各种网络/总线协议和OSI模型的对应关系总结

前言

七层网络协议，也称为OSI（开放系统互连）模型，是从下到上逐步抽象和定义网络通信的层次结构。这七层分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每层都有其特定的功能和代表性的协议。

互联网消费电子，工业控制，汽车行业上用的各种总线和网络所使用的协议都可以在OSI这个模型中找到对应的层级。

比如串口（UART）,SPI, IIC, CAN，flexray，主要定义了基础的物理层和数据链路层。物理层就是规定了用几根线，用双绞线还是同轴线，多高的电平，多高的速率（例如同轴线抗干扰能力强，速率就高）来进行信号的传输。部分物理层的性质还可以通过软件设置GPIO的电平来模拟，例如串口（UART）,SPI或 IIC，它们就可以通过软件设置GPIO上的电平来模拟，见文章最后部分。当然最好用专门的模块。

数据链路层主要就是解决数据分帧，流量控制、差错检测与控制等，从传输方式上来确保可靠性。

在物理层和数据链路层之上，使用更高级别网络协议来实现应用。例如:

在can协议的基础上进行OBD诊断的应用。所以OBD功能可以看成一个运行在can网络上（物理层，数据链路层）的，使用了OBD协议（应用层协议）的诊断功能；

在can，flexray，以太网，串口这些基础协议上使用UDS协议（应用层协议）来进行汽车ECU之间的诊断或大文件传输。

在以太网的基础上（物理层—RJ45等，数据链路层----介质访问控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层，网络层----TCP/IP等）可以使用HTTP, FTP，或者someip等应用层协议来实现应用

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、OSI（开放系统互连）模型

以送快递来打比方

1. 物理层（Physical Layer）---- 决定用什么车送快递
   • 功能：物理层建立在通信媒体的基础上，规定通信双方相互连接的机械、电气、功能和规程特性；在数据终端设备与数据通信设备之间完成物理连接，实现对传输通路的建立、保持及释放等操作；提供物理数据链路上的透明位流传输。
   • 代表性协议：EIA/TIA-232（RS-232）、EIA/TIA-499、V.35、RJ-45、Ethernet（如IEEE 802.3）、FDDI等。这些协议定义了物理接口的电气和机械特性，以及如何在物理介质上传输比特流。

2. 数据链路层（Data Link Layer）-----相当于把包裹放进集装箱
   • 功能：数据链路层将来自物理层的数据流分成数据帧，提供流量控制、差错检测与控制，实现相邻结点之间数据的可靠传输。
   • 代表性协议：ARP（地址解析协议）、RARP（逆地址解析协议）、HDLC（高级数据链路控制）、PPP（点对点协议）、IEEE 802.3/802.2（以太网数据链路层协议）等。这些协议负责帧的封装、传输和错误控制。

3. 网络层（Network Layer）-----相当于根据目标地址规划送货路线
   • 功能：网络层实现两个终端系统的数据透明传输，主要包括寻址、路由选择，连接的建立、保持和终止等。
   • 代表性协议：IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、IGMP（互联网组管理协议）、RIP（路由信息协议）、OSPF（开放最短路径优先协议）等。这些协议负责数据包在网络中的路由和转发。

4. 传输层（Transport Layer）-----相当于把各类物品用小包装包好，贴上地址和序号，收到的时候可以检查有没有漏发
   • 功能：传输层向上层提供可靠的发送端到接收端的透明数据传送，并提供差错控制、流量控制和服务质量选择。
   • 代表性协议：TCP（传输控制协议）、UDP（用户数据报协议）、SPX（序列包交换协议）等。TCP提供面向连接的可靠传输服务，而UDP提供无连接的不可靠传输服务。

5. 会话层（Session Layer）-----相当于两个人在发快递之前先写信沟通了一下，通知对方准备接收或者回复是否收到
   • 功能：会话层向表示层提供各种服务，并完成其内部的连接映射、流量控制、加速数据传输、会话连接的恢复和释放及层管理。
   • 代表性协议：RPC（远程过程调用）、SQL（结构化查询语言，虽然主要用于数据库操作，但也可用于会话管理）、NFS（网络文件系统）、NetBIOS等。这些协议负责管理不同系统间的会话。

