Full duplex e half duplex: o que são, a diferença e como funcionam em Ethernet e fibra

Full duplex é o modo de comunicação em que os dois lados de um enlace transmitem e recebem ao mesmo tempo; half duplex é o modo em que os dois lados podem transmitir, mas um de cada vez. Em Ethernet, uma porta de 100 Mbps em full duplex entrega 100 Mbps em cada sentido simultaneamente e não tem colisões; a mesma porta em half duplex divide esses 100 Mbps entre os dois sentidos e precisa do CSMA/CD para resolver colisões.

A seguir: os três modos (simplex, half e full duplex), como cada um funciona no cobre e na fibra, e como diagnosticar o duplex mismatch, quando uma ponta está em full e a outra em half.

Simplex, half duplex e full duplex: as definições

Os três termos descrevem em que sentido e quando a informação pode trafegar entre dois pontos:

• Simplex: um único sentido, sempre. Um transmissor e um ou mais receptores que nunca respondem pelo mesmo canal. Exemplo: transmissão de rádio FM, um sensor que só envia leitura.
• Half duplex (semi-duplex): os dois lados transmitem, mas alternadamente. Enquanto um fala, o outro escuta. Exemplo clássico: rádio comunicador (walkie-talkie), em que é preciso apertar o botão para falar.
• Full duplex (duplex completo): os dois lados transmitem e recebem ao mesmo tempo, por canais independentes. Exemplo: uma ligação telefônica, em que as duas pessoas podem falar juntas.

Em alemão, os termos aparecem como Halbduplex (half duplex) e Vollduplex (full duplex) em manuais de equipamentos europeus; o significado é exatamente o mesmo.

Como o half duplex funciona em Ethernet: CSMA/CD e domínio de colisão

A Ethernet original (10BASE5, 10BASE2 e depois os hubs 10BASE-T) era um meio compartilhado: todas as estações ouviam o mesmo sinal. Se duas transmitissem ao mesmo tempo, os quadros se corrompiam. O padrão IEEE 802.3 resolveu isso com o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

1. a estação escuta o meio antes de transmitir (carrier sense);
2. se o meio está livre, transmite;
3. se detecta colisão durante a transmissão, interrompe, envia um sinal de jam e espera um tempo aleatório (backoff exponencial) antes de tentar de novo.

Esse mecanismo é o half duplex de Ethernet. Ele funciona, mas tem dois custos: a banda é dividida entre todos que compartilham o domínio de colisão, e quanto maior o tráfego, mais colisões e retransmissões. Um hub repete o sinal para todas as portas, então tudo o que está ligado a ele forma um único domínio de colisão e opera em half duplex.

O CSMA/CD também impõe um limite físico: a colisão precisa ser detectada antes de o transmissor terminar de enviar o menor quadro permitido (64 bytes). Isso amarra o comprimento máximo do domínio de colisão à velocidade do enlace. É por isso que o half duplex limita distância, um ponto que pesa muito em fibra óptica (veja adiante).

Como o full duplex funciona: pares e fibras separados para TX e RX

O full duplex em Ethernet foi padronizado pela emenda IEEE 802.3x, que também criou o controle de fluxo por quadros PAUSE. A condição é simples: o enlace precisa ser ponto a ponto, com apenas dois dispositivos, normalmente uma placa de rede e uma porta de switch, ou duas portas de switch. Sem terceiros no meio, não há disputa pelo canal: o CSMA/CD é desligado e cada lado transmite quando quiser.

Na prática, o caminho físico de cada sentido é separado:

• 100BASE-TX (Fast Ethernet): usa 2 dos 4 pares do cabo, um par para transmitir e outro para receber.
• 1000BASE-T (Gigabit Ethernet): usa os 4 pares, cada um transmitindo e recebendo ao mesmo tempo, com cancelamento de eco na eletrônica da porta para separar o sinal enviado do recebido.
• Fibra óptica duplex: duas fibras, uma para cada sentido (o par de conectores LC ou SC duplex).
• Fibra óptica simplex com WDM (BiDi): uma única fibra, com cada sentido em um comprimento de onda diferente (por exemplo, 1310 nm em um sentido e 1550 nm no outro). Continua sendo full duplex.

