详解usbmon抓取的log各字段的含义

最新推荐文章于 2024-03-23 15:02:52 发布

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本文深入讲解USB协议基础知识，包括USB包类型、事务概念与传输类型，详细解析usbmon抓取日志字段含义，如URB标签、时间戳、事件类型等，通过实例演示如何利用usbmon解决实际问题。

详解 usbmon 抓取的 log 各字段的含义

在上篇文章中，我们已经介绍了如何在 linux 下使用 usbmon 抓取 usb 总线上数据的方法。（https://www.cnblogs.com/shiwenjie/p/8467057.html）

数据抓取到了，但是放眼一看，密密麻麻的全是数字，它们代表什么含义呢？本文将为你揭晓答案。

1. 预备知识

　　在解读 usbmon 抓取的数据包的含义之前，我们需要了解一下与 usb 传输有关的基础知识，这样才能更好的理解数据包的各个字段所代表的含义。

　　务必要明确一点：usb 总线上传输的数据是以包为基本单位的，但是不能随意的使用包来传输数据，必须按照一定的关系把这些不同的包组织成事务（transaction）进行传输。

1.1 usb 包的种类

　　介绍一下 usb 包的种类，总体上分为四类：令牌包、数据包、握手包、特殊包。

1）令牌包

　　令牌包用来发起一次 usb 传输，因为 usb 是主从结构的拓扑结构，所有的数据传输都是由主机发起的，设备只能被动的响应，这就需要主机发送一个令牌包来通知哪个设备进行响应，如何响应。

　　令牌包有 4 种，分别为输出（OUT）、输入（IN）、建立（SETUP）和帧起始（SOF）。各个包的功能见下表：

2）数据包：顾名思义，数据包就是用来传输数据的，可以从主机到设备，也可以从设备到主机，方向由令牌包来指定。

3）握手包：握手包的发送者一般为数据接收者，用来表示一个传输是否被对方确认。在传输正常的情况下，主机/设备会发送一个表示传输正确的 ACK 握手包。

4）特殊包：特殊包用在一些特殊的场合，这里就不介绍了。

1.2 usb 的事务

　　介绍了 usb 包的分类，下面就要着重介绍 usb 的事务（transaction）及传输类型。前面已经说了，我们不能随意的使用 usb 包来传输数据，必须按照一定的关系把这些不同的包组织成事务才能传输数据。

　　那么事务是什么呢？事务通常由三个包组成：令牌包、数据包和握手包。

　　※注意：usbmon 只抓取事务（transaction）中的数据包，不会抓取令牌包和握手包。

　　usb 协议规定了 4 种传输类型：批量传输、等时传输、中断传输和控制传输。其中，批量传输、等时传输、中断传输每传输一次数据都是一个事务；控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程可能包含多个事务。

1.3 usb 的四种传输类型

　　下面用图来简单的表示这四种传输的过程

1）批量传输

2）等时传输

3）中断传输

4）控制传输

2. 分析 usbmon 抓取的 log

　　前面介绍了 usb 协议的一些基础知识，下面就开始分析 usbmon 抓取的 log。

　　贴一张在 ubuntu 下抓取的 4G 模块拨号上网的 log。

下面从左到右分析这些字段代表的含义：

1）URB Tag - URB 标签

　　该字段表示驱动中定义的struct urb 结构体变量在内核空间的地址，可以使用该字段区分不同的 URB 数据包。

　　下面两张图分别是在 64 位和 32 位系统上抓取的数据包。可以看到 URB Tag 字段的长度和系统的位数相同。

2）Timestamp - 时间戳

　　该字段表示的是时间戳，单位是微秒。1微秒 = 10^(-6)秒。

3）Event Type - 事件的类型

　　S - submission，向 usb controller 提交 URB

　　C - callback，URB 提交完成后的回调

　　E - submission error，向 usb controller 提交 URB 发生错误

4）Address word - 地址字段

　　这个字段包含 4 部分，各个部分之间使用分号隔开，这 4 部分分别是 URB 类型及传输方向、usb 总线号、usb 设备地址、端点号。

　　URB 类型及传输方向：usb 有四种传输方式，分别是控制传输(Control)、批量传输(Bulk)、等时传输(Isochronous)和中断传输(Interrupt)。usb 数据的传输方向是以 Host 端为参考对象的，Host 向 usb 设备发送数据那么传输方向就是 Output，Host 读取 usb 设备的数据那么传输方向就是 Input。