6. 表示层（Presentation Layer）----相当于把要发的物品归类整理一下，叠起来，卷起来，摞起来
   • 功能：表示层对用户实体所递交的结构数据进行必要的解释、加工和变换，以确保一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。
   • 代表性协议：TIFF（标签图像文件格式）、GIF（图形交换格式）、JPEG（联合图像专家组）、ASCII（美国信息交换标准代码）、EBCDIC（扩展二进制编码的十进制交换码）、MPEG（运动图像专家组）、MIDI（乐器数字接口）等。这些协议和格式用于数据的编码、加密、压缩和转换。

7. 应用层（Application Layer）-----相当于把要发的物品，比如柜子，拆解下来，方便发运。或者把收到的零件组装起来使用
   • 功能：应用层是OSI/RM的最高层，向用户提供各种直接服务，如目录服务、文件传输、电子邮件、虚拟终端等。
   • 代表性协议：Telnet（远程登录协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）、WWW（万维网服务）、SNMP（简单网络管理协议）等。这些协议为用户提供了丰富的网络服务。

二、不同协议的映射

1. CAN协议

can协议涵盖了OSI模型中的
1. 物理层：（位时序、位的编码方式以及同步步骤，两条线构成，即CANH和CANL，用于表示显性（逻辑值0）和隐性（逻辑值1）状态）、
2. 数据链路层：核心部分，负责将物理层收到的信号组织成有意义的消息，并提供错误控制等传输控制流程。数据链路层进一步分为MAC（媒体访问控制）子层和LLC（逻辑链路控制）子层。MAC子层主要负责消息的帧化处理、仲裁、应答以及错误的检测和报告等功能
3. 传输层：通过帧的序列化和重组来支持数据的端到端传输

CAN协议并没有定义OSI模型中的网络层、会话层、表示层和应用层。这些高层次的功能通常通过应用层协议（如CANopen、DeviceNet、ISO14229、SAE J1939等）来提供，这些协议在CAN总线的基础上进一步扩展了通信方式、传输模式、功能划分以及应用领域等方面的内容。

2. flexray协议

• 物理层：定义了信号在物理介质上的传输方式，包括电气特性、信号速率、传输模式（差分传输）等。FlexRay使用双绞线作为物理介质，支持高速通信，并具有容错机制。
• 数据链路层：在FlexRay中，数据链路层负责消息的帧化处理、错误检测与校正、流控制和媒体访问控制等功能。FlexRay的数据链路层设计支持实时通信和高可靠性要求。
FlexRay协议并没有直接定义OSI模型中的更高层次（如网络层、传输层、会话层、表示层和应用层）。这些高层次的功能通常是通过应用层协议或上层软件来实现的。

3. SOME/IP（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP）

• 应用层：SOME/IP是一种基于IP的面向服务的可扩展中间件协议，它支持远程过程调用（RPC）、事件通知和底层序列化/反序列化等功能。SOME/IP被设计用于车载以太网通信环境，为ECU（电子控制单元）之间的服务交互提供标准化的通信机制。
虽然SOME/IP位于应用层，但它依赖于底层的TCP/IP协议栈来实现数据的传输。SOME/IP在TCP/UDP传输层之上构建，通过定义特定的消息格式和服务发现机制来实现ECU之间的通信。

