1、usbip 框架

参考：https://blog.csdn.net/litao31415/category_9292335.html

1.1 usbip 功能介绍

usbip驱动提供了linux下USB 透传(bypass)的功能，或者说usb over tcp，利用以太网，将usb 设备共享到另外一端。

usbip分为两端：server端和client端，它们分别运行在不同的linux主机中，其中运行server端插入usb 设备（如U盘等），用于共享。此时client端就可以 attach 到server端，此时client端就能看到 u盘，它以为真的有一个 u盘插入本机，并为其安装驱动，效果跟在本机上直接插入U盘无异，实现了 u盘共享，或者USB延长器的功效。

1.2 usbip 使用介绍

内核的根目录下tools/usb/usbip，这个是应用程序的，用来配置（控制）usbip驱动。

usbip有一套协议，协议文档在kernel 源码根目录下的drivers/usb/usbip/usbip_protocol.txt，比较新的版本在Documentation/usb/usbip_protocol.txt。

1.2.1 server 端

在server端PC上：
（1）加载驱动，运行应用程序；

sudo modprobe usbip-host //加载server 端驱动obj-$(CONFIG_USBIP_HOST) += usbip-host.ousbip-host-y := stub_dev.o stub_main.o stub_rx.o stub_tx.
usbipd -D                   //运行usbipd程序，该守护进程用于建立TCP socket连接等

（2）插入一个U盘/鼠标，此时usbip list -l应该能列举出设备，用于查看busid：

usbip list -l- busid 2-1.1 (046d:c077)Logitech, Inc. : M105 Optical Mouse (046d:c077)

（3）绑定U盘，以便于共享，有complete字眼说明绑定成功：

usbip bind -b 2-1.1          //将usb 绑定到usbip-host 驱动下usbip: info: bind device on busid 2-1.1: complete
usbip unbind -b 2-1.1       //解绑，用于关闭usb的共享

1.2.2 client 端

在client端 PC 上：
（1）加载驱动；

modprobe vhci-hcdobj-$(CONFIG_USBIP_VHCI_HCD) += vhci-hcd.ovhci-hcd-y := vhci_sysfs.o vhci_tx.o vhci_rx.o vhci_hcd.o

（2）列举出server端已经导出的 usb 设备；

#usbip list –r <server端ip地址>
usbip list -r 192.168.100.191

（3）将server 端的 usb 设备attach到本地client；

#usbip attach -r <server端ip地址> -b <busid>
usbip attach -r 192.168.100.191 -b 2-1.1
usbip detach -p 0           #可以断开usb设备

2、usbip 实现

驱动源码目录（server 和 client）：\drivers\usb\usbip

2.1 usbip 实现原理

server和client两边在恰当的时机分别隔断各自系统的 usb 通信流程，然后巧妙地交换数据，各自系统都察觉不到。

在C/S模式中基本都是client发出请求，阅读usbip工具代码可以知道，tcp 的创建和建立连接均在应用程序usbip工具上创建，至于驱动需要使用 socket 时，是采取将 socket 的描述符传入内核，内核利用这个句柄，就能直接利用这个已打开的socket进行通信，无需再在内核建立连接之类的，linux内核会使用kernel_sendmsg和kernel_recvmsg发送和接收 tcp 数据。

client端是使用“usbip attach -r 192.168.100.191 -b 2-1.1”把usb 设备 attach 到本地的，其实这个工具的attach 操作就是类似于 usb 的“热插拔”，踢一下 vhci-hcd 虚拟出来的主机控制器的 root hub（任何主机控制器都有一个根hub），这时 hub.c就以为有真实的 usb设备插入。

只要我们模拟出root hub端口号以及端口状态值给hub.c，就能蒙骗它，让它以为真的有硬件插入，此时hub.c就会发出枚举usb设备的“请求设备描述符”给root hub，最后给到urb_enqueue，vhci-hcd就是实现一个vhci_urb_enqueue，并注册到struct hc_driver对象的.urb_enqueue成员函数里，vhci_urb_enqueue的功能不是像真实主机控制器驱动那样，操控寄存器，操控DMA，而是通过socket发送出去，给server端的真实主机控制器那边接收，由于server端（usbip-host）真的存在有usb主机控制器，所以把从client(vhci-hcd)的socket发出来的usb数据接收到，重新组装好urb，通过usb core模块的usb_submit_urb接口传给真实的主机控制器里，就能跟接在host端pc的U盘通信了，既然链路已经通了，client端的U盘驱动的其他操作（写入U盘数据或者读取U盘里的文件等）就能按照上面的链路走了，能完全操控host端的真实的U盘了！

