USB über Ethernet. Robert Leibl Diplomarbeit. Betreuer: Prof. Dr. Gerhard Schneider Betreuer: Dirk von Suchodoletz

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1 USB über Ethernet Robert Leibl Diplomarbeit Betreuer: Prof. Dr. Gerhard Schneider Betreuer: Dirk von Suchodoletz Lehrstuhl für Kommunikationssysteme, Institut für Informatik, Universität Freiburg

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3 Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich diese Abschlussarbeit selbständig verfasst habe, keine anderen als die angegebenen Quellen/Hilfsmittel verwendet habe und alle Stellen, die wörtlich oder sinngemäß aus veröffentlichten Schriften entnommen wurden, als solche kenntlich gemacht habe. Darüber hinaus erkläre ich, dass diese Abschlussarbeit nicht, auch nicht auszugsweise, bereits für eine andere Prüfung angefertigt wurde. Freiburg, den 30. August 2007 Robert Leibl

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5 Zusammenfassung Durch die Verbreitung des Internets und lokaler Netzwerke steigt die Anzahl der Nutzer von Remote Desktop Applikationen und Thin Client Systemen immer mehr an. Für viele Benutzer ist es zunehmend wichtiger Arbeiten auch auf einem entfernten Rechner durchführen zu können. In gleichem Maße steigt auch die Verfügbarkeit von mobilen Endgeräten, die über den Universal Serial Bus (USB) an einen Computer angeschlossen werden können. Ein lokal angeschlossenes Gerät kann jedoch auf einem entfernten Rechner, an dem der Benutzer angemeldet ist, nicht verwendet werden. Die bisherigen Möglichkeiten um Resourcen zwischen zwei Computern zu verteilen beschränken sich auf spezielle Anwendungen wie Dateisysteme oder Drucker. Es existiert auf Linux Systemen bisher keine Lösung, die eine Netzwerktransparenz bietet, so dass Treiber und Applikationen auf der importierenden Maschine weiterhin funktionieren. Diese Arbeit zeigt ein Verfahren, mit dem USB Geräte unter dem Betriebssystem Linux über eine Ethernet Verbindung an entfernte Rechner exportiert werden können. Dort erscheinen sie so, als ob sie lokal angeschlossen wären. Die importierende Maschine kann, wie für jedes lokale Gerät, einen Treiber auswählen und das Gerät dem Userspace verfügbar machen. Dafür ist keine Modifikation von Gerätetreibern oder Applikationen nötig.

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7 USB über Ethernet Robert Leibl 30. August 2007

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9 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Fragestellung Realisierung Der Universal Serial Bus USB Versionen USB-Geräte Datentransfer Repräsentation von Geräten Das Linux USB Subsystem USB Host Controller Host Controller Treiber USB Gerätetreiber USB Request Blocks Device Klassen Device Klassen im Linux Kernel USBIP Funktionsweise von USBIP Der virtuelle Host Controller Der usbip Gerätetreiber Zusammenspiel von Host Controller und Treiber Der usbip Treiber im Detail Der virtuelle Host Controller im Detail Device Polling Verwendetes Netzwerkprotokoll Verbindungsaufbau Verbindungsaufbau im Userspace Verbindungsabbau Geräteinitialisierung stub driver vhci

10 4 Inhaltsverzeichnis 5. Datenübertragung Protokoll Kontrollnachrichten Datennachrichten Paket Header Datennachrichten vom virtuellen Host Controller Datennachrichten vom usbip Treiber Hotplugging Das Linux Hotplugging Project Parameterübergabe Hotplugging von USB-Geräten Hotplugging bei usbip Konfiguration Alternativen zu Hotplug Überwachung durch das usbip Modul Überwachung durch einen Daemon udev Integration in Remote-Applikationen Gerätemanagement unter Linux udev Thin Clients Remote Desktop Applikationen Problem beim Anlegen von Geräten Veröffentlichen der IP Addresse Lösungsmöglichkeiten Steuern des Gerätezugriffs Anlegen von Geräten mit udev chroot Zusammenfassung 87 A. Quellcode Referenz 88 A.1. Kernel A.2. vhci A.3. usbip B. Kernelmechanismen 99 B.1. struct kvec und kernel sendmsg B.2. Lösen des Treibers und binden an usbip C. Kernel Referenzen 101

