OSI 模型這個話題，雖然在教材和網絡上已經被講了無數次，但大多數講解都以計算機網絡為背景，從 HTTP、TCP 等協議展開說明。

說實話作為既非計算機科班出身，也非網絡相關行業從業者的我來說，計算機網絡是十分陌生且晦澀的，對初學者不太友好。當初我看完計算機網絡書籍之后，仍云里霧里的，還是不太理解分層的真正意義和它跟實際開發有什么關系。

經過幾年工作實踐，動手寫協議、調通信、分析數據包，才逐漸理解每一層的價值，所以今天想嘗試拋開傳統的網絡角度，站在“嵌入式通信協議”的視角，重新解釋一下 OSI 模型。

本文內容僅為個人工作實踐總結，能力有限，如有謬誤，歡迎指正，謝謝。

OSI 模型（Open Systems Interconnection Model，開放式系統互聯模型）是一個用于描述網絡通信過程的分層模型，共分為了七層，每層有各自的清晰的職責分工，十分便于系統設計和協議開發。

受限于資源，在嵌入式中通常不會完整實現 OSI 七層，但該模型對于通信協議的設計和開發非常有指導意義，在實際項目中會根據系統需求簡化為3~5層通信協議結構。

完整的模型分層如下圖（圖片來自《嵌入式系統：硬件、軟件及軟硬件協同》，作者Tammy Noergaard）：

下層對于上層都是透明的，即在邏輯上兩個設備上對應層之間是可以直接交互的。

第1層：物理層

該層提供電氣和物理規格

關注內容：

• 通信需要通過幾根線相連？
• 工作電壓多少？多少電壓代表“1”，多少電壓代表“0”
• 通信速率是多少？
• 數據支持的傳輸方向？單工、半雙工、雙工？
• 設備連接方式？點對點、一主多從、多主多從？

UART示例：

• 需要Vcc、Tx、Rx、GND四根線；
• 電平標準是RS232或者TTL；
• 通信速率不定，設備雙方約定好即可，常見的速率有115200bps、9600bps等；
• 支持全雙工，即可同時收發數據；
• 設備連接是點對點；

第2層：數據鏈路層

描述字節如何在物理線纜上傳輸。

關注內容：

• 在多設備場景中，當前的數據是要發給誰的？
• 數據幀的bit如何定義？幀頭、幀尾、校驗碼？
• 數據幀有無校驗？什么校驗方式？
• 每幀數據的數據量是多少？
• 數據的傳輸流向如何規定？

UART示例：

• 由于UART設備點對點連接，第一個問題無需考慮，而在支持多設備的協議中，如SPI使用CS進行片選、IIC使用設備地址進行選擇；
• UART數據定義一幀數據有起始位（幀頭）+8位數據位+校驗位（可選）+停止位（幀尾）；
• UART可選使用奇偶校驗，不是所有協議都在該層有校驗，如SPI；
• UART每幀10~11.5bits；
• UART數據全雙工，也無需考慮，如半雙工的IIC則是通過ACK來交換數據線的控制權的；

第3層：網絡層

該層負責將一個可變長的信息（包）從一端傳送到另一端。

關注內容：

• 當前信息是要發給誰的？和上層第一個問題不同的是，這里表述的是軟件層面上的地址，而不是物理地址
• 數據幀要如何分包組包？

軟件地址用來指向設備中的抽象主體，這在嵌入式中比較少見，一般就一個主體去處理通信信息。舉個比較相似的例子，一般使用IIC去讀寫外部寄存器時：起始->從設備地址（讀/寫）->寄存器地址->ACK/NACK；其中的寄存器地址就如同軟件地址；

UART一幀數據有效位只有8位，顯然不能滿足大部分應用需求，所以需要接收/發送多幀，最后將多幀數據組合成完整的數據包。這個時候就需要規定哪些幀是屬于同一包的：

1. 定長，規定固定8幀或者16幀為一包？
2. 超時，規定多久沒有數據流那前面的數據為一包？
3. 魔數，特定包頭包尾來進行劃分？

AT指令示例：AT+ID?
一幀數據發送一個ASCII碼，該指令可以分解為 "A" "T" "+" "I" "D" "?" "\r" "\n"共8幀
"AT"可作包頭，"\r\n"可作包尾。

第4層：傳輸層

該層提供可靠的機制來傳輸數據。

關注內容：

• 整包數據是否完整準確？
• 丟包、錯包是否重傳？

基于傳輸效率考慮，數據鏈路層不會提供過于復雜的校驗，甚至是無校驗。那為了保證整包數據的準確性，增加校驗是必要的，常見的校驗方式有CheckSum校驗、CRC校驗；
那校驗后發現個別數據幀錯漏要請求重傳呢？比如，如果有包序信息，那就可以單獨請求該包序號的數據重新發送。

第5層：會話層

負責建立、管理和終止會話。

關注內容：

• 會話的交互流程？如請求—應答—結束三步走流程

我覺得可以把會話換成交互來理解，一次會話就是兩個設備之間一次完整的通信交互。
如AT指令交互：
主設備發送： AT+BATTERY_VOLT?
從設備回復： +BATTERY_VOLT: 3750,40
從設備確認結束： OK
以上就是一次會話，從AT+CMD?開始建立會話，到+CMD:value進行會話交互，最后到OK終止會話。

第6層：表示層

該層定義數據結構，可能還會有壓縮和加密。

關注內容：

• 定義數據結構，轉換 row data 成結構體
• 可能包含加密、壓縮等（高級應用）

以上面的AT指令為例：
接收到的row_data[LEN] = {0xA6,0x0E,0x28};
數據定義結構定義struct {uint16_t volt;uint8_t percent};
經過表示層處理后即可輸出volt = 3750;percent = 40;

第7層：應用層

該層接受用戶交互并形成一個通信請求。

關注內容：

• 提供接口供業務模塊調用，發起通信請求
• 屏蔽底層通信細節

即提供一個調用接口給其他模塊，用來發起通信。
如：send_cmd_to_slave(uint8_t cmd,uint8_t *param);
那當其他模塊，如按鍵模塊，識別到Key1被按下時就查詢從設備電量，可以調用send_cmd_to_slave(CMD_REQUEST_BAT_PERCENT, NULL);發起通信查詢。
這樣，其它模塊就不需要關心底層用的什么協議，什么接口，內部具體什么交互邏輯。

嵌入式常用通信結構

在資源極其有限的mcu中，一般會簡化到3層：

• 物理層：收發數據，例如 UART/SPI/I2C 驅動；
• 數據鏈路層：處理幀結構，分幀/組幀，處理包校驗；
• 應用層：處理數據業務邏輯，如 AT 指令解析；

當項目稍微復雜后，推薦使用 5 層：

• 物理層：收發數據，例如 UART/SPI/I2C 驅動；
• 鏈路層：處理幀結構，分幀/組幀，處理包校驗；
• 網絡層：軟件地址識別，拆包組包；
• 表示層：結構化數據，映射為具體含義的變量；
• 應用層：負責通信業務邏輯，如命令處理、回復響應。

小結

OSI 模型雖然來源于計算機網絡，但其“分層設計”的理念在嵌入式通信中同樣適用。
其實對于嵌入式開發者來說，學習OSI 模型最重要的并不是去死記硬背每一層的具體定義，而是要理解“為什么要分層”、“每層解決什么問題”。清晰的職責劃分才能帶來更好的可維護性、可擴展性。