USB NCM介紹

bigfish99發表於2021-05-29

1 功能概述

USB NCM，屬於USB-IF定義的CDC（Communication Device Class）下的一個子類：Network Control Model，用於Host和Device之間交換乙太網幀。NCM主要用於高速網路場景下比如HSPA和LTE資料服務。NCM協議規範基於ECM改進而來，支援了更高的資料率。

ECM和NCM都適用於IEEE 802.3型別的乙太網功能，可以將IP流量傳輸到外部網路。ECM是為USB全速裝置設計的，特別是支援docsis 1.0電纜調變解調器。儘管ECM功能完備，但它在吞吐量或效率上不能很好地擴充套件到更高的USB速度和更高的網路速度。NCM借鑑了從ECM實現中獲得的經驗，調整了資料傳輸協議，使其實質上更加高效。

使用NCM的主要優點在於它在單個USB批量傳輸中傳輸多個資料包。

NCM功能由一個NCM控制介面和一個NCM資料介面來實現，NCM控制介面用於配置和管理網路功能，NCM資料介面用於傳輸資料。

2 功能框架

NCM的框架如下圖所示：

USB NCM介紹

3 資料傳輸

NCM允許裝置和主機使用一個USB傳輸有效地傳輸一個或多個乙太網幀。USB傳輸被格式化為NCM傳輸塊(NTB)。

有兩種NTB格式：NTB-16和NTB-32。前者用來表示長度小於65536位元組的NTB，後者用來表示不超過4GB的NTB。下圖是NTB-32的格式。

USB NCM介紹

3.1. NTH（NCM傳輸頭）

NTH用來標識NTB，並向接收方提供有關NTB內容的基本資訊。以NTB-32為例，NTH結構的欄位如下：

Signature – ncmh

HeaderLength – NTH長度（位元組）

SequenceNumber – NTB序列號，主要用來debug，function rest後清零。

BlockLength – NTB長度（位元組）

NDPIndex – 首個NDP（NCM資料包指標）在NTB中的偏移位置

3.2. NDP（NCM資料包指標）

NCM資料包指標(NDPs)描述嵌入在NDP中的乙太網資料包。與第NTH結構一樣，定義了兩種形式：NDP16和NDP32。以NDP32為例，NDP結構主要欄位如下：

Signature – ncm0/ncm1

Length – NDP長度（位元組）

NextNdpIndex – 下一個NDP的偏移位置

DatagramIndex[0] – 資料包偏移

DatagramLength[0] – 資料包長度（位元組）

…

一個NDP中可以有多個Datagram，最後的DatagramIndex和DatagramLength的值為0。

4 關鍵描述符

---------------- IAD Descriptor --------------------
bLength                  : 0x08 (8 bytes)
bDescriptorType          : 0x0B
bFirstInterface          : 0x00
bInterfaceCount          : 0x02
bFunctionClass           : 0x02 (Communications and CDC Control)
bFunctionSubClass        : 0x0D
bFunctionProtocol        : 0x00
iFunction                : 0x08 (String Descriptor 8)
 Language 0x0409         : "CDC NCM"
Data (HexDump)           : 08 0B 00 02 02 0D 00 08

IAD Descriptor: Interface AssociationDescriptor，介面關聯描述符，將多個介面組合在一起。

bDescriptorType : 0x0B 表示描述符型別是IAD描述符。

bInterfaceCount : 0x02表示組合的介面數目是2個。

bFunctionClass : 0x02表示CDCclass。

bFunctionSubClass : 0x0D表示NCM subclass.

 ---------------- Interface Descriptor -----------------
bLength                  : 0x09 (9 bytes)
bDescriptorType          : 0x04 (Interface Descriptor)
bInterfaceNumber         : 0x00
bAlternateSetting        : 0x00
bNumEndpoints            : 0x01 (1 Endpoint)
bInterfaceClass          : 0x02 (Communications and CDC Control)
bInterfaceSubClass       : 0x0D (Network Control Model)
bInterfaceProtocol       : 0x00 (No class specific protocol required)
iInterface               : 0x05 (String Descriptor 5)
 Language 0x0409         : "CDC Network Control Model (NCM)"
Data (HexDump)           : 09 04 00 00 01 02 0D 00 05

Interface Descriptor : 介面描述符

bInterfaceNumber : 0x00 標識該介面為介面0

bAlternateSetting : 0x00 如果同一個介面有多個描述符設定，那該值就用來區分是哪個

bNumEndpoints : 0x01表示該介面使用1個端點

bInterfaceClass : 0x02 表示CDC class

bInterfaceSubClass : 0x0D 表示NCM subclass

bInterfaceProtocol : 0x00 表示使用標準協議

介面0用作NCM的control介面。

以下4個CDC InterfaceDescriptor屬於functional descriptor，functional descriptor用來描述class-specific的資訊，從屬於某個標準介面描述符下。

-------------- CDC Interface Descriptor ---------------
bFunctionLength          : 0x05 (5 bytes)
bDescriptorType          : 0x24 (Interface)
bDescriptorSubType       : 0x00 (Header Functional Descriptor)
bcdCDC                   : 0x110 (CDC Version 1.10)
Data (HexDump)           : 05 24 00 10 01