4. OBD（On-Board Diagnostics，车载自动诊断系统）

OBD系统主要用于监测车辆的排放情况，并通过读取故障码等方式来判断车辆是否符合排放标准。为了实现与外部设备的通信，OBD系统采用了一系列标准化的网络协议。

1. 物理层协议
   OBD的物理层协议定义了数据的传输方式和电气特性。对于OBD-II系统（第二代车载诊断系统），常见的物理层协议包括：
   • ISO 9141-2：使用单线（K线）进行数据传输，通过电平的变化来传递信息。
   • ISO 14230-4（KWP2000）：同样使用K线，但提供了更丰富的诊断功能。
   • ISO 15765-4（CAN-BUS）：采用控制器局域网络（CAN）作为数据线，具有更高的传输速率和稳定性。目前，大多数现代汽车都使用CAN总线作为OBD接口的底层数据链路。
2. 数据链路层协议
   在数据链路层，OBD系统使用上述物理层协议之一进行数据的封装和传输。对于基于CAN总线的OBD系统，ISO 15765-4协议定义了如何在CAN总线上传输诊断数据，包括数据的分帧、流控制和错误处理等。
3. 应用层协议
   OBD的应用层协议定义了数据的格式和命令的交互方式。OBD协议本身是一套应用层协议，它定义了排放相关系统必须支持的诊断服务和数据传输格式。这些服务包括读取动力系统诊断数据、请求冻结帧数据、读取排放相关故障码等。具体的命令格式和响应格式在OBD标准中有详细定义。
   结论
   OBD相当于一个运行在can网络上的应用层协议，通过汽车的OBD进行的通讯通常依赖于ISO 9141-2、ISO 14230-4或ISO 15765-4等网络协议，这些协议在物理层、数据链路层和应用层上分别定义了数据的传输方式、封装格式和交互流程。

5. VBF（Virtual Functional Bus，虚拟功能总线）

AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）中的VBF（Virtual Functional Bus，虚拟功能总线）是一个抽象概念，用于描述AUTOSAR提供的所有通信机制。VBF并不直接对应于OSI（Open System Interconnect，开放式系统互连）模型的某一层或某几层，而是跨越了OSI模型中的多个层次，提供了一种虚拟的通信渠道，使得不同的ECU（电子控制单元）及其模块之间能够进行有效的数据交换和通信。可以将其视为在OSI模型的较高层次上提供了一个抽象的通信平台：

1. 会话层：在OSI模型中，会话层负责建立、管理和终止不同应用程序之间的会话。虽然VBF本身不直接实现会话层的功能，但它通过提供一个稳定的通信渠道，间接支持了会话层所需的会话管理机制。在AUTOSAR环境中，不同的ECU模块通过VBF进行通信时，可以视为在进行一种会话式的交互。

2. 表示层：表示层关注于数据的表示、加密和解密、压缩和解压缩等功能。虽然VBF不直接处理数据的表示格式转换或加密解密等操作，但它确保了在传输过程中数据的完整性和一致性，从而为上层（如表示层）提供了可靠的数据表示基础。

3. 传输层：传输层是OSI模型中负责端到端通信的关键层次。它提供了数据分段、流量控制、差错控制等功能，以确保数据能够可靠地从源端传输到目的端。在AUTOSAR中，VBF通过RTE（Runtime Environment，运行时环境）和基础软件的支持，实现了类似传输层的功能，如消息的分发、路由和传输控制等。虽然VBF本身并不直接等同于传输层，但它与传输层的功能紧密相关。

需要注意的是，VBF作为AUTOSAR中的一个抽象概念，更多地是从系统架构和通信机制的角度来描述的。它并不严格遵循OSI模型的层次划分，而是根据汽车通信的实际需求进行了定制和优化。因此，在将VBF与OSI模型进行类比时，我们需要理解其背后的设计意图和功能实现方式。
综上所述，虽然AUTOSAR中的VBF不直接对应于OSI模型的某一层或某几层，但它在功能上可能涉及到OSI模型中的会话层、表示层以及部分传输层的功能。这种跨层次的抽象通信机制为汽车ECU之间的有效通信提供了强大的支持。

6. FPD-LINK和GMSL

FPD-LINK

FPD-LINK是一种多协议物理层技术，由德州仪器（TI）等公司开发。它主要用于汽车中，特别是用于视频屏幕或驾驶员辅助摄像头之间的数字音频和视频传输。FPD-LINK技术能够聚合来自各种行业标准协议的数据，并通过电缆进行传输。
• 物理层：FPD-LINK在物理层通过特定的电缆（如单端50欧姆电缆或差分100欧姆电缆）传输高速串行信号。它涉及信号的调制、解调、时钟同步等物理层功能。
• 数据链路层：虽然FPD-LINK主要被视为物理层技术，但它在数据链路层也有一定的作用，例如通过自适应均衡器和时钟数据恢复模块来确保数据在传输过程中的完整性和准确性。

