目录
配置描述符 (Configuration Descriptor)
1. USB基础概念概览
1.1 USB是什么
- Universal Serial Bus - 通用串行总线
- 用于连接计算机和外部设备的标准接口
- 支持热插拔、即插即用
- 主从架构：主机(Host)控制所有通信，设备(Device)响应请求
1.2 USB拓扑结构
Host Controller (主机控制器)
└── Root Hub (根集线器)
├── Device 1
├── Hub 1
│ ├── Device 2
│ └── Device 3
└── Device 4
2. USB层次结构详解
2.1 USB通信层次关系
应用层 ←→ 应用层
↕ ↕
USB驱动层 ←→ 功能层
↕ ↕
USB系统层 ←→ 设备层
↕ ↕
总线接口层 ←→ 总线接口层
(物理连接)
2.2 数据传输的层次结构
传输类型 (Transfer Type)
└── 事务 (Transaction)
└── 包 (Packet)
└── 域 (Field)
3. USB枚举过程深入分析
3.1 枚举过程概述
USB枚举是主机识别和配置新插入设备的过程，包括以下步骤：
- 设备连接检测
- 复位和地址分配
- 描述符获取
- 配置选择
- 驱动程序加载
3.2 详细枚举步骤
步骤1：设备连接检测
- 设备插入时，D+或D-线上的电平变化被Hub检测到
- Hub通过状态变化端点通知主机
- 主机查询Hub状态，确定哪个端口有设备连接
步骤2：设备复位
- 主机对新设备端口执行复位操作
- 复位后设备处于默认状态，地址为0
- 设备准备响应主机的控制传输
步骤3：获取设备描述符
主机发送: GET_DESCRIPTOR (Device)
设备响应: 设备描述符数据
步骤4：分配设备地址
主机发送: SET_ADDRESS (新地址)
设备响应: ACK确认
设备切换到新地址
步骤5：获取完整描述符信息
- 重新获取设备描述符（使用新地址）
- 获取配置描述符
- 获取字符串描述符（如果有）
步骤6：设置配置
主机发送: SET_CONFIGURATION (配置值)
设备响应: ACK确认
设备进入配置状态，可以正常工作
4. USB描述符体系
4.1 描述符层次结构
设备描述符 (Device Descriptor)
└── 配置描述符 (Configuration Descriptor)
└── 接口描述符 (Interface Descriptor)
└── 端点描述符 (Endpoint Descriptor)
4.2 各类描述符详解
设备描述符 (Device Descriptor)
- 作用：描述整个设备的基本信息
- 关键字段：
- bcdUSB: USB版本
- bDeviceClass: 设备类
- idVendor: 厂商ID
- idProduct: 产品ID
- bNumConfigurations: 配置数量
配置描述符 (Configuration Descriptor)
- 作用：描述设备的一种工作配置
- 关键字段：
- wTotalLength: 整个配置的总长度
- bNumInterfaces: 接口数量
- bMaxPower: 最大功耗
接口描述符 (Interface Descriptor)
- 作用：描述设备的一个功能接口
- 关键字段：
- bInterfaceClass: 接口类
- bNumEndpoints: 端点数量
- bAlternateSetting: 备用设置
端点描述符 (Endpoint Descriptor)
- 作用：描述数据传输的端点
- 关键字段：
- bEndpointAddress: 端点地址和方向
- bmAttributes: 传输类型
- wMaxPacketSize: 最大包大小
5. USB请求机制
5.1 标准请求类型
- GET_DESCRIPTOR: 获取描述符
- SET_ADDRESS: 设置设备地址
- SET_CONFIGURATION: 设置配置
- GET_STATUS: 获取状态
- CLEAR_FEATURE: 清除特性
- SET_FEATURE: 设置特性
5.2 请求包格式 (Setup Packet)
字节0: bmRequestType (请求类型和方向)
字节1: bRequest (具体请求)
字节2-3: wValue (请求参数)
字节4-5: wIndex (索引或偏移)
字节6-7: wLength (数据阶段长度)
6. USB传输类型详解
6.1 四种传输类型
控制传输 (Control Transfer)
- 用途：配置设备、发送命令
- 特点：可靠性高，有错误检测和重传
- 阶段：Setup阶段 → Data阶段 → Status阶段
批量传输 (Bulk Transfer)
- 用途：大量数据传输（如文件传输）
- 特点：可靠但不保证时间
- 应用：U盘、打印机等
中断传输 (Interrupt Transfer)
- 用途：小量数据的定期传输
- 特点：保证最大延迟时间
- 应用：键盘、鼠标等HID设备
同步传输 (Isochronous Transfer)
- 用途：实时数据流
- 特点：保证带宽但不纠错
- 应用：音频、视频设备
7. USB事务和包结构
7.1 事务 (Transaction) 结构
一个事务包含：
令牌包 (Token Packet)
↓
数据包 (Data Packet) [可选]
↓
握手包 (Handshake Packet)
7.2 包 (Packet) 类型
令牌包 (Token Packet)
- IN: 主机请求设备发送数据
- OUT: 主机向设备发送数据
- SETUP: 控制传输的建立阶段
数据包 (Data Packet)
- DATA0/DATA1: 数据切换，用于检测重复
握手包 (Handshake Packet)
- ACK: 确认接收成功
- NAK: 暂时无法处理
- STALL: 端点停止或不支持请求
7.3 包的域 (Field) 结构
每个包都包含以下域：
SYNC域: 同步信号 (8位)
PID域: 包标识符 (8位)
地址域: 设备地址 (7位) [令牌包]
端点域: 端点号 (4位) [令牌包]
数据域: 实际数据 [数据包]
CRC域: 循环冗余检验 (5/16位)
EOP域: 包结束标志
8. 接口和端点概念
8.1 接口 (Interface)
- 定义：设备的一个功能单元
- 特点：
- 一个设备可以有多个接口
- 每个接口可以独立工作
- 接口有类代码标识功能类型
8.2 端点 (Endpoint)
- 定义：数据传输的源或目标
- 特点：
- 每个端点有唯一地址（设备地址+端点号）
- 端点0是控制端点，必须存在
- 端点有方向性：IN（设备到主机）、OUT（主机到设备）
8.3 端点地址编码
位7: 方向 (0=OUT, 1=IN)
位6-4: 保留 (000)
位3-0: 端点号 (0-15)
9. 抓包数据解析要点
9.1 分析工具
- Wireshark: 通用网络协议分析器
- USB Analyzer: 专用USB协议分析器
- Bus Hound: Windows下的总线监控工具
9.2 抓包解析步骤
第一步：识别枚举过程
寻找以下关键序列：
1. Hub状态变化通知
2. Port Reset请求
3. GET_DESCRIPTOR (Device)
4. SET_ADDRESS
5. GET_DESCRIPTOR (Configuration)
6. SET_CONFIGURATION
第二步：分析描述符内容
- 提取各级描述符的关键字段
- 构建设备的逻辑结构图
- 理解设备的功能和能力
第三步：跟踪数据传输
- 识别传输类型
- 分析事务序列
- 检查错误处理机制
9.3 常见抓包模式
枚举成功模式
SETUP -> DATA0 -> AC