Anel (Ring) e Propagação Unidirecional

1. Definição e Caracterização

A topologia em anel (ring) conecta cada dispositivo a exatamente dois vizinhos, formando um ciclo fechado. Os dados trafegam em uma direção (unidirecional) ou em ambas (bidirecional), passando de nó em nó até atingir o destino. Cada nó atua como repetidor: recebe o sinal, regenera e retransmite.

Topologia:

         ┌──── [Host 1] ────┐
         │                   │
    [Host 4]              [Host 2]
         │                   │
         └──── [Host 3] ────┘
                →→→ (sentido único)

Características formais:

• Cada nó tem grau 2.
• Caminho mínimo entre dois nós: min(k, n-k) onde k é a distância no sentido horário.
• Diâmetro: ⌊n/2⌋.
• Conectividade de arestas λ = 2 (em anel bidirecional).
• Número de arestas: n (não-dirigido) ou 2n (dirigido).

2. Contexto Histórico

Ano	Marco	Detalhe
1969	Cambridge Ring	Primeira rede em anel, Universidade de Cambridge
1982	IBM Token Ring (802.5)	4 Mbps, depois 16 Mbps
1985	FDDI (ANSI X3T9.5)	100 Mbps fibra óptica, dual-counter-rotating ring
1986	IEEE 802.5	Padronização do Token Ring
1990	CDDI (Copper Distributed Data Interface)	FDDI sobre UTP
1995	Resilient Packet Ring (RPR, 802.17)	Anel metropolitano carrier-grade
2000	Token Ring em declínio	Switch Ethernet domina LAN
2010+	RPR em MAN, SONET/SDH	Ainda usado em carrier

3. Tecnologias de Anel Clássicas

3.1 IBM Token Ring (IEEE 802.5)

Aparelho emblemático dos anos 80/90, concorrente da Ethernet.

Mecanismo: token passing. Um "token" (sequência de bits especiais) circula pelo anel. Apenas o nó que possui o token pode transmitir. Após enviar, libera o token para o próximo.

Características técnicas:

• Velocidades: 4 Mbps, 16 Mbps (e depois 100 Mbps com IEEE 802.5t).
• Codificação: Differential Manchester (velocidade do relógio = 2× taxa de bits).
• Frame: SD (Start Delimiter), AC (Access Control), FC (Frame Control), DA, SA, INFO, FCS (CRC-32), ED, FS (Frame Status).
• Tamanho máximo do frame: 4500 bytes (4 Mbps) ou 18000 bytes (16 Mbps).
• Endereçamento: MAC 48 bits, similar ao Ethernet.

Token Hold Timer (THT): tempo máximo que um nó pode segurar o token. Controla fairness.

3.2 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

Padrão ANSI/X3, popular em backbones de campus nos anos 90.

Características:

• 100 Mbps sobre fibra óptica multimodo.
• Dual counter-rotating ring: dois anéis em sentido oposto. Se um anel quebra, o outro assume o tráfego.
• Distância entre nós: até 2 km (MMF) ou 60 km (SMF).
• Até 500 nós por anel, 200 km de perímetro total.
• Codificação: 4B/5B + NRZI.
• Token passing como MAC, mas com Multiple Token mode (em vez de single token do 802.5).

    ┌──────────────────────────────┐
    │     Primary Ring (sentido →) │
    │                              │
    │     ◄ Secondary Ring         │
    └──────────────────────────────┘

Wrapping: quando uma falha ocorre, os nós adjacentes à falha conectam primário e secundário, formando um anel único de comprimento dobrado.

3.3 IEEE 802.17 RPR (Resilient Packet Ring)

Padrão moderno de anel para MANs carrier-grade, proposto para substituir SONET/SDH.

Características:

• Topologia: anel bidirecional (dois anéis contra-rotativos).
• Velocidades: 1, 2.5, 10, 40, 100 Gbps.
• Proteção steering ou wrapping em < 50 ms.
• Fairness distribuída via algorítimo RPR-fa.
• Spatial reuse: múltiplos segmentos podem operar em paralelo (segmentos do anel não-utilizados por uma transmissão são liberados para outra).
• Bandwidth não-utilizada é reutilizada localmente.