HeaderFunctional Descriptor，CDC class-specific的描述符必須以這個描述符作為起始。

-------------- CDC Interface Descriptor ---------------
bFunctionLength          : 0x05 (5 bytes)
bDescriptorType          : 0x24 (Interface)
bDescriptorSubType       : 0x06 (Union Functional Descriptor)
bControlInterface        : 0x00
bSubordinateInterface[0] : 0x01
Data (HexDump)           : 05 24 06 00 01

Union Functional Descriptor，包含控制介面資訊。

-------------- CDC Interface Descriptor ---------------
bFunctionLength          : 0x0D (13 bytes)
bDescriptorType          : 0x24 (Interface)
bDescriptorSubType       : 0x0F (Ethernet Networking Functional Descriptor)
Data (HexDump)           : 0D 24 0F 06 00 00 00 00 EA 05 00 00 00

Ethernet Networking Functional Descriptor，包含網路卡的資訊，比如MAC地址、統計能力等等。其中MAC地址是通過字串index來間接表示的，位於該描述符第4個位元組，這裡是06，表示StringDescriptor 6中存放了MAC地址。

-------------- CDC Interface Descriptor ---------------
bFunctionLength          : 0x06 (6 bytes)
bDescriptorType          : 0x24 (Interface)
bDescriptorSubType       : 0x1A (Unknown)
Data (HexDump)           : 06 24 1A 00 01 11

NCM Functional Descriptor，0x1A表示NCM Functional Descriptor subtype。

----------------- Endpoint Descriptor -----------------
bLength                  : 0x07 (7 bytes)
bDescriptorType          : 0x05 (Endpoint Descriptor)
bEndpointAddress         : 0x82 (Direction=IN EndpointID=2)
bmAttributes             : 0x03 (TransferType=InterruptPeriodic)
wMaxPacketSize           : 0x0010
bInterval                : 0x09 (9 ms)
Data (HexDump)           : 07 05 82 03 10 00 09

介面0的端點描述符，使用IN-2端點，端點方向為IN（Device->Host），中斷傳輸方式。

---------------- Interface Descriptor -----------------
bLength                  : 0x09 (9 bytes)
bDescriptorType          : 0x04 (Interface Descriptor)
bInterfaceNumber         : 0x01
bAlternateSetting        : 0x00
bNumEndpoints            : 0x00 (Default Control Pipe only)
bInterfaceClass          : 0x0A (CDC-Data)
bInterfaceSubClass       : 0x00
bInterfaceProtocol       : 0x01
iInterface               : 0x07 (String Descriptor 7)
 Language 0x0409         : "CDC Network Data"
Data (HexDump)           : 09 04 01 00 00 0A 00 01 07

介面1的第一種設定（bAlternateSetting: 0x00），沒有分配端點，那麼就沒有實際傳輸功能，暫不清楚其作用。

---------------- Interface Descriptor -----------------
bLength                  : 0x09 (9 bytes)
bDescriptorType          : 0x04 (Interface Descriptor)
bInterfaceNumber         : 0x01
bAlternateSetting        : 0x01
bNumEndpoints            : 0x02 (2 Endpoints)
bInterfaceClass          : 0x0A (CDC-Data)
bInterfaceSubClass       : 0x00
bInterfaceProtocol       : 0x01
iInterface               : 0x07 (String Descriptor 7)
 Language 0x0409         : "CDC Network Data"
Data (HexDump)           : 09 04 01 01 02 0A 00 01 07

介面1第二種設定（bAlternateSetting: 0x01），用做NCM的data介面。分配了兩個端點。

----------------- Endpoint Descriptor -----------------
bLength                  : 0x07 (7 bytes)
bDescriptorType          : 0x05 (Endpoint Descriptor)
bEndpointAddress         : 0x81 (Direction=IN EndpointID=1)
bmAttributes             : 0x02 (TransferType=Bulk)
wMaxPacketSize           : 0x0400 (max 1024 bytes)
bInterval                : 0x00 (never NAKs)
Data (HexDump)           : 07 05 81 02 00 04 00

介面1的端點描述符，使用了IN-1端點，傳輸型別為Bulk。

----------------- Endpoint Descriptor -----------------
bLength                  : 0x07 (7 bytes)
bDescriptorType          : 0x05 (Endpoint Descriptor)
bEndpointAddress         : 0x01 (Direction=OUT EndpointID=1)
bmAttributes             : 0x02 (TransferType=Bulk)
wMaxPacketSize           : 0x0400 (max 1024 bytes)
bInterval                : 0x00 (never NAKs)
Data (HexDump)           : 07 05 01 02 00 04 00

介面1的另一個端點描述符，使用了OUT-1端點，傳輸型別為Bulk。

5 NCM 相關的 Requests 與 Notifications

除了USB標準Requests外，NCM有自己特定的Requests和Notifications。

下表所列的 Requests，GetNtbParameters / GetNtbFormat / GetNtbInputSzie / SetNtbInputSize是必需的，其他是可選的，這幾個必需的 Requests 是與 NCM 傳輸塊（NTB）相關。

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