嵌入式视角看OSI模型

OSI 模型这个话题，虽然在教材和网络上已经被讲了无数次，但大多数讲解都以计算机网络为背景，从 HTTP、TCP 等协议展开说明。

说实话作为既非计算机科班出身，也非网络相关行业从业者的我来说，计算机网络是十分陌生且晦涩的，对初学者不太友好。当初我看完计算机网络书籍之后，仍云里雾里的，还是不太理解分层的真正意义和它跟实际开发有什么关系。

经过几年工作实践，动手写协议、调通信、分析数据包，才逐渐理解每一层的价值，所以今天想尝试抛开传统的网络角度，站在“嵌入式通信协议”的视角，重新解释一下 OSI 模型。

本文内容仅为个人工作实践总结，能力有限，如有谬误，欢迎指正，谢谢。

OSI 模型（Open Systems Interconnection Model，开放式系统互联模型）是一个用于描述网络通信过程的分层模型，共分为了七层，每层有各自的清晰的职责分工，十分便于系统设计和协议开发。

受限于资源，在嵌入式中通常不会完整实现 OSI 七层，但该模型对于通信协议的设计和开发非常有指导意义，在实际项目中会根据系统需求简化为3~5层通信协议结构。

完整的模型分层如下图（图片来自《嵌入式系统：硬件、软件及软硬件协同》，作者Tammy Noergaard）：

下层对于上层都是透明的，即在逻辑上两个设备上对应层之间是可以直接交互的。

第1层：物理层

该层提供电气和物理规格

关注内容：

• 通信需要通过几根线相连？
• 工作电压多少？多少电压代表“1”，多少电压代表“0”
• 通信速率是多少？
• 数据支持的传输方向？单工、半双工、双工？
• 设备连接方式？点对点、一主多从、多主多从？

UART示例：

• 需要Vcc、Tx、Rx、GND四根线；
• 电平标准是RS232或者TTL；
• 通信速率不定，设备双方约定好即可，常见的速率有115200bps、9600bps等；
• 支持全双工，即可同时收发数据；
• 设备连接是点对点；

第2层：数据链路层

描述字节如何在物理线缆上传输。

关注内容：

• 在多设备场景中，当前的数据是要发给谁的？
• 数据帧的bit如何定义？帧头、帧尾、校验码？
• 数据帧有无校验？什么校验方式？
• 每帧数据的数据量是多少？
• 数据的传输流向如何规定？

UART示例：

• 由于UART设备点对点连接，第一个问题无需考虑，而在支持多设备的协议中，如SPI使用CS进行片选、IIC使用设备地址进行选择；
• UART数据定义一帧数据有起始位（帧头）+8位数据位+校验位（可选）+停止位（帧尾）；
• UART可选使用奇偶校验，不是所有协议都在该层有校验，如SPI；
• UART每帧10~11.5bits；
• UART数据全双工，也无需考虑，如半双工的IIC则是通过ACK来交换数据线的控制权的；

第3层：网络层

该层负责将一个可变长的信息（包）从一端传送到另一端。

关注内容：

• 当前信息是要发给谁的？和上层第一个问题不同的是，这里表述的是软件层面上的地址，而不是物理地址
• 数据帧要如何分包组包？

软件地址用来指向设备中的抽象主体，这在嵌入式中比较少见，一般就一个主体去处理通信信息。举个比较相似的例子，一般使用IIC去读写外部寄存器时：起始->从设备地址（读/写）->寄存器地址->ACK/NACK；其中的寄存器地址就如同软件地址；

UART一帧数据有效位只有8位，显然不能满足大部分应用需求，所以需要接收/发送多帧，最后将多帧数据组合成完整的数据包。这个时候就需要规定哪些帧是属于同一包的：

1. 定长，规定固定8帧或者16帧为一包？
2. 超时，规定多久没有数据流那前面的数据为一包？
3. 魔数，特定包头包尾来进行划分？

AT指令示例：AT+ID?

一帧数据发送一个ASCII码，该指令可以分解为 "A" "T" "+" "I" "D" "?" "\r" "\n"共8帧

"AT"可作包头，"\r\n"可作包尾。

第4层：传输层

该层提供可靠的机制来传输数据。

关注内容：

• 整包数据是否完整准确？
• 丢包、错包是否重传？

基于传输效率考虑，数据链路层不会提供过于复杂的校验，甚至是无校验。那为了保证整包数据的准确性，增加校验是必要的，常见的校验方式有CheckSum校验、CRC校验；

那校验后发现个别数据帧错漏要请求重传呢？比如，如果有包序信息，那就可以单独请求该包序号的数据重新发送。

第5层：会话层

负责建立、管理和终止会话。

关注内容：

• 会话的交互流程？如请求—应答—结束三步走流程

我觉得可以把会话换成交互来理解，一次会话就是两个设备之间一次完整的通信交互。

如AT指令交互：

主设备发送： AT+BATTERY_VOLT?

从设备回复： +BATTERY_VOLT: 3750,40

从设备确认结束： OK

以上就是一次会话，从AT+CMD?开始建立会话，到+CMD:value进行会话交互，最后到OK终止会话。

第6层：表示层

该层定义数据结构，可能还会有压缩和加密。

关注内容：

• 定义数据结构，转换 row data 成结构体
• 可能包含加密、压缩等（高级应用）

以上面的AT指令为例：

接收到的row_data[LEN] = {0xA6,0x0E,0x28};

数据定义结构定义struct {uint16_t volt;uint8_t percent};

经过表示层处理后即可输出volt = 3750;percent = 40;

第7层：应用层

该层接受用户交互并形成一个通信请求。

关注内容：

• 提供接口供业务模块调用，发起通信请求
• 屏蔽底层通信细节

即提供一个调用接口给其他模块，用来发起通信。

如：send_cmd_to_slave(uint8_t cmd,uint8_t *param);

那当其他模块，如按键模块，识别到Key1被按下时就查询从设备电量，可以调用send_cmd_to_slave(CMD_REQUEST_BAT_PERCENT, NULL);发起通信查询。

这样，其它模块就不需要关心底层用的什么协议，什么接口，内部具体什么交互逻辑。

嵌入式常用通信结构

在资源极其有限的mcu中，一般会简化到3层：

• 物理层：收发数据，例如 UART/SPI/I2C 驱动；
• 数据链路层：处理帧结构，分帧/组帧，处理包校验；
• 应用层：处理数据业务逻辑，如 AT 指令解析；

当项目稍微复杂后，推荐使用 5 层：

• 物理层：收发数据，例如 UART/SPI/I2C 驱动；
• 链路层：处理帧结构，分帧/组帧，处理包校验；
• 网络层：软件地址识别，拆包组包；
• 表示层：结构化数据，映射为具体含义的变量；
• 应用层：负责通信业务逻辑，如命令处理、回复响应。

小结

OSI 模型虽然来源于计算机网络，但其“分层设计”的理念在嵌入式通信中同样适用。

其实对于嵌入式开发者来说，学习OSI 模型最重要的并不是去死记硬背每一层的具体定义，而是要理解“为什么要分层”、“每层解决什么问题”。清晰的职责划分才能带来更好的可维护性、可扩展性。