11 Inhaltsverzeichnis 5

12 1. Einleitung Durch die inzwischen sehr hohe Verfügbarkeit des Internets und die steigenden Bandbreiten erfreuen sich netzwerkorientierte Anwendungen wachsender Beliebtheit. In Heimnetzwerken geben sich die Bewohner gegenseitig Zugriff auf ihre Arbeitsflächen, Lehrer können sehen, was die Schüler gerade machen und Universitäten laden ganze Betriebssysteme von einer zentralen Maschine. Die Anwendung von Remote-Applikationen ist vielfältig. Oft kommen vergleichsweise einfache Verfahren wie etwa ssh zum Einsatz, aber immer öfter werden auch ganze Applikationen oder gleich der ganze Desktop von einem anderen Rechner importiert. FreeNX oder vnc genießen schon einige Zeit den Ruf mächtige und praktische Anwendungen zu sein, die in vielen Bereichen eingesetzt werden. Noch weiter gehen Thin Client Systeme. Die Maschine, vor der der Anwender sitzt, macht nichts weiter, als Eingaben an einen Server zu senden, und dessen Ausgaben auf dem Monitor anzuzeigen. Mindestens ebenso stark ist die Anzahl kleiner, elektronischer Geräte gestiegen, die Viele täglich mit sich herumtragen. Mobiltelefone, Speichermedien, Abspielgeräte für Musik und Filme, PDAs, und viele mehr. Für diese Geräte hat sich der USB inzwischen als Schnittstelle der Wahl etabliert. Kaum eins dieser Geräte, das nicht über USB an den Computer anzuschließen wäre. Es existieren bereits Hersteller, die nichts außer einem USB Kabel mit ihren Produkten mitliefern. Solche Geräte lassen sie sich allerdings nicht mit vielen netzwerkorientierten Applikationen verbinden. Bei den meisten dieser Remote-Anwendungen gilt, dass die Maschine, die man sieht, nicht die Maschine ist, vor der man sitzt. Ist man auf einer entfernten Maschine angemeldet, so kann man die Geräte der entfernten Maschine in seiner Session sehen, die lokalen Geräte jedoch nicht. So kann ein Student beispielsweise nicht elektronische Vorlesungsskripte vom Zimmernachbarn auf seinen USB Stick laden, wenn er sich dort über vnc angemeldet hat. Ein Außendienstmitarbeiter, der sich von seinem Laptop aus mit dem Firmennetz verbindet und dort Applikationen startet, kann seinen PDA nicht mit seinem Kalender in der Firma synchronisieren.

13 1.1. Fragestellung Fragestellung Ziel dieser Arbeit ist es ein System zu beschreiben, dass USB über Ethernet unter Linux realisiert. Der Universal Serial Bus (USB) ermöglicht das Anschließen von Geräten, wie Festplatten, Kameras oder Audiogeräten an einen Computer. Es soll nun ein System beschrieben werden, das es ermöglicht ein USB-Gerät, welches an den lokalen Rechner angeschlossen ist, mit einem entfernten Rechner (Remote-Host) derart zu verbinden, das der entfernte Rechner das Gerät ansteuern kann, als ob es direkt angeschlossen wäre. Die Datenübertragung zwischen den beiden beteiligten Computern erfolgt über eine Ethernet Verbindung. Eine derartige Verbindung zweier Rechner hat eine Reihe von Anwendungsgebieten. So kann etwa der Zugriff auf Geräte, die sich an einem entfernten Rechnern befinden, hergestellt werden. Beispielsweise soll eine Webcam an einem entfernten Computer kontrolliert werden. Bei Remote-Applikationen oder Thin Clients wird von einem lokalen Computer eine Verbindung auf einen anderen Computer hergestellt, auf dem eine Session des Benutzers läuft. Von dieser Remote-Session soll nun der Zugriff auf lokal angeschlossene USB-Geräte möglich sein. Der USB erlaubt das Hinzufügen von Geräten während des laufenden Systems. Auf diesen Umstand muss Rücksicht genommen werden, denn eine Verbindung der zwei Rechner soll zu jeder Zeit auf- und wieder abgebaut werden können. Ein USB-Gerät ist durch seinen Kabelanschluss an einen Rechner gebunden und das Kabel kann nicht beliebig verlängert werden. Durch eine Übertragung der USB Kommunikation über eine IP Verbindung kann ein beliebig große Entfernung überbrückt werden, so dass es möglich wird USB-Geräte, die sich weit entfernt befinden, lokal zu verwenden. Es existieren bereits Lösungen, die in der Lage sind USB Massenspeichergeräte wie Sticks oder Festplatten an einen Remote-Host zu exportieren. Jedoch sind diese Lösungen oft auf ein netzwerkfähiges Dateisystem aufgesetzt und sind nur in der Lage, eine spezielle Gruppe von Geräten zu bedienen. Andere Systeme stellen USB Drucker über ein Netzwerk bereit. Sicher sind dies nützliche Anwendungen, aber keine bietet eine generelle Möglichkeit ein ganzes Gerät von einem Remote-Server lokal zu benutzen. Verfahren zum Export von Massenspeichergeräten geraten meist ins Straucheln, wenn man versucht das Gerät zu formatieren, beziehungsweise das Dateisystem zu verändern und für einen Netzwerkdrucker muss Software installiert sein, die das Protokoll des ent-