GMSL（Gigabit Multimedia Serial Links）

GMSL是Maxim公司推出的一种高速串行接口，也广泛应用于汽车中，用于音频、视频和控制信号的传输。GMSL同样基于SerDes（串行器/解串器）技术，这种技术在许多现代通信接口中都有应用。
• 物理层：GMSL在物理层支持同轴电缆和屏蔽双绞线等通信介质，使用这些介质时可以实现长距离（如15米甚至更长）的稳定传输。它定义了信号的电气特性、传输速率等物理层参数。
• 数据链路层及以上：与FPD-LINK类似，GMSL不仅仅关注物理层传输，还涉及数据链路层的功能，如数据的封装、帧同步、错误检测与纠正等。此外，GMSL设备还可以配置为以多种模式运行，以满足不同应用程序的需求。

需要安装相应的驱动程序来支持设备间的通信

7. HDMI 高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）

• 物理层：主要负责信号的物理传输，
• 链路层：负责数据的封装、帧同步、错误检测与纠正等。

对于大多数现代操作系统（如Windows、macOS、Linux等），它们通常已经内置了对HDMI接口的基本支持。这意味着，在大多数情况下，用户不需要手动安装额外的HDMI驱动程序即可使用HDMI接口进行音视频传输。
然而，对于某些特定的应用场景或高级功能（如多显示器设置、特定的音视频格式支持等），可能需要安装由设备制造商提供的专用驱动程序或软件工具来增强HDMI接口的功能和兼容性。

8. MIPI 移动产业处理器接口（Mobile Industry Processor Interface ）

MIPI的DSI和CSI协议主要对应于OSI模型的物理层和数据链路层，它们定义了如何在移动设备和嵌入式系统中实现高效、低功耗的串行通信。虽然这些协议也涉及一些网络层的功能（如多通道传输和虚拟通道），但它们并不直接实现OSI模型中的所有层次。在实际应用中，DSI和CSI协议通常与更高层次的软件协议和应用程序接口（API）一起使用，以提供完整的通信解决方案。

9. 常见的SOC内部总线

在嵌入式SOC（System on Chip，片上系统）中，CPU和各个外设控制器之间的总线协议是多种多样的，这些协议通常不直接对应于OSI（Open Systems Interconnection，开放系统互连）模型的某一层，因为它们更多地关注于硬件层面的通信和数据传输，而OSI模型是一个更广泛的网络通信模型。不过，我们可以从功能上将这些总线协议与OSI模型的某些层次进行类比。

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）

• 概述：由ARM公司提出的一种用于嵌入式系统的通信协议和总线架构，旨在提供高性能、可扩展的通信框架。
• 子协议：包括AHB（Advanced High-performance Bus）、APB（Advanced Peripheral Bus）和AXI（Advanced eXtensible Interface）。
• 功能：这些总线协议定义了CPU与内存、外设之间的通信方式，确保它们能够高效地协同工作。
• OSI模型类比：虽然不直接对应于OSI模型的某一层，但AMBA总线协议可以看作是涵盖了OSI模型中的数据链路层（通过定义帧同步、错误检测等机制）以及部分物理层（通过定义电气特性和物理连接）的功能。

AXI（Advanced eXtensible Interface）

• 概述：作为AMBA协议中的新一代总线标准，AXI提供了高带宽、高性能的通信能力。
• 特性：支持乱序传输、out-of-order执行和多通道操作等先进特性。
OSI模型类比：同样，AXI总线协议也不直接对应于OSI模型的某一层，但它更多地关注于数据链路层的功能，如高效的数据传输和错误处理。

10. 互联网

1. 物理层协议
   物理层是OSI模型中的第一层，它规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性，为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。以太网在物理层主要使用以下几种协议或标准：

