Einführung Topologien

Einführung in die Grundlagen von Topologien

Präsentation unter: https://essentials.coufal.at/network_basics/Topologien.html

Klaus Coufal

28.2.2020

Topologien

Begriffe
Bewertungskriterien
Verbreitete Topologien
Besondere Topologien

Topologien: Begriffe

Zusammenhangsgrad
Teilstreckennetze
Diffusionsnetze
Zugriffsverfahren

Topologien: Zusammenhangsgrad

Ein Netzwerk wird dann N-zusammen-hängend genannt, wenn nach Ausfall von N-1 Verbindungen noch immer jeder Knoten des Netzwerkes mit jedem anderen Knoten Verbindung hat. (0-Zusammenhängend wird in der Literatur oft mit 1-zusammenhängend gleich gesetzt)

Topologien: Teilstreckennetze

Netzwerke, bei denen die Daten über eine oder mehrere unabhängige Übertragungsstrecken von einer Quelle zum Ziel transportiert werden, dabei können die einzelnen Teilstrecken technisch verschieden sein (optisch, elektrisch, ...). Jede Teilstrecke hat eine Anfangs- und einen Endpunkt

Topologien: Diffusionsnetze

Netzwerke bei denen alle Stationen an ein gemeinsames Übertragungsmedium angeschlossen sind, dabei wird die Nachricht vom Sender in das Medium übergeben und vom Empfänger ausgewertet. „Mithören“ für andere Stationen ist grundsätzlich möglich

Topologien: Zugriffsverfahren

Random Access
Gesteuerte Zugriffe
Token/Polling

Topologien: Zugriffsverfahren - Random Access

Jeder Benutzer hat grundsätzlich jederzeit Zugriff
Kollisionsmöglichkeit
Varianten:
- ALOHA, S-ALOHA
- CSMA/CD, CSMA/CA
- BTMA, CDMA

Topologien: Zugriffsverfahren - ALOHA

1970 an der Universität Hawaii entwickelt
Jeder sendet nach Bedarf
Keine Abstimmung
Schlechter Durchsatz: (ca. 18%)

Topologien: Zugriffsverfahren - Random Acces - S-ALOHA

Slotted ALOHA (1972)
Festgesetzte Time-Slots
„Master“, der die Slots definiert (Setzen der Anfangszeiten)
Durchsatz ca. 36%
Beispiel: Satellitenkommunikation

Topologien: Zugriffsverfahren - CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
Abhören der Leitung, ob sie frei ist
Senden und weiterhören, ob dabei eine Kollision entstanden ist
Wenn notwenig: JAM-Signal
Erneutes nach „zufälliger“ Wartezeit (2ⁿ)
Beispiel: Ethernet (802.3)

Topologien: Zugriffsverfahren - CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Ähnlich CSMA/CD
Durch Prioritäten werden Kollisionen vermieden (nicht verhindert!)
Beispiel: Appletalk, WLAN (802.11)

Topologien: Zugriffsverfahren - BTMA

Busy Tone Multiple Access
Speziell für Funknetze entwickelt
Steuerung über Sonderkanal (Blockierung durch einen Busy Tone)
Varianten:
- RD-BTMA (Receiving Destination BTMA)
- C-BTMA (Conservative BTMA)

Topologien: Zugriffsverfahren - CDMA

Code Division Multiple Access
Speziell für Funknetze entwickelt
Mit Hilfe von CDM werden mehrere Signale gleichzeitig übertragen
Varianten:
- Einheitlicher Code
- Sender- oder Empfängerspezifischer Code

Topologien: Zugriffsverfahren - Gesteuerte Zugriffe

Jeder Teilnehmer bekommt einen fixen Anteil an der gesamten Bandbreite
Inflexibel und schlechte Gesamtauslastung
TDMA (Time Division Multiplex Access)
FDMA (Frequency Division Multiplex Access)

Topologien: Zugriffsverfahren - Token/Polling

Jeder Teilnehmer wird von einem zentralen Vermittler zum Senden aufgefordert (Polling) oder ein spezielles Packet wird weitergereicht (Token)
Echtzeitfähig (garantierte Antwortzeit)
Beispiel: Token Ring (802.5)

Topologien: Bewertungskriterien

Modularität
Modularität der Kosten
Zusammenhangsgrad
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten
Logische Komplexität
Durchsatzkapazität

Topologien: Verbreitete Topologien

Stern (Star)
Erweiterter Stern (Extended Star)
Ring
Bus

Topologien: Stern

Topologie Stern

Topologien: Stern - Eigenschaften

Alle Nachrichten laufen über ein Zentralsystem (aktiv, passiv)
Aktiv
- Zentraler Vermittler
- Switch
Passiv
- Hub

Topologien: Stern - Kriterien

Modularität	Sehr gut
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut (!ZV)
Logische Komplexität	Einfacht
Durchsatzkapazität	"Zentral"