14 8 1. Einleitung sprechenden Print-Servers versteht. Um eine derartige Verbindung und damit den Export von USB Geräten sinnvoll zu ermöglichen ist für viele Anwendungen ein hoher Grad von Automatisierung nötig. So soll es möglich sein, dass USB-Geräte, nachdem sie angeschlossen wurden, automatisch an einen entfernten Rechner exportiert werden und dem Benutzer dort zur Verfügung stehen, wenn er mittels einer Remote-Applikation mit diesem Computer verbunden ist. Insbesonere muss dieser Export ohne das Vorhandensein eines privilegierten Benutzers ablaufen können. Der Exports muss jedoch so gesteuert werden können, dass nicht jedes Gerät sofort exportiert wird. Gewisse USB-Geräte, wie etwa Mäuse, müssen vom Export ausgenommen werden können. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls nötig, dass ein Gerät auf dem Rechner, an den es exportiert wurde, einem Benutzer zugeordnet werden kann. Wenn sich mehrere Benutzer auf dem Server befinden, so müssen die Geräte eines Benutzers vor dem Zugriff der anderen Benutzer geschützt werden Realisierung Diese Arbeit baut auf dem USBIP [11] Projekt auf. USBIP verfolgt den Ansatz USB Pakete in IP Pakete zu kapseln und sie über das Netzwerk zu übertragen. Das Projekt wurde nach Aussage des Entwicklers als Proof-of-Concept für einen Artikel [12] entwickelt. Aufgrund eines Mangels an Zeit und Entwicklern hat sich seither sehr wenig an diesem Projekt verändert. Mit USBIP ist es bereits möglich eine Verbindung zwischen zwei Rechnern herzustellen und auf einem Rechner ein USB-Gerät zu benutzen, das an den anderen angeschlossen ist. Um diese Verbindung aufzubauen ist eine recht aufwendige Konfiguration auf beiden Rechnern nötig. Diese Konfiguration muss jedesmal für jedes Gerät durchgeführt werden. Insbesondere müssen gewisse Schritte auf beiden Seiten von einem privilegierten Benutzer durchgeführt werden und die Auswahl der zu exportierenden USB-Geräte muss von Hand erfolgen, so dass es nicht problemlos möglich ist diesen Prozess zu automatisieren. Es sind also auf beiden beteiligten Systemen Administratorrechte nötig und der Zugriff auf das Betriebssystem muss gegeben sein. Dieser Zugriff ist etwa bei Thin Client Systemen nicht notwendigerweise vorhanden. Bei USBIP muss ein Gerät, das an einen anderen Rechner exportiert werden soll, zunächst zum Export vorbereitet werden. Anschließend kann der andere Rechner das Gerät importieren und es virtuell anschließen. Dieses Szenario erlaubt das lokale Verwenden von Geräten, die an einen entfernten Rechner angeschlossen

