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[麦麦茶水间] 【每周分享】最近”迷恋“上了USB：又想看看电脑和U盘之间的USB通信报文了

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dffzh 发表于 2026-6-9 19:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
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最近得空时候看过好几种USB设备（键盘、鼠标、HUB等）和电脑（USB主机）的通信报文，当然是通过Wireshark工具抓取数据报文的方式来看的，似乎有一种“迷恋”上了USB的感觉。不过看过的几种USB设备的URB数据传输方式基本是控制传输和中断传输，这不现在又想看看基于批量传输的USB设备了，正好手头有U盘，于是乎，不得不看看电脑和U盘之间的USB通信报文，下面且待我娓娓道来，U盘是通过HUB连接到电脑USB口的，和直接将U盘连接到电脑USB口是一样的：
先开启Wireshark抓包，然后插入U盘，这个时候，就会看到有一大波数据报文已经袭来，当我知道U盘当前的设备地址（device address）后，通过过滤器设置“usb.device_address == 16”只显示与U盘相关的报文，主要截图如下所示，后面拔插过U盘，所以看到的有些报文的设备地址是其他值，不影响报文解读：
太多了，靠后面的很多都是相似的报文，就不全部截图了。
有了报文以后，接下来我们就来解读一下吧。
我大致扫了一下，如果按照报文的URB传输方式来看的话，主要分为两种类型的报文：

一种是基于控制传输（URB_CONTROL， 码值0x02）的报文：
另外一种是基于批量传输（URB_BULK，码值0x03）的报文：
先来看看基于控制传输的相关报文吧。
这些报文基本上每个USB设备都会有的，其主要作用是主机通过多种描述符（设备/配置/接口/HID/端点/字符串描述符）的形式来获取和确定USB设备的相关信息，包括设备类型，厂商信息和设备配置信息等。

1、从设备描述符（Device Descriptor）的报文里面我们可以得到下面这些信息：
就像里面比较显眼的制造商ID，我们就知道当前U盘的制造商是Kingston Technology；
或者我们从bcdUSB字段的值0x0310也可以知道U盘遵循的USB规范版本号是USB3.1。

2、从配置描述符（ConfigurationDescriptor）的报文里面我们可以得到下面这些信息：
我们从bmAttributes字段的值0x0310便可以知道U盘是需要USB总线进行供电的（电脑的5V+GND），且不支持远程唤醒；
从bMaxPower字段的值63便可以知道U盘对电源的要求，即63*2=126mA，因为是以2mA为单位的，即将字段值乘以2。
3、从接口描述符（InterfaceDescriptor）的报文里面我们可以得到下面这些信息：
这里有一点需要特别注意的：

一般的USB设备的程序里，都是把配置、接口、HID和端点几个描述符放到一个数据结构里进行发送的，主机也是通过请求配置描述符的方式来获取这些数据的，所以当你看USB设备的报文时，如果看到两组关于配置描述符的报文，不要觉得意外哦，它们响应主机的报文长度是不一样的：
从接口描述符的数据里面，我们可以清楚地知道U盘的设备类别或者接口类别是Mass Storage（大容量存储设备类）；
还可以知道接口子类别是SCSI transparent command set（SCSI透明命令集），这个看着有点虚，是什么意思呢，其实就是设备通过 USB 总线并使用 SCSI 命令集（如 READ、WRITE、INQUIRE等）进行数据传输，而当主机收到这个值后，便会将该USB设备视为类似硬盘和U盘等存储设备，所以说，每个字段都不是多余的，都会决定后续主机以什么方式来和设备进行数据交互；
还能知道接口协议是仅支持批量传输。
4、从端点描述符（Endpoint Descriptor）的报文里面我们可以得到下面这些信息：