IEEE 802.3：定义了有线以太网的物理层和数据链路层的介质访问控制（MAC）。这是以太网技术的基础标准，涵盖了多种传输速率和介质类型，如10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-T等。
RJ-45：是一种常用的网线接口，属于布线系统中信息插座连接器的一种，用于以太网连接。它遵循EIA/TIA 568标准，是以太网物理层连接的重要组成部分。
CSMA/CD（载波监听多点接入/碰撞检测）：虽然CSMA/CD更多被视为数据链路层的一部分，但它实际上也涉及物理层的功能，因为它需要监听物理介质上的信号来确定何时可以发送数据。

2. 数据链路层协议
   数据链路层位于OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信，主要功能是在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。以太网在数据链路层主要使用以下几种协议：

IEEE 802.3的MAC子层：负责处理物理地址（如MAC地址），以及数据帧的封装和解封装。以太网帧的格式遵循IEEE 802.3标准，包括前导码、目的地址、源地址、类型/长度字段、数据字段和帧校验序列（FCS）等部分。
ARP（地址解析协议）：虽然ARP协议通常被视为网络层的一部分，但它在实际操作中更多地与数据链路层交互。ARP协议用于将网络层地址（如IP地址）映射到数据链路层地址（如MAC地址），以便数据帧可以在局域网内正确传输。
VLAN（虚拟局域网）：虽然VLAN通常被视为网络层的一部分，但它也涉及数据链路层的功能，因为VLAN标签是插入到以太网帧中的，以便在交换机上实现虚拟局域网的划分和隔离。

3. 网络层：
   互联网在网络层主要使用IP（Internet Protocol）协议，负责数据的寻址和路由。
   这一层负责将数据包从源地址发送到目的地址，可能跨越多个不同的网络。

4. 传输层：
   传输层负责提供端到端的通信服务，确保数据的可靠传输。
   互联网在传输层主要使用TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）协议。

5. 会话层：
   会话层负责建立、管理和终止用户会话。
   在互联网上，这一层的功能可能由应用程序自身实现，而不是由独立的会话层协议来完成。

6. 表示层：
   表示层负责数据的表示和加密，确保数据在不同系统之间的兼容性和安全性。
   在互联网上，这一层的功能也通常由应用程序来处理。

7. 应用层：
   应用层是OSI模型的最高层，负责为用户提供各种网络服务。
   互联网上的应用层包含了许多不同的协议和应用，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等。

FDBUS这种IPC，进程间通信机制

FDbus是一种基于Socket的高性能IPC（进程间通信）机制，运行在传输层之上的。专为Linux、Windows和QNX等操作系统设计。它提供了分布式、跨主机的通信能力，并支持服务名解析、心跳检测等高级特性。
虽然“FDBus”在名称上暗示了一种类似于物理总线的结构，实际上它们是指在软件层面上实现的进程间通信机制。
在FDBUS（Fast Distributed Bus）架构中，name server扮演着关键角色，它负责服务名的注册和解析，使得client和server之间可以通过服务名而非直接的网络地址进行通信。这个name server就是Unix socket文件，是linux在内存中创建的，在文件系统中有路径。但它不属于共享内存式的哪种IPC，所以并不是通过内存地址来访问的。

FDBUS可用于本地IPC，也支持网络主机之间的IPC。
如果在同一主机内部使用UDS，否则使用TCP socket。对于Windows，由于不支持UDS，全部采用TCP socket。

为了统一FDBus使用如下规则定义Server地址：

UDS：file://socket文件名
TCP socket：tcp://ip地址:端口号，在网络上是基于IP寻址的，由一个host server来存储所有主机的名字，然后实时更新。
参考这篇文章：https://blog.youkuaiyun.com/lin20044140410/article/details/127419543

11. 邮箱和即时通讯协议

邮箱

邮箱协议主要属于应用层，因为它们定义了应用程序之间如何交换电子邮件数据。常见的邮箱协议包括SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本3）和IMAP（互联网邮件访问协议）。这些协议负责在用户代理（如邮件客户端）和邮件服务器之间传输邮件。