15 1.2. Realisierung 9 sind. Für viele Einsatzzwecke ist allerdings die entgegengesetzte Richtung erforderlich, denn bei Remote-Applikationen oder Thin Clients soll ein Gerät vom lokalen Rechner an einen entfernten Rechner, auf dem die Session des Benutzers läuft, exportiert werden. Es wurde nun ein neues Verfahren implementiert das die Anforderungen, die Remote-Applikationen stellen, erfüllt. Das neue Verfahren erlaubt einem Rechner ein lokal angeschlossenes Gerät an einen anderen Rechner zu exportierten, ohne dass dafür für jedes Gerät Aktionen auf dem importierenden Rechner nötig sind. Ein Anwender kann beispielsweise eine ssh Verbindung zu einem anderen Rechner aufbauen, ein lokales Gerät dorthin exportieren und es dort regulär benutzen. Weiterhin wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem neu angeschlossene Geräte automatisch exportiert werden können. Dadurch entfällt der explizite Export von Hand, was insbesondere bei Thin Client Systemen gewünscht ist. Der Benutzer kann bei diesem Verfahren im Vorfeld bestimmen, welche Geräte automatisch exportiert werden sollen, damit es möglich ist gewisse Geräte lokal zu belassen. So ist es nicht immer sinnvoll Mäuse oder Tastaturen zu exportieren, da diese üblicherweise an der lokalen Maschine verwendet werden sollen. Wenn ein neues Gerät angeschlossen wird, so wird anhand verschiedener Regeln entschieden, ob das Gerät exportiert werden soll. In diesen Regeln kann für einzelne Geräte oder im USB Standard definierte Geräteklassen festgelegt werden, ob ein Gerät exportiert, oder vom Export ausgenommen werden soll. Dadurch wird eine einfache und allgemeine Konfiguration möglich. Das Verfahren berücksichtigt die Besonderheiten des USB. Der USB ist ein Bus, an den Geräte während des laufenden Betriebs angeschlossen werden können. Die so angeschlossenen Geräte müssen daher dynamisch konfiguriert werden können, das heißt der Vorgang des Einbindens muss automatisch ablaufen, wenn ein Gerät angeschlossen wird. Diese dynamische Konfiguration ist besonders in Umgebungen nötig, in denen der Benutzer keine Administratorrechte erhalten kann. Ein weiterer Teil besteht im Gerätemanagement auf Seiten des einbindenden Rechners. Ist dort nur ein einziger Benutzer angemeldet, so kann jedes Gerät regulär benutzt werden. Sind dort jedoch mehrere Benutzer angemeldet, so müssen die einzelnen USB-Geräte dem jeweiligen Benutzer zugeordnet werden. USBIP sorgt lediglich dafür, dass ein Gerät an den Rechner exportiert wird, und dort erscheint als wäre es direkt angeschlossen. Um eine Zuordnung von Geräten zu Benutzern zu erreichen werden Verfahren vorgeschlagen, die Geräte ausschlißlich dem Benutzer zugänglich machen, der sie exportiert hat. Die Erweiterung des USBIP Projektes setzte eine ausführliche Analyse des Quellcodes voraus, die sich aufgrund mangelnder Dokumentation als schwierig erwies. Während dieser Analyse konnten zahlreiche Fehlerquellen behoben und die Stabilität des Systems erhöht werden.

16 10 1. Einleitung Die vorgenommenen Veränderungen sind in das Projekt eingeflossen und aufgrund dieser Änderungen sind zwei neue Versionen der Software erschienen.