至于端点描述符的个数，由设备端的定义决定，主机请求后，会读取所有的端点描述符。
显而易见，这个U盘有两个端点描述符，对比数据看下，主要的不同是bEndpointAddress字段的两个位置的值不一样，一个是方向：0表示OUT，即电脑->U盘，1表示IN，即U盘->电脑，因此这个输入输出是针对主机而言的；另外一个是端点编号，不同的端点描述符是不一样的，会在设备地址的第三个数值里面体现出来，其实就是数据交互的通道不一样：
另外，这个U盘还有一个SuperspeedEndpoint Companion Descriptor，即超高速端点配套描述符，这是什么呢？这个是 USB3.0以上版本中，紧随标准端点描述符之后的一个扩展描述符，其作用主要是为超高速传输模式提供额外的配置参数，以充分利用USB 3.x的高带宽特性：
其对应的数据结构如下所示：
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  1. typedef struct _USB_SUPERSPEED_ENDPOINT_COMPANION_DESCRIPTOR {
    

  2.   UCHAR  bLength;
    

  3.   UCHAR  bDescriptorType;
    

  4.   UCHAR  bMaxBurst;
    

  5.   union {
    

  6.     UCHAR AsUchar;
    

  7.     struct {
    

  8.       UCHAR MaxStreams : 5;
    

  9.       UCHAR Reserved1 : 3;
    

  10.     } Bulk;
    

  11.     struct {
    

  12.       UCHAR Mult : 2;
    

  13.       UCHAR Reserved2 : 5;
    

  14.       UCHAR SspCompanion : 1;
    

  15.     } Isochronous;
    

  16.   } bmAttributes;
    

  17.   USHORT wBytesPerInterval;
    

  18. } USB_SUPERSPEED_ENDPOINT_COMPANION_DESCRIPTOR, *PUSB_SUPERSPEED_ENDPOINT_COMPANION_DESCRIPTOR;
各个成员字段的含义作简要解释如下：
bLength：
指定此描述符的长度（以字节为单位）；
bDescriptorType：
指定描述符类型；
必须设置为USB_SUPERSPEED_ENDPOINT_COMPANION_DESCRIPTOR；
bMaxBurst：
指定端点作为突发的一部分可以发送或接收的最大数据包数；
bmAttributes：
bmAttributes.AsUchar：指定结构的长度；
bmAttributes.Bulk：
bmAttributes.Bulk.MaxStreams：指定批量终结点支持的最大流数；
bmAttributes.Bulk.Reserved1：保留；
bmAttributes.Isochronous：
bmAttributes.Isochronous.Mult：
指定一个从零开始的数字，该数字确定可在服务间隔内发送到终结点的最大数据包数（bMaxBurst* （Mult + 1）；
bmAttributes.Isochronous.Reserved2：保留；
bmAttributes.Isochronous.SspCompanion：
wBytesPerInterval：每个间隔的字节数。
从这个描述符里面，我们就能看到此U盘的的这些额外配置参数。
5、从字符串描述符（String Descriptor）的报文里面我们可以得到下面这些信息：
此结构主要用于保存设备、配置、接口、类、供应商、终结点或设备字符串描述符：
对应的字符串数据结构如下所示：
复制
  1. typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTOR {
    

  2.   UCHAR bLength;
    

  3.   UCHAR bDescriptorType;
    

  4.   WCHAR bString[1];
    

  5. } USB_STRING_DESCRIPTOR, *PUSB_STRING_DESCRIPTOR;
各个成员字段的含义作简要解释如下：
bLength：
指定描述符的长度（以字节为单位）；
bDescriptorType：
指定描述符类型；
必须始终USB_STRING_DESCRIPTOR_TYPE；
bString[1]：

