半双工

定义

半双工指接收与发送共用同一条信道、同一时刻只能发送或只能接收数据的传输方式。^[6] 在这种方式下，原本的发送端可以转变为接收端，接收端也能反过来成为发送端，但任一时刻信息只在一个方向上流动。^[1]

与之并列的还有另外两类方式。单工通信的数据始终沿固定方向传递，如同只能接收的传呼机；全双工通信则允许双方同时收发，如同电话交谈。^[4][7] 半双工处在两者之间：两个方向都能传，却不能同时进行，人们常用单线铁路作比喻，同一段轨道在某一时段只允许一个方向的列车通行。^[7][5]

原理

半双工的收发双方共享同一物理介质或同一载波频率，设备的发送装置与接收装置需按信息流向轮流启用，方向的选择由数据终端设备控制。^[6] 当总线上挂接多个节点时，若两个或多个节点同时驱动介质，信号会相互叠加而破坏数据，形成冲突。^[8]

共享式以太网为此采用载波侦听多路访问／冲突检测（CSMA/CD）机制：站点先监听信道，空闲时才发送，发送期间持续检测信号，一旦发现冲突便立即停发，并发出干扰脉冲通知其他站点，随后等待一段随机时间再重试。^[9][10] 为保证冲突能在发送结束前被察觉，以太网规定最小帧长为 64 字节。^[9]

sequenceDiagram

participant A as 站点A

participant B as 站点B

A->>B: 时刻1 发送数据

B->>A: 时刻2 发送数据

发展历程

半双工在计算机网络中的典型载体是共享式以太网。以太网最初由施乐公司在 1975 年研制，随后 DEC、英特尔与施乐组成 DIX 联盟制定规范，并在此基础上形成 IEEE 802.3 标准。^[11]

早期以太网以 10M 速率运行在同轴电缆上，属于总线型结构，所有站点共用一条介质，只能工作在半双工状态，冲突交由 CSMA/CD 处理。^[11] 1990 年，基于双绞线的 10BASE-T 标准出现，终端改经集线器接入，物理上呈星型，但集线器内部仍是一条共享总线，逻辑上延续总线结构，半双工方式与冲突检测机制也被沿用。^[11][12]

随着交换机能提供收发分离的通道，全双工逐渐成为主流。全双工从根本上消除了冲突，不再需要 CSMA/CD；后来的多千兆以太网标准更是彻底取消了半双工操作。^[13] 为避免链路两端模式不一致，以太网引入自动协商：只有两端都声明支持全双工时才会启用全双工，若对端不参与协商，本地端口便退回半双工，以兼容早期集线器。^[14]

应用

无线电对讲机是半双工最具代表性的应用。它收发使用同一频率，一方讲话时另一方只能收听，发言者说完后需用约定方式告知对方，另一方才能开口。^[5][1]

工业控制领域中，RS-485总线大多采用半双工组网。多个驱动器与接收器共用一条双绞线通路，任一时刻只允许一个节点驱动总线，通信的启动与结束通常由主站统一调度。^[8] 由于硬件本身是半双工链路，这类系统常用主从方式协调各站点的发送顺序，以避免数据冲突。^[8]

无线局域网的终端同样工作在半双工之下。无线网卡在同一频率上无法边发边收，802.11 因此采用碰撞避免（CSMA/CA）而非碰撞检测，并借助请求发送／允许发送（RTS/CTS）帧预约信道，缓解隐藏节点带来的冲突。^[15][16]

局限

半双工最根本的不足是收发不能并行。一方传输数据时，另一方只能等待接收，方向切换还会引入时延，因此链路效率低于全双工。^[17] 在无线场景中，设备发送时听不到其他节点的信号，冲突难以在发送过程中被察觉，只能依靠避免机制降低其发生概率。^[15]

总线型半双工系统还存在其他风险。若两个以上驱动器被同时启用，会形成总线竞争，严重时在器件上产生大电流，因此相关接口芯片通常都设置了限流与过热关断保护。^[18]

另一种常见故障是双工模式不匹配：链路一端被强制设为全双工，另一端按标准退回半双工，便会出现冲突和帧接收错误，实测吞吐甚至可能跌至链路能力的很小比例。^[14]

参见

• 全双工 —— 允许通信双方在同一时刻双向传输的通信方式，与半双工相对。

• 单工 —— 数据仅沿固定方向传输的通信方式，半双工可视为可切换方向的单工。

• 载波侦听多路访问／冲突检测 —— 半双工共享式以太网采用的介质访问控制机制。

• 时分双工 —— 用时间分隔收发信号、在半双工链路上实现双向传输的技术。

• RS-485 —— 工业领域常用的差分串行总线标准，多采用半双工方式组网。

• 对讲机 —— 收发同频、以半双工方式工作的无线电通信设备。