2.1 client 端

2.1.1 usbip attach

vhci_start()函数的最后，注册了sysfs 的用户界面，用于配置 vhci-hcd 驱动。

usbip attach -r 192.168.100.191 -b 2-1.1     // usbip应用程序== attach_store()                 // 内核驱动接口drivers/usb/usbip/vhci_sysfs.c== vdev->ud.tcp_rx = kthread_get_run(vhci_rx_loop, &vdev->ud, "vhci_rx"); //创建两个内核线程== vdev->ud.tcp_tx = kthread_get_run(vhci_tx_loop, &vdev->ud, "vhci_tx");== vhci_tx_loop(void *data);== wait_event_interruptible(vdev->waitq_tx,(!list_empty(&vdev->priv_tx) ||!list_empty(&vdev->unlink_tx) ||kthread_should_stop()));           // 等待唤醒发送数据== rh_port_connect(vdev, speed);   // 踢一下vhci-hcd虚拟出来的主机控制器的root hub，让hub.c以为有真实的usb设备插入== usb_hcd_poll_rh_status(struct usb_hcd *hcd);== hcd->driver->hub_status_data(hcd, buffer);== vhci_hub_status(struct usb_hcd *hcd, char *buf);     // buf: a bitmap to show which port status has been changed== usb_hcd_unlink_urb_from_ep(hcd, urb);   == usb_hcd_giveback_urb(hcd, urb, 0);     //vhci_hub_status 有change 发生== urb->complete(urb);         //urb 的完成函数 hub_irq== hub_irq()           //hub.c  usb_fill_int_urb(hub->urb, hdev, pipe, *hub->buffer, maxp, hub_irq,== kick_hub_wq(hub);== hub_event()        //INIT_WORK(&hub->events, hub_event);== port_event(hub, i);== hub_port_connect_change()== hub_port_connect()== hub_port_init()== usb_new_device(udev);== usb_enumerate_device(udev); //开始枚举== device_add(&udev->dev);       //枚举完毕后加载设备驱动

2.1.2 vhci_urb_enqueue

client 端通过 usb-storage 设备驱动与 U盘进行数据交流。

== usb_submit_urb(urb, GFP_KERNEL);        // urb就是从上层驱动（usb-skeleton.c或者U盘驱动、hid键鼠驱动等）传下来== usb_hcd_submit_urb(urb, mem_flags);== hcd->driver->urb_enqueue(hcd, urb, mem_flags);== vhci_urb_enqueue(struct usb_hcd *hcd, struct urb *urb, gfp_t mem_flags);== usb_hcd_link_urb_to_ep(hcd, urb);   // hcd主机控制器把urb放入端点队列中，等待底层发送== vhci_tx_urb(urb, vdev);        == list_add_tail(&priv->list, &vdev->priv_tx);      // 通过分配 struct vhci_priv 实例，填充 urb 并加入到 priv_tx 队列== wake_up(&vdev->waitq_tx);      // 唤醒发送线程 vhci_tx_loop() 进行发送== vhci_tx_loop();       // 发送线程是没有跑的，只有唤醒事件发生才有发送数据== vhci_send_cmd_submit(vdev);== dequeue_from_priv_tx(vdev);      // 从 priv_tx 队列提取出urb，并插入到另外一个 priv_rx 队列中，最后将urb通过IP发送（USBIP_CMD_SUBMIT）== kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,struct kvec *vec, size_t num, size_t size);        //发送数据== sock_sendmsg(sock, msg);

// 接收线程是一直在跑的，除非有停止事件发生
== vhci_rx_loop(void *data);== vhci_rx_pdu(ud);== usbip_recv(ud->tcp_socket, &pdu, sizeof(pdu));== sock_recvmsg(sock, &msg, MSG_WAITALL);== vhci_recv_ret_submit(vdev, &pdu);== pickup_urb_and_free_priv(vdev, pdu->base.seqnum); //从priv_rx队列中提取符合帧序号的urb(发送时和接收的均使用同一个urb对象，所以要利用seqnum来找回之前发送时用的那个urb，类似于“回话ID”的概念)，并删除在priv_rx的节点== usb_hcd_unlink_urb_from_ep(vhci_hcd_to_hcd(vhci_hcd), urb);== usb_hcd_giveback_urb(vhci_hcd_to_hcd(vhci_hcd), urb, urb->status);== urb->complete(urb);       //返回给设备驱动程序

2.2 server 端

2.2.1 初始化

驱动初始化，创建sys 节点：

/sys/bus/usb/drivers/usbip-host # ls
bind         match_busid  module       rebind       uevent       unbind

== usbip_host_init();== usb_register_device_driver(&stub_driver, THIS_MODULE);       // 注册一个device_driver== driver_create_file(&stub_driver.drvwrap.driver, &driver_attr_match_busid); // 创建 match_busid 节点== sysfs_create_file(&drv->p->kobj, &attr->attr);    // driver 的kobj== driver_create_file(&stub_driver.drvwrap.driver, &driver_attr_rebind);       // 创建 rebind 节点

