Grundlagen von Stern- und Bustopologien

Eine Topologie ist die Form oder Anordnung, in der Geräte in einem Netzwerk miteinander verbunden sind. Sie beschreibt, wie Kabel verlaufen und wie Daten zwischen Geräten übertragen werden. Die Wahl der Topologie beeinflusst drei wichtige Faktoren: Kosten, Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit. In dieser Lektion vergleichen Sie die beiden ältesten und grundlegendsten Anordnungen: Stern und Bus. Ihr Verständnis bildet die Grundlage für die fortgeschritteneren Ring- und Maschentopologien, denen Sie als Nächstes begegnen.

Bei einer Sterntopologie ist jedes Gerät mit einer zentralen Stelle verbunden, normalerweise mit einem Switch (einem Gerät, das Daten in einem LAN beziehungsweise Local Area Network weiterleitet). Kein Gerät kommuniziert direkt mit einem anderen; der gesamte Datenverkehr läuft über das Zentrum. Diese Anordnung finden Sie in nahezu jedem modernen Heim- und Büronetzwerk. Jede Kabelverbindung führt von einem einzelnen Gerät zu einem Anschluss am zentralen Switch, sodass die Darstellung die Form eines Sterns ergibt.

Die Sterntopologie ist beliebt, weil sie sich leicht verwalten und Fehler beheben lässt. Wenn ein Kabel ausfällt, verliert nur das betreffende Gerät die Verbindung; alle anderen arbeiten weiter. Ein neues Gerät hinzuzufügen ist einfach: Verlegen Sie ein Kabel zu einem freien Anschluss am Switch.

• Zuverlässig — ein defektes Kabel legt nicht das gesamte Netzwerk lahm.
• Skalierbar — Geräte lassen sich durch das Anschließen an freie Ports hinzufügen.
• Fehler leicht einzugrenzen — Probleme lassen sich auf eine einzelne Verbindung zurückführen.

Der Stern hat eine eindeutige Schwäche: Das zentrale Gerät ist ein Single Point of Failure. Wenn der Switch die Stromversorgung verliert oder ausfällt, gehen alle daran angeschlossenen Geräte gleichzeitig offline. Außerdem benötigt der Stern mehr Kabel als ältere Entwürfe, da jedes Gerät über eine eigene Leitung mit dem Zentrum verbunden wird. Trotz dieser Kosten machen Zuverlässigkeit und Einfachheit den Stern heute zur Standardwahl.

Bei einer Bustopologie teilen sich alle Geräte ein einziges langes Kabel, den sogenannten Backbone. Jedes Gerät ist an diese eine Leitung angeschlossen. Wenn ein Gerät Daten sendet, läuft das Signal über das gesamte Kabel, sodass jedes Gerät es empfängt; nur der vorgesehene Empfänger verarbeitet es. Der Bus war in frühen Netzwerken verbreitet, weil dafür nur wenig Verkabelung nötig und der Aufbau kostengünstig war.

Ein Bus benötigt an jedem Kabelende einen Abschlusswiderstand (einen kleinen Widerstand). Ohne Abschlusswiderstände werden Signale an der Leitung zurückgeworfen und verursachen Störungen, die Daten verfälschen. Außerdem basierte der Bus auf CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), damit sich Geräte eine einzelne Leitung teilen konnten, ohne ständig gleichzeitig zu senden.

Die Bustopologie hat erhebliche Nachteile, durch die sie historisch geworden ist. Da sich alle Geräte ein Kabel teilen, kann immer nur eines gleichzeitig senden; mit jedem weiteren Gerät sinkt daher die Leistung. Noch problematischer ist, dass ein einziger Kabelbruch oder ein loser Stecker an beliebiger Stelle des Backbones das gesamte Netzwerk lahmlegen kann. Zur Fehlerbehebung muss das komplette Kabel abgesucht werden.

Der Vergleich der beiden Topologien macht deutlich, warum der Stern den Bus ersetzt hat:

• Verkabelung — der Bus verwendet eine gemeinsam genutzte Leitung, der Stern eine Leitung pro Gerät.
• Fehlertoleranz — beim Bus führt ein einziger Bruch zum Ausfall des gesamten Netzwerks, beim Stern werden Fehler isoliert.
• Leistung — beim Bus wird die Bandbreite geteilt, bei einem Stern mit Switch erhält jedes Gerät einen eigenen Übertragungspfad.
• Kosten — der Bus ist bei der Verkabelung günstiger, verursacht bei Ausfallzeiten aber deutlich höhere Kosten.

Der entscheidende Unterschied liegt in der gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums. In einem Bus konkurriert jedes Gerät um ein einziges Kabel. Daher treten Kollisionen (zwei Geräte senden gleichzeitig) häufig auf und verlangsamen die Übertragung. Ein moderner, geswitchter Stern vermeidet dies: Der Switch stellt für jeden Port einen eigenen kollisionsfreien Pfad bereit. Das ist ein wichtiger Grund dafür, dass sich das Design aus Stern und Switch als Standard für zuverlässige, schnelle Netzwerke durchgesetzt hat.

Die Sterntopologie ist überall zu finden: Ihr Heimrouter, ein Büroverteiler und Racks in Rechenzentren verwenden sie. Der reine Bus ist aus modernen Ethernet-Netzwerken praktisch verschwunden, auch wenn seine Idee in einigen Bussystemen wie älteren Kabelfernsehnetzen und bestimmten industriellen Steuerungsbussen fortbesteht. Für die Network+-Prüfung sollten Sie sich merken: Der Stern ist das vorherrschende praktische Design, der Bus sein warnendes historisches Gegenstück.

Stellen Sie sich den Stern wie ein Fahrradrad vor: Der Switch ist die Nabe, und jede Speiche führt zu einem Gerät. Stellen Sie sich den Bus als einen einzigen Flur mit Türen entlang der Wände vor, in dem eine einzige laute Stimme den ganzen Flur erfüllt. Das Rad funktioniert weiter, wenn eine Speiche bricht; im Flur herrscht Stille, wenn er irgendwo zusammenbricht. Diese Bilder helfen Ihnen, die Abwägungen auch unter Prüfungsdruck leicht abzurufen.

Testen Sie Ihr Verständnis von Stern- und Bustopologien.

Sie haben die beiden grundlegendsten Netzwerktopologien verglichen. Der Stern verbindet jedes Gerät mit einem zentralen Switch, isoliert Fehler und lässt sich leicht erweitern, aber der Switch ist ein Single Point of Failure. Der Bus verwendet ein gemeinsames Backbone-Kabel mit Abschlusswiderständen an beiden Enden. Er ist kostengünstig, fällt bei jeder Unterbrechung im gesamten Netzwerk aus und wird unter hoher Last langsamer. Der geswitchte Stern ist heute der Standard, während der Bus hauptsächlich als Lehrbeispiel fortbesteht. Als Nächstes erkunden Sie Ring- und Meshtopologien.