17 2. Der Universal Serial Bus Der Standard für den Universal Serial Bus (USB) wurde von den Firmen Compaq, Intel, Microsoft und NEC entwickelt. Die Version 1.0 des Standards wurde 1996 veröffentlicht. USB wurde ursprünglich entwickelt, um Telefone an einen PC anschließen zu können. Das System sollte einfach zu verwenden sein und es sollte die Möglichkeit geben, einzelne Ports zu vervielfachen [4]. Der USB ist ein hierarchisches System. Es besteht aus einem Host, der das System kontrolliert, und aus den Geräten, die an den Host angeschlossen sind. Ein Computer kann prinzipiell mehrere USB Hosts besitzen. Die Kommunikation zwischen dem Host und den einzelnen Geräten läuft über ein Master/Slave Protokoll. Kommunikation wird immer vom Host initiiert. Diese Kommunikationsweise enthält einige Nachteile. So kann ein Gerät nicht von sich aus Nachrichten an den Host senden, etwa im Falle einer Mausbewegung oder eines Tastenanschlags an der Tastatur. Stattdessen muss der Host regelmäßig bei den Geräten anfragen. Ebenso kann ein Gerät keine direkte Kommunikation mit einem anderen Gerät herstellen. Es ist daher nicht möglich, dass zum Beispiel eine Digitalkamera Daten direkt an einen Drucker schickt, sondern diese Daten müssen immer vom Host abgeholt und an den Drucker weitergeleitet werden. Diese Nachteile wurden jedoch in Kauf genommen, um dadurch eine einfachere Herstellung entsprechender Geräte zu ermöglichen. Das Master/Slave System verhindert das Aufkommen von impliziten Problemen, die sonst auf einem geteilten Medium auftreten können, wie Kollisionen. Es kann nicht vorkommen, dass zwei Geräte gleichzeitig versuchen den Bus zu benutzen, da kein Gerät unaufgefordert Daten über den Bus schicken kann. Folglich muss auch keines der Geräte eine Logik zur Kollisionsvermeidung implementieren, was die Komplexität der Herstellung, und damit auch die Kosten des Geräts, beeinflusst.

18 12 2. Der Universal Serial Bus 2.1. USB Versionen Der USB Standard befindet sich immer noch in Entwicklung wurde die Version 1.0 veröffentlicht folgte der USB 1.1 Standard, der die Übertragungsgeschwindigkeit von 1.5 MBit/s auf 12 MBit/s anhob. Der zum jetzigen Zeitpunkt aktuelle USB 2.0 Standard wurde schließlich im Jahr 2000 veröffentlicht. Wieder wurde die Übertragungsgeschwindigkeit angehoben, so dass mit dem neuen Standard bis zu 480 MBit/s (60Mbyte/s) Datendurchsatz möglich sind. Es existieren nur sehr wenige Geräte, die den 1.0 Standard implementieren. Üblich sind entweder der Standard 1.1 oder bei neueren Geräten direkt 2.0. Ein Gerät, das einer der Spezifikationen entspricht, unterstützt damit auch alle vorhergehenden Spezifikationen, ist also rückwärtskompatibel. So ist es möglich Geräte, die dem USB 2.0 Standard entsprechen, an einem Host zu betreiben, der dem USB 1.1 Standard entspricht (wenn auch nicht mit der vollen Geschwindigkeit des Geräts), und umgekehrt. Der USB 1.1 Standard sieht zwei mögliche Übertragungsgeschwindigkeiten vor. Low-Speed: 1.5 MBit/s Full-Speed: 12 MBit/s Mit dem USB 2.0 Standard kommt noch eine Dritte hinzu. High-Speed: 480 MBit/s Diese Geschwindigkeiten werden, aufgrund des Protokoll-Overheads, für Nutzdaten nicht ganz erreicht USB-Geräte USB-Geräte fallen in eine von drei Klassen. Host Controller (Master), Hubs und Endgeräte (Slaves). Der Host Controller steht am Anfang einer USB Kette. An ihn werden USB Endgeräte, oder Hubs angeschlossen. Der Host Controller dient als Master und muss regelmässig die an ihn angeschlossenen Geräte, die Slaves, anfragen ob sie Daten versenden möchten. Hubs dienen zur Vervielfältigung von Ports. Sie sind für das System transparent, allerdings benötigen sie einen eigenen

