Barramento (Bus) e Domínios de Colisão

1. Definição e Caracterização

A topologia bus (barramento) é a forma mais antiga de LAN Ethernet. Caracteriza-se por um único meio físico compartilhado — tipicamente um cabo coaxial — ao qual todos os dispositivos se conectam por meio de "TAs" (transceivers) ou derivacoes em serie. Apenas um dispositivo pode transmitir por vez; os demais "escutam" o barramento.

Topologia:

      [Host 1]    [Host 2]    [Host 3]    [Host 4]
         │           │           │           │
   TA ───┴─── TA ────┴─── TA ────┴─── TA ────┴───
    │                                         │
    └─────── Terminador 50Ω ─── Cabo ─── 50Ω──┘

Características:

• Meio único: um domínio de colisão para todos os hosts.
• Topologia física: linear, com terminadores em ambas as extremidades.
• Compartilhamento de tempo: CSMA/CD disciplina o acesso.
• Distância máxima: 185 m (10BASE2) ou 500 m (10BASE5) por segmento.
• Número máximo de dispositivos: 30 (10BASE2) ou 100 (10BASE5).

2. Contexto Histórico

O bus dominou instalações LAN dos anos 1980 e início dos 1990, quando foi progressivamente substituído pela topologia estrela com hubs (e depois switches) 10BASE-T.

3. Tecnologias de Bus

3.1 10BASE5 (Thick Ethernet, "Thicknet")

• Cabo coaxial RG-8 50Ω, grosso (1 cm diâmetro).
• Transceiver externo ("vampire tap") perfura o cabo.
• Comprimento máximo do segmento: 500 m.
• Até 100 taps por segmento.
• Distância mínima entre taps: 2,5 m.
• Conector: N-type nos extremos.

Difícil de instalar, caro, mas robusto. Ainda encontrado em nichos industriais.

3.2 10BASE2 (Thin Ethernet, "Cheapernet", "Thinnet")

• Cabo coaxial RG-58 50Ω, fino (5 mm).
• Conector BNC em T por estação.
• Comprimento máximo do segmento: 185 m.
• Até 30 estações por segmento.
• Distância mínima entre TAs: 0,5 m.

Mais popular por baixo custo e flexibilidade, mas o conector "T" BNC era fonte frequente de mau contato.

3.3 10BROAD36

Variante de banda larga sobre cabo coaxial de 75Ω (CATV). Raro, histório.

4. CSMA/CD e Domínios de Colisão

4.1 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

Algoritmo de acesso ao meio compartilhado:

1. Carrier Sense: estação escuta o barramento antes de transmitir. Se ocupado, espera.
2. Multiple Access: qualquer estação pode transmitir quando o meio está livre.
3. Collision Detection: durante a transmissão, monitora-se o meio. Se a tensão observada diverge da esperada (soma de sinais), detecta-se colisão.
4. Jam Signal: ao detectar colisão, estação envia sinal de jam (48 bits) para garantir que todas as estações percebam.
5. Backoff: estação espera tempo aleatório (binary exponential backoff) antes de retransmitir.
6. Após 16 tentativas sem sucesso, descarta o frame e reporta erro à camada superior.

4.2 Backoff Binário Exponencial

Após colisão, a estação escolhe aleatoriamente um slot k ∈ {0, 1, ..., 2^min(n,10) - 1}, onde n é o número da tentativa. Espera k × 51,2 μs (em 10 Mbps) antes de retransmitir.

Tentativa 1: k ∈ {0, 1} — espera 0 ou 51,2 μs
Tentativa 2: k ∈ {0,1,2,3} — espera 0 a 153,6 μs
Tentativa 3: k ∈ {0,...,7}
...
Tentativa 10+: k ∈ {0,...,1023} — saturação
Tentativa 16: descarta frame

Em carga elevada, throughput cai drasticamente — chamado "Ethernet capture effect".

4.3 Domínio de Colisão

Conjunto de dispositivos cujas transmissões podem colidir. Em bus, todo o segmento é um único domínio. Cada colisão força backoff, reduzindo throughput efetivo.

Throughput máximo prático de CSMA/CD em bus saturado: ~37% da capacidade nominal (1-persistent CSMA com detecção). Em 10 Mbps, obtém-se ~3,7 Mbps reais sob alta carga.

4.4 Slot Time e Distância Máxima

O slot time de 51,2 μs (em 10 Mbps) é crucial: garante que a colisão seja percebida antes do fim da transmissão do menor frame (64 bytes = 51,2 μs a 10 Mbps).