4. Token Passing e Mecanismo MAC

4.1 Princípio

Em um anel com token passing:

1. Token (3 bytes em 802.5) circula de nó em nó.
2. Nó com mensagem espera receber o token.
3. Modifica o bit de "token" → "frame" e adiciona dados.
4. Frame circula; cada nó repassa.
5. Nó destino copia dados (mas não remove frame).
6. Frame retorna ao remetente, que remove e libera token.

4.2 Vantagens sobre CSMA/CD

• Determinismo: tempo máximo de acesso ao meio é previsível, calculável.
• Fairness: cada nó tem vez garantida, sem starvation.
• Sem colisões: apenas um nó transmite por vez.
• Performance sob carga alta: throughput não degrada com aumento de hosts (ao contrário de CSMA/CD).

4.3 Desvantagens

• Latência proporcional ao tamanho do anel: mesmo mensagens curtas podem esperar (n-1) hops para obter token.
• Token loss: se token se perde, rede para. Protocolo de recuperação: active monitor em 802.5.
• Single break em anel simples: uma falha desconecta. Mitigado em FDDI e RPR com dual ring.

4.4 MCSMA/CA?

MCSMA/CA (Multiple Access with Collision Avoidance via tokens) é uma variação que combina token com CSMA/CA em redes sem fio (802.11 usa CSMA/CA sem token). Em redes cabeadas, puro token passing foi o paradigma clássico.

5. Tipos de Token Passing

5.1 Single Token (802.5 clássico)

Apenas um token por vez no anel. Simples mas ineficiente: o remetente deve esperar o frame retornar antes de liberar token.

5.2 Multiple Token (FDDI)

Token liberado imediatamente após o último bit do frame. Múltiplos frames podem estar no anel simultaneamente. Maior throughput.

5.3 Token Bucket (alcance hierárquico)

Nó pode segurar token por tempo proporcional à sua prioridade. Usado em redes com diferenciação de QoS.

6. Topologias Derivadas

6.1 Dual Counter-Rotating Ring (FDDI, RPR)

Dois anéis em sentidos opostos. Operação normal: primário carrega dados, secundário é standby. Em falha: nós adjacentes ao corte fazem wrap (conectam primário a secundário), mantendo serviço.

Normal:                  Após falha (wrap):
  P→  P→  P→  P→          P→  P→  P→  P→
  S←  S←  S←  S←          S←  ─X─  S←  S←
                              ↘    ↙
                                wrap

Convergência < 50 ms em RPR/FDDI. Topologia de alta resiliência (κ = 2).

6.2 Anel Unidirecional Puro

Raro hoje; vulnerável a falhas. Cada nó tem 1 vizinho à esquerda e 1 à direita, mas transmite só em uma direção. Falha de link = rede para.

6.3 Anel Bidirecional (sem dual ring)

Em rede token-ring bidirecional, cada nó pode transmitir em qualquer direção. Mais flexível que unidirecional puro, mas perde parte do determinismo.

7. Vantagens e Desvantagens

7.1 Vantagens

• Determinismo: latência máxima previsível, essencial em tempo real (industrial).
• Fairness: sem starvation.
• Boa performance sob alta carga (vs CSMA/CD).
• Resiliência (dual ring): < 50 ms convergência após falha.
• Custo de cabos: O(n) cabos, não O(n²) como mesh.

7.2 Desvantagens

• Latência proporcional ao tamanho: cada nó adiciona hop.
• Configuração complexa: parâmetros (THT, TTRT, beaconing) requerem ajuste.
• Token loss/monitor: falhas de software no token manager param a rede.
• Throughput limitado em anéis grandes: spatial reuse (RPR) mitiga, mas não elimina.
• Adição/remoção de nós: configuração de bypass necessária.