19 2.2. USB-Geräte 13 Treiber und zählen zur maximalen Geräteanzahl hinzu. Eine mögliche Anordnung von USB-Geräten ist in Abbildung 2.1 zu sehen. Host Controller Der Host, beziehungsweise Host Controller kontrolliert die an ihn angeschlossenen Geräte. Er bildet damit die Wurzel eines Baumes, an dessen Blättern sich die Endgeräte befinden. Der Host Controller befindet sich auf dem Mainboard des Computers, oder auf Steckkarten, die wiederum an anderen Bussen wie PCI oder, bei Notebooks, PCMCIA angeschlossen sind. Abbildung 2.1.: Mögliche Anordnung von USB-Geräten Es existieren Systeme, in denen Geräte intern mit dem Host Controller verbunden sind, allerdings werden die Ports des Host Controllers üblicherweise nach außen geführt, wo sie in USB Steckern enden. Über diese Stecker werden dann die weiteren Geräte an den USB angeschlossen. Ein heute üblicher Host Controller bietet zwischen 2 und 6 USB Ports, deren Anzahl durch Hubs erweitert werden kann. Ein Host Controller unterstützt bis zu 127 an ihn angeschlossene Geräte. Hubs Hubs sind Geräte, die einen eingehenden Port vervielfältigen, so dass eine größere Gesamtzahl von Ports verfügbar ist.

20 14 2. Der Universal Serial Bus Hubs können ihren zum Betrieb nötigen Strom über das USB Kabel beziehen (Bus-Powered), oder eine eigene, externe Stromversorgung besitzen (Self- Powered). Obwohl ein Hub im Wesentlichen nur die USB Signale weiterleitet, so zählt er aus Sicht des Hosts doch als eigenes Gerät, das bedeutet, dass er zu der Anzahl der angeschlossenen Geräte hinzuzählt. Endgeräte Von Festplatten, Kameras, Joysticks, Druckern bis hin zu Netzwerkkarten und PDAs existiert eine große Bandbreite von USB Endgeräten. Diese Geräte werden an den Host, beziehungsweise an einen Hub angeschlossen und bilden damit die Blätter des beim Host Controller beginnenden Baumes Datentransfer Werden Daten vom Host zu den Endgeräten gesendet, so wird dies als downstream, in die andere Richtung als upstream bezeichnet. Die Übertragung von Daten erfolgt mittels vier verschiedener Transferarten. Control Transfer Control Transfers dienen dem zuverlässigen Versenden und Empfangen von kleinen Datenpaketen. Mit diesen Paketen werden Geräte konfiguriert. Jedes Gerät muss einen minimalen Satz von Befehlen implementieren, die mit dieser Transferart übertragen werden. Bulk Transfer Bulk Transfers dienen ebenfalls dem zuverlässigen Übertragen von Datenpaketen, die hier jedoch die gesamte zur Verfügung stehende Bandbreite ausnutzen. Diese Transferart wird zum Beispiel bei Festplatten benutzt. Interrupt Transfer Interrupt Transfers sind Bulk Transfers, die regelmäßig angefragt werden. Nachdem der Host Controller einen Interrupt Transfer erhalten hat, wird er das entsprechende Gerät in regelmäßigen Abständen anfragen. Die Abstände zwischen Anfragen betragen üblicherweise zwischen 1 ms und 127 ms. Interrupt Transfers kommen zum Beispiel bei Tastaturen und Mäusen zum Einsatz.

21 2.3. Datentransfer 15 Isochronous Transfer Isochrone Transfers dienen der Übertragung von Datenströmen in Echtzeit, wobei eine festgelegte Bandbreite zur Verfügung steht. Die Übertragung von Isochronous Transfers ist nicht zuverlässig. Mit dieser Transferart werden Audio- oder Videoströme übertragen, bei denen es wichtig ist, das die Daten schnell übertagen werden und ein verlorenen Paket verschmerzt werden kann Repräsentation von Geräten Wenn ein Gerät an den USB angeschlossen wird, so bekommt es vom Host eine 7 Bit lange Identifikationsnummer mitgeteilt. Dies erklärt das Limit von 127 Geräten, die an einen Host angeschlossen werden können. Die Adresse 0 hat dabei einen Sonderstatus. Erhält ein Gerät ein reset Signal, so setzt es die eigene Adresse auf 0. Wenn der Host Controller an einem Port ein neues Gerät entdeckt, so sendet er das reset Signal an dieses Gerät und vergibt anschließend die Identifikationsnummer. Der Host Controller aktiviert dabei immer nur einen Port, an dem sich unkonfigurierte Geräte befinden, damit es nicht zu Adresskonflikten kommt. Anschließend liest der Host den Device Descriptor des Geräts. Dieser Device Descriptor enthält generelle Informationen über das Gerät, wie die Herstellerund Produktkennung, und alle Konfigurationen, die das Gerät besitzt. Diese Konfigurationen werden durch einen oder mehrere Configuration Descriptors dargestellt, die von dem entsprechenden Gerätetreiber aktiviert werden können. Beispielsweise können Geräte, die entweder über den Bus, oder über ein externes Kabel mit Strom versorgt werden, zwei Konfigurationen besitzen. Eine für die Versorgung über den Bus, und eine für die Versorgung von der externen Quelle. Jede Konfiguration wiederum hat ein oder mehrere Interfaces und jedes Interface hat einen oder mehr Endpunkte (endpoints), wie in Abbildung 2.2 dargestellt. Interfaces und Endpunkte besitzen jeweils ihren eigenen Deskriptor. Es kann immer nur eine Konfiguration aktiviert sein. Es gibt sehr wenige Geräte, die mehr als eine Konfiguration haben. Der Interface Descriptor beschreibt eine bestimmte Schnittstelle innerhalb einer Konfiguration. Jedes Interface beschreibt eine eindeutige Menge von Endpunkten in der Konfiguration. Es bietet also eine eindeutige Sicht auf die Endpunkte. Eine Webcam beispielsweise, die Video- und Audioströme liefern kann, könnte