Isto limita o diâmetro da rede a aproximadamente 2.500 m (10BASE5 com 5 segmentos e 4 repetidores — "5-4-3 rule").

Em gigabit Ethernet half-duplex (raro), aumentou-se o slot time para 4096 bits via carrier extension, mas o padrão consolidado é full-duplex (sem colisões).

5. Vantagens e Desvantagens

5.1 Vantagens (à época)

• Custo baixo: um único cabo compartilhado, sem hub central caro.
• Simplicidade: sem switches, sem configuração complexa.
• Robustez em pequena escala: 5-10 PCs sem problemas.

5.2 Desvantagens

• Ponto único de falha: quebra do cabo em qualquer ponto derruba TODA a rede.
• Troubleshooting difícil: isolar mau contato exige inspeção física.
• Escalabilidade limitada: throughput degrada com número de hosts.
• Distância limitada: 185/500 m por segmento.
• Segurança fraca: qualquer host pode escutar todo o tráfego (sniffer passivo).
• Impossibilidade de full-duplex: meio compartilhado.
• Adição/remoção de host interrompe rede: precisa-se desconectar o T BNC.

6. Limitações Técnicas Detalhadas

6.1 Problema dos Terminadores

Cada extremidade do bus deve ter um terminador de 50Ω para evitar reflexões. Reflexões causam eco que degrada sinal e gera falsas colisões.

Um terminador faltante ou de impedância errada podia colocar uma rede inteira inoperante, com sintomas intermitentes difíceis de diagnosticar.

6.2 Problema da Terra (Ground Loop)

Cabo coaxial é condutor; se uma extremidade for aterrada e a outra também, pode-se formar ground loop com correntes indesejadas. Recomendava-se aterrar em apenas um ponto.

6.3 Limite de Repetidores

A regra 5-4-3 limitava: 5 segmentos, 4 repetidores, 3 segmentos populados. Atingidos estes limites, latência e atenuação tornavam a rede instável.

7. Comparação com Topologias Modernas

8. Transição para Estrela

A introdução do 10BASE-T (1990) com hubs centralizados permitiu manter CSMA/CD (o hub é um repetidor multiportas), mas com topologia física estrela — cabo UTP Cat3/Cat5 individual para cada host. Vantagens imediatas:

• Cabo UTP barato, flexível, fácil de instalar.
• Adição/remoção de hosts sem interromper rede.
• Troubleshooting simplificado: desligar uma porta não afeta as demais.

Em 1995, a introdução do switch Ethernet eliminou CSMA/CD em LANs: cada porta passou a ser um domínio de colisão próprio, permitindo full-duplex sem colisões. CSMA/CD tornou-se obsoleto em LANs modernas (mantido em padrão para retrocompatibilidade).

9. Sobrevivências Atuais

Embora obsoleto em LANs, o conceito de bus persiste em:

• CAN bus (automotivo): múltiplas ECUs compartilham par trançado. CSMA/CD com prioridade.
• Modbus RTU sobre RS-485: half-duplex compartilhado, multi-drop.
• Profibus PA: fieldbus industrial, similar ao bus elétrico.
• MIL-STD-1553: aviação militar.
• I2C, SPI (embarcados): bus serial para comunicação entre chips.

Em cada um destes, a teoria de CSMA/CD (ou TDMA, polling) aplica-se ao mesmo problema: como compartilhar meio físico entre múltiplos transmissores.

10. Lições Aprendidas e Diagnóstico

A história do bus ensina: meios compartilhados escalam mal (domínios de colisão devem ser pequenos); pontos únicos de falha são inaceitáveis; troubleshooting deve ser simples (LEDs por porta); topologias flexíveis (star, mesh) superam rigidez linear; switches com switching dedicado por porta vencem hubs por isolarem domínios de colisão.

11. Conclusão

A topologia bus, embora obsoleta em LANs Ethernet, é um marco histórico importante e ainda sobrevive em nichos industriais e embarcados. Estudá-la é essencial para compreender a evolução das redes — em particular, por que o CSMA/CD foi criado, como domínios de colisão surgem, e por que os switches modernos o tornaram desnecessário. O legado do bus está presente em cada TDR de fibra óptica moderna, em cada par trançado que respeita impedância característica, em cada projeto que evita pontos únicos de falha. Compreender este legado permite ao engenheiro de redes apreciar a engenhosidade dos protocolos modernos e evitar repetir os erros do passado.