Backbone-Netzwerk

Ein Backbone-Netzwerk oder Kernnetzwerk ist ein Teil eines Computernetzwerks , der andere Netzwerke miteinander verbindet und so den Informationsaustausch zwischen verschiedenen LANs oder Subnetzen ermöglicht . ^{[ 1 ]} Ein Backbone kann verschiedene Netzwerke innerhalb desselben Gebäudes, in verschiedenen Gebäuden eines Campus oder über weite Gebiete hinweg miteinander verbinden. Normalerweise ist die Kapazität des Backbones größer als die der daran angeschlossenen Netzwerke. ^{[ 2 ]}

Ein großes Unternehmen mit vielen Standorten kann über ein Backbone-Netzwerk verfügen, das alle Standorte miteinander verbindet, beispielsweise wenn verschiedene Abteilungen an unterschiedlichen geografischen Standorten auf einen Servercluster zugreifen müssen. Die Netzwerkverbindungen (z. B. Ethernet, WLAN), die diese Abteilungen verbinden, werden oft als Backbone bezeichnet. Bei der Planung von Backbones wird häufig die Netzwerkauslastung berücksichtigt. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Ein Beispiel für ein Backbone-Netzwerk ist das Internet-Backbone . ^{[ 5 ]}

Die Theorie, die Entwurfsprinzipien und die erste Realisierung des Backbone-Netzwerks stammen aus dem Telefonkernnetz, als der Datenverkehr noch ausschließlich aus Sprachübertragungen bestand. Das Kernnetz bildete das Zentrum eines Telekommunikationsnetzes und stellte verschiedene Dienste für die über das Zugangsnetz angeschlossenen Kunden bereit . Eine seiner Hauptfunktionen war die Weiterleitung von Telefongesprächen über das öffentliche Telefonnetz (PSTN) .

Üblicherweise bezeichnete der Begriff die Hochleistungskommunikationseinrichtungen, die primäre Knoten miteinander verbinden. Ein Kernnetz bot Wege für den Informationsaustausch zwischen verschiedenen Teilnetzen .

In den Vereinigten Staaten wurden die lokalen Vermittlungsnetze durch mehrere konkurrierende Fernvermittlungsnetze miteinander verbunden ; im Rest der Welt wurde das Kernnetz über die Landesgrenzen hinaus erweitert.

Kernnetze wiesen üblicherweise eine Mesh-Topologie auf , die beliebige Verbindungen zwischen den Geräten im Netzwerk ermöglichte. Viele große Serviceprovider betrieben eigene, miteinander verbundene Kern-/Backbone-Netze. Auch einige große Unternehmen verfügten über eigene Kern-/Backbone-Netze, die in der Regel mit den öffentlichen Netzen verbunden waren.

Backbone-Netzwerke schaffen Verbindungen, die die Übertragung über große Entfernungen ermöglichen, üblicherweise 10 bis 100 Meilen und in bestimmten Fällen bis zu 150 Meilen. Dies macht Backbone-Netzwerke unerlässlich für die Bereitstellung von drahtlosen Weitverkehrslösungen zur Internetversorgung , insbesondere in abgelegenen Gebieten. ^{[ 6 ]}

Kernnetze boten typischerweise folgende Funktionalität:

