两个主机可以同时开始在空闲总线上进行传输，并且必须有一种方法来确定控制总线并完成数据传输，这是通过时钟同步和仲裁完成。在单主机系统中，不需要时钟同步和仲裁。
时钟同步是通过I2C接口中SCL线的线与实现：
当SCL从高到低过渡时，总线上的主机开始计数各自的低电平时间，且一旦主机时钟变为低，它就会将SCL保持在该状态，直到变为高状态为止；
但是，如果另一个主机时钟仍在SCL低周期内，则此时钟从低到高的转变不会改变SCL线的状态。所以。SCL线由主机以最长的低电平周期保持为低电平。低电平周期较短的主机在此期间进入高电平等待状态。
当所有相关的主机都计数完低电平周期后，SCL线被释放并变为高电平。这样，主机时钟和SCL线的状态之间就没有区别，所有主机时钟都开始计数其高电平时间，第一个完成其高电平周期的主机将SCL线再次拉低。
仲裁
仲裁与同步类似，仅在系统中使用多个主机时才会涉及到，从机不参与仲裁过程。所谓仲裁就是在多主机模式下，哪一个主机能获得介质的访问权限，获得权限的主机才可以传输I2C通信报文。两个主机可以在START的最小保持时间内产生START条件这种情况会导致总线上出现有效的START条件，然后需要仲裁以确定哪个主机将完成其传输。仲裁是一位一位地进行，节点发送1个位后，回读比较总线上所呈现的数据与自己发送的是否一致。若是，继续发送；否则，退出竞争。SDA线的仲裁可以保证I2C总线系统在多个主节点同时企图控制总线时通信正常进行且数据不丢失，总线系统通过仲裁只允许一个主节点可以继续占据总线。