O switch é o que tornou o full duplex possível em escala: cada porta é um domínio de colisão próprio, e com um único dispositivo por porta não há colisão nenhuma. Em 10 Gigabit Ethernet e velocidades maiores, o padrão IEEE 802.3 nem define mais operação half duplex: é full duplex obrigatoriamente.

Half duplex e full duplex em fibra óptica

Em fibra, a diferença entre os dois modos aparece de forma muito concreta: distância. Como o half duplex depende da detecção de colisão dentro do tempo do menor quadro, o comprimento do enlace fica limitado pelo atraso de propagação. O exemplo mais citado é o 100BASE-FX em fibra multimodo:

Em full duplex o limite deixa de ser o protocolo e passa a ser a óptica: potência do transmissor, sensibilidade do receptor, atenuação da fibra e dispersão. Por isso conversores de mídia e módulos SFP para fibra monomodo alcançam dezenas de quilômetros, coisa que half duplex nunca permitiria. Em resumo:

• Fibra para distâncias acima de algumas centenas de metros é, na prática, sempre full duplex.
• O fato de a fibra ser simplex (uma fibra só) não quer dizer que o enlace é half duplex. Um conversor WDM em uma única fibra opera em full duplex, com um comprimento de onda para cada sentido.

Para enlaces de uma só fibra, a IRD.Net tem a linha de conversores WDM para fibra simplex, vendidos também em par (um lado de cada comprimento de onda). Para fibra duplex, veja a linha completa de conversores de mídia e os módulos SFP de 1,25 Gbps para portas de switch.

Quanto o full duplex rende de verdade: cálculo resolvido

“100 Mbps full duplex” significa 100 Mbps em cada sentido ao mesmo tempo. Alguns fabricantes somam os dois sentidos e anunciam “200 Mbps”, o que é a mesma coisa dita de outro jeito: nenhum dos sentidos passa de 100 Mbps.

Também é preciso descontar o que a Ethernet gasta por quadro. Cada quadro com 1500 bytes de dados ocupa no cabo:

Desses 1500 bytes de dados, 40 são cabeçalhos IPv4 e TCP (sem opções), restando 1460 bytes úteis. A eficiência máxima de TCP é 1460 / 1538 ≈ 94,9%.

Exemplo: copiar um arquivo de 10 GB (10 × 10⁹ bytes) entre um servidor e um NAS por um enlace Gigabit full duplex.

• Taxa útil máxima: 1000 Mbps × 0,949 ≈ 949 Mbps ≈ 118,6 MB/s.
• Tempo mínimo: 10 000 MB / 118,6 MB/s ≈ 84 s.
• Em full duplex, um segundo backup no sentido contrário pode correr ao mesmo tempo com os mesmos ≈ 84 s, porque cada sentido tem o seu canal.
• Se o mesmo enlace caísse para half duplex, os dois backups disputariam o mesmo canal: na melhor hipótese, cada um levaria o dobro do tempo, e na prática mais, por causa de colisões e retransmissões.

Esses números são o teto teórico; disco, CPU e protocolo de arquivo (SMB, NFS) costumam limitar antes da rede.

Negociação automática e o duplex mismatch

Portas de cobre negociam velocidade e duplex automaticamente (autonegociação, IEEE 802.3, cláusula 28): cada lado anuncia o que suporta e os dois escolhem o melhor modo comum, que hoje é 1000 Mbps full duplex na maioria das portas. No 1000BASE-T, a autonegociação é obrigatória.

O problema aparece quando uma ponta está fixada manualmente (por exemplo, “100 Mbps full”) e a outra está em automático. A ponta fixa não negocia; a ponta automática detecta a velocidade pelo sinal (parallel detection), mas, sem informação de duplex, assume half duplex. O resultado é o duplex mismatch:

• o link sobe normalmente, o LED acende e o ping responde, por isso o defeito engana;
• a ponta em half duplex registra colisões tardias (late collisions), porque a outra transmite sem escutar;
• a ponta em full duplex registra erros de CRC/FCS e quadros curtos (runts), os pedaços dos quadros interrompidos;
• transferências grandes ficam muito lentas, embora o tráfego leve pareça normal.