Topologien: Erweiterter Stern

Topologie Erweiterter Stern

Topologien: Erweiterter Stern - Eigenschaften

Auch „Baumartig mit zentralen Teilvermittlern“ genannt
Möglicher Zerfall in Teilnetze
Mögliche Durchsatzengpässe zwischen den Teilvermittlern
Als Vermittler heute i.a. Switches im Einsatz

Topologien: Erweiterter Stern - Kriterien

Modularität	Sehr gut!!!
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut (!ZTV)
Logische Komplexität	Einfach
Durchsatzkapazität	"ZTV-ZTV"

Topologien: Ring

Topologie Ring

Topologien: Ring - Eigenschaften

Kann mit oder ohne zentralem Vermittler betrieben werden
Uni- oder bidirektionaler Betrieb möglich
Kopplung mehrerer Ringe machbar (meist bei ZV)
Heute i.a. unidirektional ohne ZV

Topologien: Ring - Kriterien

Modularität	Gut
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1(uni)/2(bi)
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Schlecht
Logische Komplexität	Einfach
Durchsatzkapazität	"Ringgröße"

Topologien: Bus

Topologie Bus

Topologien: Bus - Eigenschaften

Alle Stationen sind an ein gemeinsames Medium (Bus) angeschlossen
Zugriffsverfahren besonders wichtig
Abhörsicherheit problematisch
Broadcastmöglichkeit

Topologien: Bus - Kriterien

Modularität	Sehr gut
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut
Logische Komplexität	Einfach
Durchsatzkapazität	"Medium"

Topologien: Besondere Topologien

„Der vollständige Graph“
„Reguläre Strukturen“
Liniennetz
Bus mit zentralem Vermittler
Unregelmäßige Strukturen

Topologien: Vollständiger Graph

Topologie vollständiger Graph

Topologien: Vollständiger Graph - Eigenschaften

Jeder Knoten (N) ist mit jedem anderen Knoten verbunden
Zwei Betriebsarten
- Indirekt (mit Routing)
- Direkt (ohne Routing)
Nur bei kleiner Anzahl (<20) sinnvoll
Hohe Störsicherheit und hohe Kosten

Topologien: Vollständiger Graph - Kriterien

Modularität	Sehr schlecht
Modularität der Kosten	Sehr schlecht
Zusammenhangsgrad	N-1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut/Schlecht
Logische Komplexität	Aufwendig/Einfach
Durchsatzkapazität	Sehr gut

Topologien: Reguläre Struktur

Topologie Reguläre Struktur

Topologien: Reguläre Struktur - Eigenschaften

Jeder Knoten hat die gleich Anzahl von nächsten Nachbarn (n)
Bei manchen n Randproblem (3,5)
Große (>6) n selten
Für Sonderfälle gelten die Bewertungs-kriterien nicht vollständig (s. Beispiel)
Der vollständige Graph und der Ring sind ebenfalls Sonderformen

Topologien: Reguläre Struktur - Kriterien

Modularität	Mäßig
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	n
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut
Logische Komplexität	Mittel
Durchsatzkapazität	Gut

Topologien: Reguläre Struktur - Sonderfall

Drei nächste Nachbarn, trotzdem ist der Zusammenhangsgrad nur 1

Topologie Reguläre Struktur Sonderfall Beispiel

Topologien: Liniennetz

Topologie Liniennetz

Topologien: Liniennetz - Eigenschaften

Die Knoten sind linear angeordnet
Minimale Leitungsanzahl
Mittlere Leitungen stärker belastet als die Randleitungen
Durch eine zusätzliche Leitung zu einem Ring erweiterbar

Topologien: Liniennetz - Kriterien

Modularität	Gut
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Schlecht
Logische Komplexität	Einfach
Durchsatzkapazität	Schlecht

Topologien: Bus mit zentralem Vermittler

Topologie Bus mit zentralem Vermittler

Topologien: Bus mit zentralem Vermittler - Eigenschaften

Alle Nachrichten werden von den Knoten zu einem zentralem Vermittler übertragen und werden von diesem an das Ziel gesandt
Mangelnde Abhörsicherheit
Broadcastfähigkeit
Beispiel: Funknetze mit Benutzermobilität

Topologien: Bus mit zentralem Vermittler - Kriterien

Modularität	Abhängig vom Zugriffsverfahren
Modularität der Kosten	Sehr gut
Zusammenhangsgrad	1
Stabilitäts- und Rekonfigurationsverhalten	Gut (!ZV)
Logische Komplexität	Einfach
Durchsatzkapazität	"Medium"/2

Topologien: Unregelmäßige Strukturen

Durch das Zusammenwachsen verschiedener Netze entstehen oft unregelmäßige Strukturen (verschiedene Teile bestehen aus unterschiedlichen Topologien)
Die Bewertungskriterien sind daher sinnvoll nur auf Teile des Netzes anwendbar
Der Zusammenhangsgrad ist bei dieser "Topologie" i.a. 1

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