1. Aggregation: Die höchste Aggregationsebene im Netzwerk eines Dienstanbieters. Die nächste Ebene in der Hierarchie unterhalb der Kernknoten sind die Verteilungsnetze und anschließend die Randnetze. Kundengeräte (CPE) sind normalerweise nicht mit den Kernnetzen eines großen Dienstanbieters verbunden.
2. Authentifizierung : Die Funktion, die entscheidet, ob der Benutzer, der einen Dienst vom Telekommunikationsnetz anfordert, dazu innerhalb dieses Netzes berechtigt ist oder nicht.
3. Anrufsteuerung und -vermittlung: Die Anrufsteuerungs- bzw. Vermittlungsfunktion legt den weiteren Verlauf eines Anrufs auf Basis der Anrufsignalisierung fest. Beispielsweise kann die Vermittlungsfunktion anhand der gewählten Rufnummer entscheiden , ob der Anruf an einen Teilnehmer innerhalb des Netzes dieses Betreibers oder – bei häufigerer Rufnummernmitnahme – an ein Netz eines anderen Betreibers weitergeleitet wird.
4. Abrechnung: Diese Funktion umfasst die Erfassung und Verarbeitung von Abrechnungsdaten, die von verschiedenen Netzwerkknoten generiert werden. Zwei gängige Abrechnungsmechanismen in heutigen Netzwerken sind Prepaid- und Postpaid-Abrechnung. Siehe Automatische Nachrichtenabrechnung.
5. Dienstaufruf: Das Kernnetz übernimmt den Dienstaufruf für seine Abonnenten. Dieser kann durch eine explizite Benutzeraktion (z. B. Anrufweiterleitung ) oder implizit ( z. B. Anklopfen ) erfolgen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Dienstausführung nicht zwangsläufig eine Kernnetzfunktion ist, da auch Drittanbieternetze und -knoten an der eigentlichen Ausführung beteiligt sein können.
6. Gateways : Im Kernnetz sind Gateways erforderlich, um den Zugriff auf andere Netze zu ermöglichen. Die Funktionalität eines Gateways hängt vom jeweiligen Netzwerktyp ab, mit dem es interagiert.

Auf physikalischer Ebene können eine oder mehrere dieser logischen Funktionalitäten gleichzeitig in einem gegebenen Kernnetzwerkknoten vorhanden sein.

Neben den oben genannten Funktionalitäten gehörten auch folgende Komponenten zu einem Telekommunikationskernnetz:

• O&M: Das Netzwerkbetriebszentrum (NOC) und die zugehörigen Systeme konfigurieren und provisionieren die Kernnetzwerkknoten. Faktoren wie Teilnehmerzahl, Gesprächsaufkommen in Spitzenzeiten , Art der Dienste und geografische Präferenzen beeinflussen die Konfiguration. Auch die Erfassung von Netzwerkstatistiken, die Alarmüberwachung und die Protokollierung von Aktionen verschiedener Netzwerkknoten erfolgen im O&M-Zentrum. Diese Statistiken, Alarme und Protokolle sind wichtige Werkzeuge für den Netzwerkbetreiber, um den Zustand und die Leistung des Netzwerks zu überwachen und zu optimieren.
• Teilnehmerdatenbank: Das Kernnetz beherbergt auch die Teilnehmerdatenbank (z. B. HLR in GSM-Systemen). Auf die Teilnehmerdatenbank greifen die Knoten des Kernnetzes für Funktionen wie Authentifizierung, Profilerstellung, Dienstaufruf usw. zu.

Ein verteiltes Backbone-Netzwerk besteht aus einer Reihe von Endgeräten, die hierarchisch mit zentralen Endgeräten wie Hubs, Switches oder Routern verbunden sind. ^{[ 7 ]} Diese Topologie ermöglicht eine einfache Erweiterung mit geringem Kapitalaufwand, da bestehende Ebenen um weitere Geräte ergänzt werden können. ^{[ 7 ]} In einem verteilten Backbone-Netzwerk teilen sich alle Endgeräte die Übertragungsmedien, da alle im Netzwerk stattfindenden Übertragungen an jedes angeschlossene Gerät gesendet werden. ^{[ 8 ]}

Verteilte Backbone-Netzwerke werden in der Praxis von allen großen Netzwerken eingesetzt. ^{[ 9 ]} Auch Anwendungen in unternehmensweiten Szenarien, die auf ein einzelnes Gebäude beschränkt sind, sind praktikabel, da bestimmte Verbindungsgeräte bestimmten Etagen oder Abteilungen zugeordnet werden können. ^{[ 7 ]} Jede Etage bzw. Abteilung verfügt über ein LAN und einen Verteilerraum, in dem der Haupt-Hub oder Router der jeweiligen Arbeitsgruppe über Backbone-Verkabelung mit einem Busnetzwerk verbunden ist. ^{[ 10 ]} Ein weiterer Vorteil eines verteilten Backbones ist die Möglichkeit für Netzwerkadministratoren, Arbeitsgruppen zur einfacheren Verwaltung zu trennen. ^{[ 7 ]}

Es besteht die Möglichkeit von Single Points of Failure, d. h. von Verbindungsgeräten, die in der Hierarchie weit oben angesiedelt sind. ^{[ 7 ]} Das verteilte Backbone muss so konzipiert sein, dass der Netzwerkverkehr in den einzelnen LANs vom Backbone-Netzwerkverkehr getrennt wird. Dies kann durch Zugriffsgeräte wie Router und Bridges erfolgen. ^{[ 11 ]}

Ein herkömmliches Backbone-Netzwerk überbrückt Distanzen und stellt die Verbindung zwischen mehreren Standorten her. In den meisten Fällen bilden die Backbone-Verbindungen die Hauptstrecken, während die Vermittlungs- und Routingfunktionen von den Geräten an den jeweiligen Standorten übernommen werden. Es handelt sich um eine verteilte Architektur.