Como resolver: deixe as duas pontas em automático, ou fixe as duas no mesmo modo. Nunca fixe só uma. Em um switch gerenciável, os contadores de erro por porta mostram o sintoma em segundos, e a tela de status da porta mostra o duplex negociado. A linha de switches gerenciáveis IRD.Net permite consultar e configurar velocidade e duplex porta a porta; em switches não gerenciáveis, as portas em geral só operam em negociação automática.

Quando ainda existe half duplex

Em redes Ethernet modernas, half duplex quase só aparece por defeito ou por equipamento legado. Mas o modo continua vivo em outros meios:

• Wi-Fi: no mesmo canal, só um transmite por vez (o 802.11 usa CSMA/CA, a variante “evita colisão”). Por isso a vazão real de um ponto de acesso é bem menor que a taxa anunciada do rádio.
• RS-485 a 2 fios: o barramento serial industrial (usado por Modbus RTU) é half duplex: o mestre pergunta, o escravo responde. O RS-422 e o RS-485 a 4 fios operam em full duplex.
• Equipamentos antigos: hubs, alguns CLPs e impressoras de gerações passadas com portas 10 Mbps que só operam em half duplex. Ao ligar um desses a um switch, a porta do switch deve negociar ou ser fixada em half duplex para combinar.

Erros comuns com duplex

1. Fixar velocidade e duplex em uma só ponta. É a causa número um do duplex mismatch. Ou as duas em automático, ou as duas fixas no mesmo modo.
2. Usar hub no lugar de switch. Um hub força todos os equipamentos ligados nele ao half duplex. Substitua por um switch, mesmo não gerenciável.
3. Confundir fibra simplex com comunicação half duplex. Uma fibra só, com WDM, é full duplex. O que importa é o modo das portas, não o número de fibras.
4. Culpar o cabo antes de olhar os contadores. Link que sobe, mas fica lento com tráfego pesado, com colisões tardias de um lado e CRC do outro, é duplex mismatch, não cabo ruim.
5. Somar os dois sentidos. Um uplink de 1 Gbps full duplex leva 1 Gbps em cada sentido, não 2 Gbps em um só.

Perguntas Frequentes

Qual a diferença entre half duplex e full duplex?

No half duplex os dois lados transmitem, mas um de cada vez, dividindo a banda e sujeitos a colisões. No full duplex os dois transmitem e recebem ao mesmo tempo, por canais separados, sem colisões e com a banda inteira em cada sentido.

100 Mbps: half duplex ou full duplex?

Full duplex, sempre que as duas pontas suportarem, o que vale para praticamente toda placa e switch atuais. Em 100 Mbps full duplex você tem 100 Mbps em cada sentido; em half duplex, 100 Mbps compartilhados e colisões. Use half duplex só se o equipamento do outro lado não suportar full.

O que significa “1.0 Gbps full duplex” no status da placa de rede?

Significa que a porta negociou 1000 Mbps em full duplex: 1 Gbps de transmissão e 1 Gbps de recepção simultâneos. É o modo correto para uma porta Gigabit. Se aparecer “half duplex” em 10 ou 100 Mbps num equipamento moderno, investigue o cabo e a configuração da outra ponta.

Switch é full duplex?

Sim. Cada porta de switch é um enlace ponto a ponto com um único dispositivo, por isso opera em full duplex por padrão. O switch só usa half duplex quando o dispositivo do outro lado não suporta full duplex, como um hub ou um equipamento muito antigo.

A internet é full duplex?

O enlace entre o seu equipamento e o switch ou modem é full duplex, mas isso não quer dizer que o plano contratado tenha a mesma velocidade nos dois sentidos. Velocidade de download e upload é definida pelo provedor; full duplex só garante que os dois sentidos podem trafegar ao mesmo tempo.

Fibra óptica é half duplex ou full duplex?

Na prática, full duplex. Fibra duplex usa uma fibra para cada sentido, e fibra simplex com WDM usa um comprimento de onda para cada sentido. O half duplex em fibra existe em padrões antigos, como o 100BASE-FX, mas limita o enlace multimodo a 412 m, contra 2 km em full duplex.