Kommunikationsstandards und -technologien

Kommunikationsstandards und -technologien beschreiben, wie Netzwerkstationen (PCs, Smartphones, intelligente Gegenstände etc.) miteinander kommunizieren und wie Datenpakete in einem Netzwerk ausgetauscht werden.

Gegenüber der Nutzung von Einzelplatzrechnern bietet die vernetzte Kommunikation folgende Vorteile:

• Nutzung gemeinsamer Ressourcen wie z.B. Speichermedien oder Drucker
• zentrale Datenhaltung und -pflege
• Nutzung gemeinsamer Programme und Daten
• Nutzung von Kommunikationstechnologien wie z.B. E-Mail oder Chats
• größere Leistungsfähigkeit durch gemeinsame Nutzung von Ressourcen wie z.B. Netzwerk oder Rechenleistung
• verbesserter Datenschutz und bessere Datensicherheit durch zentrale Vergabe und Kontrolle von Zugriffsrechten

Netzwerktopologien

Die Netzwerktopologie beschreibt die Anordnung der Netzwerkstationen und wie die Nezwerkkabel zwischen den Stationen geführt werden. Die Literatur differenziert mitunter zwischen physikalischen und logischen Netzwerktopologien. Die hier zusammengestellte Klassifikation bezieht sich auf logische Topologien.

Bus-Topologie

In einer Bus-Topologie sind alle Stationen über ein gemeinsames Übertragungsmedium miteinander verbunden.

Eine zentrale Komponente, die den Zugriff auf das Übertragungsmedium und die Kommunikation zwischen den Stationen steuert, kommt in dieser Topologie nicht zum Einsatz, sondern wird durch die Stationen selbst realisiert. Jede Station, die eine Nachricht an eine andere Station senden möchte, hört das Übertragungsmedium ab und beginnt mit der Übertragung, sofern das Medium frei ist. Wollen zwei Stationen gleichzeitig senden, entsteht eine Kollision, der Sendevorgang wird unterbrochen und nach Ablauf einer gewissen Zeit wiederholt.

Je mehr Stationen an diesen Bus angeschlossen sind und je länger das Übertragungsmedium ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision und desto geringer die Signalqualität. Störungen oder auch Wartungsarbeiten führen dazu, dass die Kommunikation zwischen Stationen nur bis zur Störstelle und nicht darüber hinaus möglich ist.

Die Bus-Topologie könnte durch das Projekt "IoT-Bus" des Fraunhofer Instituts für integrierte Schaltungen (IIS) auch im IoT zukünftig eine bedeutsame Rolle spielen. Mit diesem IoT-Bus soll eine sichere und zuverlässige Übertragung von Messwerten und Steuerungsbefehlen mit Unterstützung von dem später erläuterten IPv6 und einem integrierten Sicherheitskonzept auf Basis des IEEE Standards 802.15.4 entwickelt werden.

Ring-Topologie

In der Ring-Topologie sind alle Stationen mittels eines durchgehenden Ringes miteinander verbunden.

Auch in dieser Topologie existiert keine zentrale Komponente, die den Zugriff auf das Übertragungsmedium und die Kommunikation zwischen den Stationen steuert. Jedes zu übertragende Datenpaket wird von Station zu Station weitergesendet.

Der Ausfall einer Station führt zwangsläufig zum Ausfall des gesamten Rings. Ist dieser an einer Stelle unterbrochen, kann das Netzwerk eine sogenannte Linientopologie bilden. Dabei handelt es sich um einen offenen Ring, dessen Teilnehmer in wechselnden Richtungen trotzdem noch miteinander kommunizieren können.

Ring-Topologien werden im IoT beispielsweise in der Automatisierungstechnik genutzt. Dort werden bestehende, nicht intelligente Komponenten und Maschinen über standardisierte Schnittstellen in Modulbauweise netzwerkfähig gemacht.

Stern-Topologie

Eine Stern-Topologie zeichnet sich dadurch aus, dass alle Stationen über eine zentrale Station miteinander kommunizieren.

Diese zentrale Station verfügt über eine eigene Leitung zu jeder anderen Netzwerkstation. Im Regelfall ist dies ein sogenannter Switch, der die zentrale Steuerungs- und Kontrollfunktion für alle Datenpakete übernimmt.

Wartungsarbeiten oder Störungen an den einzelnen Netzwerkstationen haben keinen Einfluss auf die Verfügbarkeit der gesamten Topologie. Ein Ausfall der Zentralstation hingegen führt zum Ausfall des Gesamtnetzes. Stern-Topologien werden heutzutage überwiegend in klassischen Bürokommunikationsnetzen z.B. zur Anbindung einzelner Etagen über eine zentrale Station für ein Gebäude genutzt. Darüber hinaus versprechen LoWPAN(Low Power Wireless Personal Area Networks)-Netze mittels einer Stern-Topologie auch trotz einer geringen Sendeleistung ausreichend weite Strecken für einen Einsatz im IoT abdecken zu können.

Vermaschte Topologie

In einer vermaschten Topologie sind Netzwerkstationen mit vielen anderen Stationen verbunden und bilden somit ein Netz. Wenn es gelingt, alle Stationen mit jeweils allen anderen Stationen zu vernetzen, spricht man von einem voll vermaschten Netz. Das ist sehr aufwändig, weil für \(n\) Stationen \({(n^2 - n)}\over{2}\) Verbindungen betrieben werden müssen. Gelingt das nicht, spricht man von einem teilvermaschten Netz.

Fällt eine Verbindung aufgrund einer Störung aus, existiert in der Regel immer eine alternative Verbindung (Route) zum Ziel und das Gesamtnetz bleibt funktionsfähig. In einer solchen vermaschten Topologie übernehmen aktive Netzwerkkomponenten das Routing der Datenpakete zwischen Quelle und Ziel. Das Internet basiert auf einer solch vermaschten Topologie. Vermaschte Topologien kommen z.B. bei Smarthome-Lösungen mit ZigBee (darauf wird später eingegangen) zum Einsatz, da Sensoren und Aktoren untereinander kommunizieren und mit wenig Energie möglichst viele Räume in einem Gebäude abdecken müssen. Da immer mehr Sensoren und Aktoren batteriegestützt arbeiten, wird die zunehmende Verbreitung vermaschter Topologien die Zukunft des IoT prägen.