8. Comparação: Ring vs Star vs Mesh

Aspecto	Ring	Star	Mesh
Grau por nó	2 (ou 4 em dual)	n-1 no centro, 1 nas pontas	n-1 (full)
Diâmetro	⌊n/2⌋ (unidir.) ou ⌈n/4⌉ (dual)	2	1
κ-conectividade	2 (dual ring)	1	n-1
Custo de cabos	O(n)	O(n)	O(n²)
Determinismo	Alto	Baixo (switch moderno é determinístico por fluxo)	Alto
Escala	Limitada (centenas)	Excelente	Excelente
Status atual	Carrier niche (RPR)	Dominante em LAN	Hype em SD-WAN

9. Casos de Uso Modernos

9.1 SDH/SONET (Carrier)

Embora não usem token passing, transportam TDM em anéis com proteção UPSR/BLSR/MS-SPRING. Continuam dominando backbones carrier no Brasil.

9.2 RPR em MAN

Ainda presente em redes metropolitanas de operadoras que não migraram para Ethernet/IP puro.

9.3 Anéis em Datacenter

Raro. Spine-leaf substituiu por oferecer melhores métricas.

9.4 Token em Fieldbus Industrial

Profibus DP, Foundation Fieldbus H1, Modbus RTU usam polling (mestre pergunta cada escravo em sequência) — conceitualmente similar a token passing. Determinismo essencial em automação.

9.5 Resilient Ring em Subestações

Rede IEC 61850 em subestações elétricas frequentemente usa anel RSTP/MSTP com proteção < 200 ms.

10. Detecção e Recuperação de Falhas

10.1 Beaconing (Token Ring)

Se um nó detecta perda de sinal do upstream, envia "beacon frame" com seu endereço. Beacon circula até identificar o segmento com falha.

10.2 Wrapping (FDDI/RPR)

Em falha de fibra, nós adjacentes fazem wrap. Tempo: < 50 ms em RPR.

10.3 Active Monitor (Token Ring)

Um nó é eleito active monitor: regenera o token se perdido, detecta loops. Eleições automáticas em caso de falha do monitor.

11. Performance e Métricas

Métrica	Token Ring 16M	FDDI 100M	RPR 10G
Throughput máximo	~16 Mbps	~99 Mbps	~10 Gbps (spatial reuse)
Latência por hop	~10 μs	~1 μs	< 1 μs
Convergência após falha	segundos	< 50 ms	< 50 ms
Nós máximos	260	500	256+

12. Boas Práticas (em ambientes que ainda usam ring)

• Configurar TTRT (Target Token Rotation Time) adequado à carga.
• Monitorar TRT (Token Rotation Time) real vs TTRT.
• Documentar ordem física dos nós para troubleshooting.
• Testar wrapping/failover periodicamente.
• Manter nós em pares (dual-attached em FDDI) para resiliência.

13. Diagnóstico

Sintoma	Causa Provável	Ação
Rede lenta periodicamente	Token perdida, recuperação lenta	Verificar active monitor
Beaconing frequente	Cabo com mau contato	Substituir segmento
Latência alta após crescimento	Anel grande demais	Quebrar em sub-anéis ou migrar para outra topologia
Wrap não ocorre após falha	Configuração de proteção errada	Verificar parâmetros

14. Conclusão

A topologia em anel, embora não dominante em LANs modernas, é historicamente fundamental e ainda relevante em carriers (SDH, RPR) e nichos industriais. O conceito de token passing introduziu o princípio do determinismo em redes de pacotes — algo que a indústria revisitou em TSN (Time-Sensitive Networking) moderno para Ethernet industrial. A dual counter-rotating ring do FDDI/RPR é um dos designs mais elegantes de resiliência em redes: simples, automático e suficientemente rápido para aplicações carrier-grade. Compreender o anel, suas vantagens e limites, é essencial para qualquer engenheiro que trabalhe com redes críticas em carrier ou em automação industrial.