指向客户端分配的缓冲区的指针，该缓冲区包含从主机控制器驱动程序返回的Unicode字符串，其中包含请求的字符串描述符，字符串的内容是设备自定义的。

在看完描述符数据后，我们来看下大容量存储设备类必有的一个数据报文，就是请求MAX LUN（Logical Unit Number），即设备支持的最大逻辑单元号，也是通过控制传输：
为什么这个U盘的MAX LUN是0呢？
这里涉及到编号规则了，所有存储单元的编号从 0 开始，即MAX LUN + 1 就等于设备上总的存储单元数量；如果一个普通U盘只有一个存储空间，它的MAX LUN就是 0。如果一个读卡器有 4 个插槽，它的MAX LUN应该就是 3。
另外，我们还注意到，此时的具体通信协议是USBMS，即USB Mass Storage，是USB协议中的一部分，表示大容量存储器或者海量存储器，U盘就是利用这个协议开发的。遵从这个协议，即可让USB从设备连接到USB主设备上，并执行文件的读写等操作；一般的操作系统都集成了USBMS协议的驱动，所以U盘等设备插入PC后，才不用安装驱动而能直接使用。
综上，我们可以知道，U盘和电脑通信的时候，涉及的协议主要是USB协议和USBMS协议。

再来看看基于批量传输的相关报文吧。
对于U盘而言，我们应该可以猜到，什么报文需要批量传输？不错，就是那些存储在U盘里的文件啊。
我们主要看报文，基本上都会涉及到SCSI协议：
所谓的SCSI协议，在USB通信报文中，SCSI指的是 Small Computer System Interface（小型计算机系统接口）的一套命令协议；即当属于 Mass Storage Class（大容量存储设备类）的设备插入电脑时，它传输的数据底层其实是把SCSI命令打包在USB报文里进行传输的。
因此，要想理解U盘等大容量存储设备和主机的通信过程，肯定要了解SCSI命令集。

我们先来看下读取U盘容量的报文：
U盘的容量的确是28G，LBA其实是Logical Block Address逻辑块地址的意思。
而接下来为什么会有那么多报文呢？

因为都是通过批量传输的方式在将U盘的数据传输到电脑上面：
我们可以看一个具体传输数据（也就是有效载荷payload）的报文，还包括响应状态Good：
483355个字节大概就是472KB的数据，那些字节很多的基本上都是在传输文件数据：
再比如看一条READ(10)命令的报文，表示从指定扇区开始读取数据：
类似读写LBA的SCSI命令如下所示：
命令       操作码(OpCode)     报文中LBA位置     长度
READ(10)    0x28               第 2-5 字节       32 位
WRITE(10)   0x2A               第 2-5 字节       32 位

再比如最后一条主机通过发送SCSI命令0x1B来控制U盘的物理状态（让设备暂停工作或重新启动）：
如上面所列报文所示，总之一句话：
U盘通常遵循的是USB海量存储设备类 (USB MSC) 规范，使用 SCSI命令集和主机进行通信，其读写命令（如 READ(10) 或 WRITE(10)等，对应可以看到其操作码OpCode分别为0x28和0x2A）都被封装备在 CBW 中进行传输的。
另外，通过数据报文，我们也可以知道批量传输的方向，是电脑到U盘，还是U盘到电脑：
此外，这些基于批量传输的报文，我们该怎么使用过滤器进行查找呢？

因为这些是以SCSI接口协议为基础的，所以按照规则，我们要通过SCSI协议来进行查找和监控，其中CDB的全称是Command Descriptor Block，即命令描述符块：
当你不知道用什么命令来设置过滤器的时候，就按我另外一篇文章那样，直接将字段作为过滤器来设置，然后粘贴到过滤器里面即可，比如我想将SCSI的命令作为过滤器来查找报文：
其中的SBC是SCSI BlockCommands（SCSI块命令）的意思，有很多SBC命令，列举如下：
其实在报文Info的信息下面也大概可以看到是什么命令报文：
比如INQUIRY查询报文，设置过滤器为 ：
scsi_sbc.opcode== 0x03 或者

scsi_sbc.opcodeeq 0x03
再比如我想看下是否有应答状态为Good或者Error的报文，设置过滤器为
scsi.status==0x00  //表示Good

scsi.status==0x01  //表示非Good
其他的依葫芦画瓢，类似操作即可。
不过啊，这些报文太多，涉及的内容和专业术语也比较多，不是简单几天就能研究透彻的，所以暂时也没办法和能力再继续更加深入的写出来，如有机会，待以后得空研究清楚了再贴出来，此处只做个简单的初步认识吧，希望对坛友们有一些用处。







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