Ein Collapsed Backbone (auch bekannt als Inverted Backbone oder Backbone-in-a-Box) ist eine spezielle Backbone-Netzwerkarchitektur. Bei einem Collapsed Backbone ist jeder Standort über eine Verbindung zu einem zentralen Standort mit dem Collapsed Backbone verbunden. Das Collapsed Backbone kann aus einem Cluster, einem einzelnen Switch oder Router bestehen. Die Topologie und Architektur eines Collapsed Backbones ist sternförmig oder baumartig .

Die Hauptvorteile des Ansatzes mit reduziertem Backbone sind

1. Einfache Verwaltung, da sich das Backbone-System an einem einzigen Standort und in einem einzigen Gehäuse befindet, und
2. Da das Backbone im Wesentlichen die Backplane oder interne Schaltmatrix des Gehäuses ist, kann proprietäre Hochleistungstechnologie eingesetzt werden.

Der Nachteil eines zusammengebrochenen Backbones besteht jedoch darin, dass das gesamte Netzwerk ausfällt, wenn der Backbone-Rechner ausfällt oder die zentrale Stelle nicht erreichbar ist. Diese Probleme lassen sich minimieren, indem redundante Backbone-Rechner sowie sekundäre/Backup-Backbone-Standorte eingerichtet werden.

Für unternehmensweite Netzwerke werden verschiedene Backbone-Typen eingesetzt. Wenn Unternehmen einen besonders robusten und zuverlässigen Backbone benötigen, empfiehlt sich ein paralleles Backbone. Dieses Backbone ist eine Variante des Collapsed Backbone, da es einen zentralen Knoten (Verbindungspunkt) nutzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Backbones ermöglicht ein paralleles Backbone redundante Verbindungen, wenn mehrere Router oder Switches vorhanden sind . Jeder Switch und Router ist über zwei Kabel verbunden. Durch die mehrfache Kabelverbindung jedes Geräts wird die Netzwerkanbindung in jedem Bereich des Unternehmensnetzwerks sichergestellt. ^{[ 12 ]}

Parallele Backbone-Netzwerke sind teurer als andere Backbone- Netzwerke , da sie mehr Verkabelung benötigen . Dies kann zwar ein wichtiger Faktor bei der Wahl der unternehmensweiten Topologie sein, die höheren Kosten werden jedoch durch die gesteigerte Effizienz aufgrund verbesserter Leistung und Fehlertoleranz kompensiert . Die meisten Organisationen nutzen parallele Backbone-Netzwerke, wenn kritische Geräte im Netzwerk vorhanden sind. Wenn beispielsweise wichtige Daten wie Gehaltsabrechnungen vorhanden sind , auf die mehrere Abteilungen jederzeit zugreifen müssen, sollte Ihre Organisation ein paralleles Backbone-Netzwerk implementieren, um eine unterbrechungsfreie Verbindung zu gewährleisten. ^{[ 12 ]}

Ein serielles Backbone ist die einfachste Art von Backbone-Netzwerk. ^{[ 13 ]} Es besteht aus zwei oder mehr internetfähigen Geräten, die über ein einziges Kabel in Reihe geschaltet sind. Eine solche Reihe ist eine Gruppe von Verbindungsgeräten, die seriell miteinander verbunden sind. Hubs werden häufig auf diese Weise angeschlossen, um ein Netzwerk zu erweitern. Hubs sind jedoch nicht die einzigen Geräte, die in einem seriellen Backbone verwendet werden können. Gateways , Router , Switches und Bridges sind häufiger Bestandteil des Backbones. ^{[ 14 ]} Die serielle Backbone-Topologie könnte für unternehmensweite Netzwerke eingesetzt werden, wird aber selten für diesen Zweck implementiert. ^{[ 15 ]}

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