22 16 2. Der Universal Serial Bus ein Interface für Video haben und eins für Audio. Im Gegensatz zu Konfigurationen kann eine beliebige Anzahl von Interfaces gleichzeitig aktiviert sein. Jeder Endpunkt unterstützt eine Art und Richtung der Datenübertragung, etwa Bulk in, oder Interrupt out. Eine Konfiguration darf bis zu 16 Endpunkte für jede Richtung haben. Diese dürfen beliebig auf die Interfaces verteilt werden. Abbildung 2.2.: USB Device Descriptor 2.4. Das Linux USB Subsystem Linux unterstützt USB seit Linux 2.2 und wird stetig weiterentwickelt. USB bildet ein eigenes Subsystem. Der wesentliche Teil dieses Subsystems ist usbcore. usbcore bietet die einheitliche Schnittstelle zu den Host Controller und Device Treibern. Durch diese Schnittstelle wird die Entwicklung neuer Treiber stark vereinfacht. Abbildung 2.3 zeigt die Schichten des Linux USB Subsystems. Auf der untersten Schicht stehen die Host Controller Treiber. Sie kontrollieren das Gerät, an das die USB Peripheriegeräte angeschlossen werden. Die Core Schicht wählt beim Start beziehungsweise beim Einstecken eines Geräts den entsprechenden Host Controller- beziehungsweise Gerätetreiber. Diese Gerätetreiber bilden die dritte Schicht. Sie bedienen die Peripheriegeräte, indem sie Pakete über usbcore und den Host Controller an das Gerät senden.

23 2.4. Das Linux USB Subsystem USB Host Controller Ein Hostcontroller ist zuständig für das Senden und Empfangen von Paketen an seine angeschlossenen Geräte. Der Host Controller bildet damit die Wurzel des USB Baumes. Host Controller Treiber sind herstellerabhänging, jedoch gibt es drei Standards, die die Schnittstelle eines Hostcontrollers festlegen. Universal Host Controller Interface (UHCI) Open Host Controller Interface (OHCI) Enhanced Host Controller Interface (EHCI) (USB 2.0) Für jeden der drei Host Controller existiert ein Linux Treiber, der sich aus dem Namen und dem Kürzel hcd, für Host Controller Driver, zusammensetzt (uhci-hcd, ohci-hcd, ehci-hcd). Abbildung 2.3.: Die Schichten des USB Subsystems Alle Host Controller Treiber bieten dieselbe Schnittstelle. Es ist daher für ein USB-Gerät uninteressant, an welchen Controller es angeschlossen wird. Ein EHCI Controller ist als einziger in der Lage USB 2.0 Geräte zu bedienen, die mit High-Speed (480 Mbit/sec) Geschwindigkeit kommunizieren. Zwar können diese Geräte auch an die anderen beiden Controller angeschlossen werden, jedoch werden sie auf die maximale Geschwindigkeit Full-Speed (12 Mbit/sec) heruntergeregelt Host Controller Treiber Ein Host Controller Treiber wird definiert durch ein struct usb hcd. Der Name steht für USB host controller driver.