SMTP：用于发送电子邮件。它定义了邮件如何在邮件服务器之间传输。
POP3和IMAP：用于从邮件服务器检索电子邮件。它们允许用户代理访问并管理存储在邮件服务器上的邮件。
虽然这些协议在应用层工作，但它们也依赖于传输层和网络层的协议（如TCP）来确保数据的可靠传输和正确的寻址。

即时通讯协议

即时通讯协议同样主要属于应用层，因为它们定义了即时通讯应用程序之间如何交换消息。这些协议允许用户进行实时文本、语音和视频通信。常见的即时通讯协议包括XMPP、MQTT、WebSocket等。

XMPP：一种基于XML的协议，用于在即时通讯客户端之间传输消息。它支持文本、语音、视频通信以及文件传输等功能。
MQTT：一种轻量级的消息传输协议，特别适用于物联网（IoT）场景。它允许设备之间以及设备与服务器之间进行低带宽、高可靠性的消息交换。
WebSocket：一种在单个持久连接上提供全双工通信渠道的协议。它允许服务器主动向客户端推送信息，而无需客户端轮询。

12. 通过软件设置的方式用GPIO来模拟不同的串行总线

可以通过软件来修改GPIO的电平属性来模拟串口（UART）,SPI或 IIC。GPIO（General-Purpose Input/Output）是通用输入输出端口的简称，具有灵活的输入输出能力，因此可以通过编程控制引脚的高低电平状态。 IIC通信使用两根线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。在模拟时，可以使用两个GPIO分别作为SDA和SCL线。再通过软件精确控制GPIO的电平变化（包括上升沿和下降沿），可以模拟IIC通信中的起始信号、停止信号、应答信号等。

串口（UART）

物理层模拟：
• 串口通信主要通过两根线进行：TX（发送）和RX（接收）。在模拟时，可以使用两个GPIO分别作为TX和RX线。
• 通过软件控制GPIO的电平变化，可以模拟串口通信中的起始位、数据位、停止位等信号。
数据链路层模拟：
• 数据链路层的功能包括帧同步、错误检测等。在软件模拟中，可以通过编程实现这些功能。
• 例如，可以在发送数据时添加起始位和停止位，以便接收方能够识别数据帧的开始和结束。
• 同时，可以添加校验位（如奇偶校验）来检测数据传输中的错误。

IIC（I2C）

物理层模拟：
• IIC通信使用两根线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。在模拟时，可以使用两个GPIO分别作为SDA和SCL线。
• 通过软件精确控制GPIO的电平变化（包括上升沿和下降沿），可以模拟IIC通信中的起始信号、停止信号、应答信号等。
数据链路层模拟：
• 数据链路层在IIC中主要涉及设备地址识别、数据传输格式等。
• 在软件模拟中，可以通过编程实现设备地址的发送和识别，以及数据的打包和解包。
• 同时，可以处理应答信号，确保数据传输的可靠性。

SPI

物理层模拟：
• SPI通信通常使用四根线：MOSI（主设备输出/从设备输入）、MISO（主设备输入/从设备输出）、SCK（时钟线）和CS（片选线）。在模拟时，可以使用四个GPIO分别作为这四根线。
• 通过软件控制GPIO的电平变化（特别是SCK线的时钟信号），可以模拟SPI通信中的数据同步和传输。
数据链路层模拟：
• SPI的数据链路层相对简单，主要涉及数据的同步传输。
• 在软件模拟中，需要确保在SCK时钟信号的每个周期中，MOSI和MISO线上的数据能够稳定传输。
• 同时，通过控制CS线的电平变化，可以选择与特定的从设备进行通信。
总结
通过软件设定GPIO的电平属性，可以模拟串口、IIC、SPI等通信协议的物理层和数据链路层功能。这种模拟方法在某些情况下非常有用，特别是当硬件资源有限或需要实现特定的通信协议时。然而，需要注意的是，软件模拟的通信速率和稳定性可能受到微控制器性能和编程技巧的限制。因此，在实际应用中需要根据具体需求和环境条件进行权衡和选择

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总结

乱写一气，以后再改