat dieser Technologie einen universellen Charakter verliehen. Er ermöglicht den Anschluss jedes Computers an ein Ethernet-Datennetzwerk ohne Verkabelung und kann heute auch mit ADSL-Internetzugängen integriert werden.

Sicherheit von Wi-Fi-Netzwerken

Eines der gravierendsten Probleme von Wi-Fi ist die Sicherheit. Ein sehr hoher Prozentsatz der Netzwerke wurde von System- oder Netzwerkadministratoren aufgrund der einfachen Implementierung ohne ausreichende Berücksichtigung der Sicherheit eingerichtet. Dadurch wurden diese Netze zu offenen Netzwerken ohne sicheren Zugang für die zirkulierenden Informationen.

Es gibt mehrere Alternativen zur Sicherung dieser Netze. Die gängigsten sind die Verwendung von Datenverschlüsselungsprotokollen wie WEP und WPA, die von den mobilen Geräten selbst bereitgestellt werden, oder Protokolle wie IPSec (IP-Tunneling) und 802.1x, die von vermittelnden Geräten im Datennetzwerk bereitgestellt werden.

2.7. Zellulare Topologie (Mobilfunknetz)

Die zellulare Topologie basiert auf kreisförmigen oder sechseckigen Gebieten (Zellen), wobei jede Zelle einen einzelnen Knoten (Basisstation) in der Mitte hat.

Die zellulare Topologie unterteilt ein geografisches Gebiet in Regionen (Zellen) für drahtlose Kommunikationstechnologien. Bei dieser Technologie gibt es keine physischen Verbindungen; die Kommunikation erfolgt über elektromagnetische Wellen.

Der offensichtliche Vorteil einer zellularen Topologie ist, dass sie keine physische Verkabelung über große Entfernungen oder gar im Weltraum (wie bei Satelliten) benötigt. Nachteile sind, dass die Signale innerhalb der Zelle Interferenzen ausgesetzt sind und Sicherheitsverletzungen auftreten können.

Zellbasierte Topologien werden in der Regel mit anderen Topologien integriert, sei es über terrestrische oder Satellitenverbindungen.

3. Der Ethernet-Standard (IEEE 802.3)

Der Standard IEEE 802.3 definiert, wie Netzwerkstationen Daten über eine gemeinsame physische Umgebung senden und empfangen, die sich logisch wie ein Bus verhält, unabhängig von ihrer physischen Konfiguration.

Ursprünglich wurde Ethernet entwickelt, um Daten mit 10 Mbit/s zu übertragen. In der Folge wurde es jedoch auf 100 Mbit/s, 1 Gbit/s und 10 Gbit/s weiterentwickelt. Zukünftige Versionen sollen Geschwindigkeiten von 40 Gbit/s und 100 Gbit/s erreichen.

In den Versionen bis zu 1 Gbit/s wird das Medienzugriffsprotokoll CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect – Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung und Kollisionserkennung) verwendet. Ethernet ist derzeit der am weitesten verbreitete Standard für lokale Netzwerke (LANs).

Ethernet wurde von Robert Metcalfe und anderen am Xerox PARC (Xerox Research Center) entwickelt, um die Alto-Computer zu verbinden. Das ursprüngliche Design arbeitete mit 1 Mbit/s über dicke Koaxialkabel, die mittels sogenannter Vampir-Klemmen (die das Kabel „anbeißen“) verbunden wurden.

Für den 10-Mbit/s-Standard wurden dünnere Koaxialkabel (10Base2, 50 Ohm, flexibler) mit BNC-Steckern, Twisted-Pair-Kabel der Kategorie 3 (10BaseT) mit RJ45-Steckern (unter Verwendung von Hubs und einer physischen Sternkonfiguration) und sogar Glasfaserverbindungen (10BaseF) verwendet.

Nachfolgende Standards (100 Mbit/s oder Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet) führten dazu, dass Koaxialkabel weitgehend aufgegeben wurden und nur noch Twisted-Pair-Kabel (UTP – Unshielded Twisted Pair) der Kategorie 5 und höher sowie Glasfaser verwendet werden.

3.1. Typische Hardware in einem Ethernet-Netzwerk

• Netzwerkkarte oder Ethernet-Adapter: Ermöglicht einem Computer den Zugriff auf ein Netzwerk. Jeder Adapter verfügt über eine eindeutige MAC-Adresse (Media Access Control) im Netzwerk. Ein mit dem Netzwerk verbundener Computer wird als Knoten bezeichnet.
• Repeater: Erhöht die Reichweite einer physischen Verbindung, indem er das elektrische Signal regeneriert und so dessen Abschwächung in der physischen Umgebung entgegenwirkt.