2.2.2 bind

当用户态使用工具“usbip bind -b <busid>”时，usbip-host 驱动就会调用 rebind_store()，它调用了device_attach(&bid->udev->dev)，使得usb 设备（U盘/鼠标等）从原来的驱动（U盘驱动/HID鼠标驱动）中脱掉，然后改为挂到 usbip-host 驱动下，这样 server 这端的 u盘就能跟 usbip-host 驱动通信了，自然就能获取到跟 U盘通信的 urb 对象了，为后续通过 tcp传输 urb 打下了坚实的基础！

== rebind_store(struct device_driver *dev, const char *buf, size_t count);== do_rebind(char *busid, struct bus_id_priv *busid_priv);== device_attach(&busid_priv->udev->dev);        // try to attach device to a driver// 驱动重新绑定成功后，执行probe
== stub_probe(struct usb_device *udev);== stub_device_alloc(udev);              // 构建 struct stub_device *sdev;== dev_set_drvdata(&udev->dev, sdev);   // set private data to usb_device== usb_hub_claim_port(udev->parent, udev->portnum, (struct usb_dev_state *) udev);     // 霸占一个usb hub的port

// struct attribute_group **dev_groups; 注意dev_group 的用法
struct usb_device_driver stub_driver = {.name      = "usbip-host",.probe        = stub_probe,.disconnect   = stub_disconnect,
#ifdef CONFIG_PM.suspend    = stub_suspend,.resume     = stub_resume,
#endif.supports_autosuspend =  0,.dev_groups   = usbip_groups,            //提供attr 文件系统操作接口
};static ssize_t usbip_sockfd_store(struct device *dev, struct device_attribute *attr,const char *buf, size_t count)
{...
}
static DEVICE_ATTR_WO(usbip_sockfd);    //对应 dev_attr_usbip_sockfd.attr,static struct attribute *usbip_attrs[] = {&dev_attr_usbip_status.attr,&dev_attr_usbip_sockfd.attr,&dev_attr_usbip_debug.attr,NULL,
};
ATTRIBUTE_GROUPS(usbip);            // 对应前面的.dev_groups = usbip_groups,

2.2.3 rx & tx

// 上层sys 节点操作 attr
== usbip_sockfd_store();== socket = sockfd_lookup(sockfd, &err);       // 从用户态获取到socket后，转换成内核适用的socket对象== sdev->ud.tcp_socket = socket;         // 并保存到本驱动的描述结构体（struct stub_device）中== sdev->ud.sockfd = sockfd;== sdev->ud.tcp_rx = kthread_get_run(stub_rx_loop, &sdev->ud,"stub_rx");    //创建内核线程，接收来自vhci-hcd驱动的urb命令消息== sdev->ud.tcp_tx = kthread_get_run(stub_tx_loop, &sdev->ud,"stub_tx");   //创建内核线程，发送本地usb交互产生的urb消息给对端的vhci-hcd

== stub_rx_loop(void *data);== stub_rx_pdu(ud);== usbip_recv(ud->tcp_socket, &pdu, sizeof(pdu));== sock_recvmsg(sock, &msg, MSG_WAITALL);== stub_recv_cmd_submit(sdev, &pdu);== priv->urbs[0] = usb_alloc_urb(np, GFP_KERNEL);    //分配好一个空白的urb对象== priv->urbs[i]->complete = stub_complete;         //注册回调函数== usb_submit_urb(priv->urbs[i], GFP_KERNEL);      //提交urb，

usb 主机控制器驱动（hcd）的.urb_enqueue就会收到提交的 urb，最后通过 DMA 把数据传给 SOC 的usb 控制器，给到U盘，U盘如果处理完了，就把数据发给 usb主机控制器驱动（hcd），最后归还端点（譬如调用usb_hcd_unlink_urb_from_ep()和usb_hcd_giveback_urb()），这时usb core 就会回调完成函数stub_complete()，完成一次 U盘交互过程。

== stub_complete(struct urb *urb)；== list_move_tail(&priv->list, &sdev->priv_tx);       //将承载有urb的链表节点（node）pop出去，然后改为放到发送链表priv_tx中，用于就绪从usbip-host发送到vhci-hcd== wake_up(&sdev->tx_waitq);        //唤醒发送线程，进行tcp组包和发送== stub_tx_loop(void *data);        // 将数据发送给client 端vhci== stub_send_ret_submit(struct stub_device *sdev);== dequeue_from_priv_tx(vdev);       // 从 priv_tx 队列提取出urb== kernel_sendmsg(struct socket *sock, struct msghdr *msg,struct kvec *vec, size_t num, size_t size);        //发送数据== sock_sendmsg(sock, msg);

3、unlink 操作

unlink 的 urb 是 U盘驱动下发 usb_unlink_urb(struct urb *urb)、 usb_kill_urb(struct urb *urb)等时发出的，unlink 通常是出现在卸载驱动前，回收之前通过usb_submit_urb但还没有 complete 的urb，或者出现异常了，需要 kill 掉之前的 urb 等情况。

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