　　usb 总线号：该字段表示 usb 总线号，Host 端一般有多个usb controller，每个usb controller 都有一条对应的 usb 总线，使用 usb 总线号区分它们，usb 设备可以挂接到某条总线上。

　　usb 设备地址：该字段表示 usb 设备的地址，每一个 usb 设备经过枚举后在 Host 端都有一个唯一的地址。

　　端点号：表明该次数据传输是 Input/Output 到设备的哪个端点。上图中该字段是 0，就表示这次数据传输使用的是设备的端点 0（控制端点）。

5）URB Status word - URB 的状态

　　这个字段有两种表示形式：　

　　① s + 一串数字

　　② 一串以分号间隔的数字（或单个数字）构成的，这串数字包含下面几个部分：URB status、interval、start frame 和 error count。特别注意一点，该字段不同于 "Address word" 字段，对于不同的传输方式这几部分是可选的，并非所有部分都是必须的，下图是不同的传输方式包含的信息。

　　下面分析不同的传输方式所包含的信息：

　　批量传输：只包含 URB status 这个字段，它对应着 struct urb 结构体中的 status 成员变量，表示 URB 的状态。URB status 仅仅对 Event Type 中的 Callback 有意义，对于 Submission 是无意义的，之所以这么做是为了统一格式，方便使用脚本分析 usbmon 的 log。URB status 的具体含义见内核对于该成员变量的注释。

　　中断传输：URB status 和 Interval，URB status 见前面的分析，Interval 表示该 URB 对端点轮询的间隔时间。
　　等时传输：URB status、Interval、start frame 和 error count。等时传输包含了所有部分，start frame 和 error count 是等时传输所特有的字段，但因为我们的驱动程序中不使用等时传输这种方式，因此这里不做过多的分析。
　　控制传输：控制传输在提交时（S：submission）这个字段是 s，这里的 s 后面紧跟的数据是控制传输的建立过程主机发送的数据包，可以参考前面控制传输的示意图。控制传输在回调时（C：callback），这个字段代表的是 URB status。

6）Setup packet - 控制传输建立阶段的数据包

　　如果是控制传输，这个字段表示控制传输建立阶段主机发给设备的数据包。

　　该字段从左到右的格式如下，括号中的数字表示该部分占用的字节大小：

　　　　bmRequestType(1) + bRequest(1) + wvalue(2) + wIndex(2) + wLength(2)

　　每个字段的含义可以在 usb2.0 规范中找到，这部分与 usb 的标准请求等相关。

7）Data Length - 数据包的长度

　　对于 S(Submission)，Data Length 字段是主机请求发送/读取的数据长度，但是设备并不一定能够接收/发送主机请求的数据长度。实际接收/发送的数据长度在 C(Callback)中的 Data Length 字段。

8）Data tag - 数据标签

　　”=” 后面紧跟数据流
　　“>” 表示这是一次 Output 数据传输
　　“<” 表示这是一次 Input 数据传输

9）Data words follow - 数据流

　　这个字段就是一个事务(transaction)中的数据包，我们平时分析 usbmon 的 log 定位问题，也主要是看这个字段。注意一点，这个字段实际显示的数据 <= Data Length 的值。

3. 使用 usbmon 分析解决问题

　　下面举一个使用 usbmon 定位问题的小例子：
　　客户由于没有正确的根据文档移植驱动，可能在 qmi_wwan 驱动中没有剥除以太网头，就导致 quectel-CM 在通过 dhcp 获取 IP 地址阶段失败，可以通过抓取的 usbmon 的 log 快速的定位问题。
　　下图是 usbmon 抓取的 log，可以看到在 dhcp 阶段，主机发送的数据包是以太网包而非 IP 包，从而导致获取 IP 失败，进而定位到是驱动没有正确的移植。