24 18 2. Der Universal Serial Bus struct usb hcd { [... ] const struct h c d r i v e r d r i v e r ; / hw s p e c i f i c hooks / [... ] / The HC d r i v e r s p r i v a t e data i s s t o r e d at the end o f t h i s s t r u c t u r e. / unsigned long h c d p r iv [ 0 ] } ; Das struct usb hcd bietet eine abstrakte Repräsentation eines Host Controller Treibers. Dieser Ansatz wurde gewählt um ein allgemeines Framework zu schaffen, das sich leicht zwischen verschiedenen Plattformen austauschen lässt. Die meisten Felder sind nur intern für usbcore relevant. Wichtig ist das Feld driver. Es hat den Typ struct hc driver. Für die Implementierung eines Host Controller Treibers muss diese Struktur erstellt werden. struct h c d r i v e r { const char d e s c r i p t i o n ; / ehci hcd e t c / const char product desc ; / product / vendor s t r i n g / s i z e t h c d p r i v s i z e ; / s i z e o f p r i v a t e data / / i r q handler / i r q r e t u r n t ( i r q ) ( struct usb hcd hcd ) ; / c a l l e d to i n i t HCD and root hub / int ( r e s e t ) ( struct usb hcd hcd ) ; int ( s t a r t ) ( struct usb hcd hcd ) ; / c a l l e d a f t e r suspending the hub / int ( suspend ) ( struct usb hcd hcd, pm message t message ) ; / c a l l e d b e f o r e resuming the hub / int ( resume ) ( struct usb hcd hcd ) ; / c l e a n l y make HCD s t o p w r i t i n g memory and doing I /O / void ( stop ) ( struct usb hcd hcd ) ; / shutdown HCD / void ( shutdown ) ( struct usb hcd hcd ) ; / return c u r r e n t frame number / int ( get frame number ) ( struct usb hcd hcd ) ; / manage i /o r e q u e s t s, d e v i c e s t a t e /

25 2.4. Das Linux USB Subsystem 19 int ( urb enqueue ) ( struct usb hcd hcd, struct u s b h o s t e n d p o i n t ep, struct urb urb, g f p t mem flags ) ; int ( urb dequeue ) ( struct usb hcd hcd, struct urb urb ) ; } ; [... ] Diese Struktur ist eine Sammlung von Funktionszeigern. Sie definiert die Schnittstelle zwischen usbcore und dem Host Controller. Bei der Implementierung eines Host Controller Treibers werden die nötigen Funktionen implementiert und in diesem struct hc driver referenziert. Zusätzlich bietet das struct usb hcd ein Feld für private Daten des Host Controllers. Dieses Verfahren ist dem von anderen Treibern sehr ähnlich. Es wird zunächst festgelegt, welches Interface der Treiber zur Verfügung stellen muss. Der Treiber implementiert dieses Interface in Form von Funktionen und teilt diese dem darüberliegenden System mit. Über das standardisierte Interface kann nun der Zugriff auf die Ressourcen, die der Treiber verwaltet, stattfinden. Interne Informationen kann der Treiber stets aus dem privaten Feld herausholen USB Gerätetreiber Zwar sind Host Controller Treiber auch Gerätetreiber, gemeint sind aber die Treiber, die ein an den Host angeschlossenes Endgerät bedienen. Ein Treiber für ein USB-Gerät bedient ein Interface, nicht das Gerät selbst. Man könnte sie daher als Interface Treiber auffassen. Das bedeutet, dass es prinzipiell möglich ist, dass ein Gerät von verschiedenen Treibern gleichzeitig bedient wird, ein Treiber für jedes Interface. Dies ist jedoch relativ selten. Der Einfachheit halber und ohne Beschränkung der Allgemeinheit, wird hier weiterhin von Geräten die Rede sein. Wenn der Unterschied zwischen Gerät und Interfaces wichtig ist, wird explizit darauf hingewiesen. Ein USB Treiber unter Linux wird durch ein struct usb driver repräsentiert. Dieses ist in linux/usb.h definiert.

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