GSM 07.10 MUX（multiplexer protocol）

Posted 2021-06-28 Frey_Liu

GSM 07.10 MUX（multiplexer protocol）

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multiplexer protocol是GSM中比较重要的协议，在GSM 07.10中对该协议做了详细的描述。它是衔接手机(TE(Terminal Equipment))和模组(MS(Mobile Station))之间的纽带，TE和MS通信，一般是通过一个串口进行，问题在于串口只有一个，而通信的数据类型却有很多种。比如AT Command、voice、 fax、 data、 SMS、CBS、 phonebook、电量状态、GPRS和USSD 等等。如果传输时一个一个来，每种类型的数据都以独占的方式传输(比如在使用GPRS上网时，就不能接收/发送短信)，虽然技术上可行，但是对用户来说不太友好。

multiplexer protocol就是用来解决这个问题的：让不同类型的数据在一个串口上传输，而不至于发生紊乱。想想我们的网卡，通常也只有一个，但可以用它来传输任何数据类型，可以用HTTP协议浏览网页，用FTP协议下载/上传文件，用即时通信协议聊天，这些事情同时进行，而不会发生任何干扰，这一切都是由TCP/IP这一系列的协议来保证的。

multiplexer protocol采用的方法是把一个串口模拟成多个串口，对上层应用程序来说，每一个虚拟的串口和普通串口几乎没有差别，只是每个虚拟串口都只能传输特定类型的数据。下面moto的定义：

VOICE_CALL	“/dev/mux0”
SMS_MO	“/dev/mux1”
SMS_MT	“/dev/mux2”
PHONEBOOK	“/dev/mux3”
MISC	“/dev/mux4”
CSD	“/dev/mux5”
GPRS1	“/dev/mux6”
GPRS2	“/dev/mux7”
CSD	“/dev/mux8”
GPRS1	“/dev/mux9”
GPRS2	“/dev/mux10”
LOGGER_CMD	“/dev/mux11”
LOGGER_DATA	“/dev/mux12”
TEST_CMD	“/dev/mux13”
AGPS	“/dev/mux14”
NET_MONITOR	“/dev/mux15”

多个虚拟串口上的数据最终要在一个串口上传输，所以需要用一个标识来区分它们，这就是Data Link Connection Identifier (DLCI)。其中DLC0比较特殊，它用于在MS和TE之间传递管理和控制数据包。比如建立其它DLCI、参数协商和退出multiplexer状态等等。

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multiplexer protocol的协议栈

• 最上层是应用层，应用层协议与具体应用有关，比如传递AT Command、Voice和GPRS数据，不同应用的协议是不一样的。
• 最下层是物理层，即串口协议，描述了诸如起始位，校验方式和速率等等。
• Multiplexer Layers: 传递字节流数据。
• Convergence Layers: 传递结构化数据。

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MUX帧结构

multiplexer protocol有三种工作模式：基本模式、不带错误恢复的高级模式和带错误恢复的高级模式。

multiplexer protocol定义了下面这些类型服务：

• Start up services 进入multiplexer模式。
• DLC establishment services 建立DLC连接，每个连接对应一个虚拟串口。
• Data services 传输数据。
• Power Control services 电源管理，进入睡眠和唤醒。
• DLC Release services 断开DLC连接。
• Close down services退出multiplexer模式。
• Control Services 控制服务，主要用于设置一些参数，比如超时时间，重传次数和速率等等。

基本协议数据单元（PDU）格式如下：

Flag	Address	Control	Length Indicator	Information	FCS	Flag
1 octet	1 octet	1 octet	1 or 2 octets	Unspecified length but integral number of octets	1 octet	1 octet

• Flag是帧开始与结尾的标记，占一个字节，是一个常量值，在Basic模式里为0x9F。一次可传输多个帧，上一帧的结尾标记可作为下一帧的开始标记；
• Address占一个字节，3~8bit表示MUX通道编号，1bit是扩展位，固定为1，2bit标记当前是命令帧还是响应帧；
• Ctrl占一个字节，表示数据包的类型，其中5bit是P/F位；
• Len占一到两个字节，1bit是扩展位，如果内容字段长度小于0x7F，Len占一个字节，扩展位为1，内容长度占Len的2~8bit；
• Information是实际传输的数据。
• FCS 是校验字节，是Flag后面，Info前面内容的校验信息，如果是UI类型的帧，还包含Info部分，校验算法文档有给出；

Control是用来描述数据包类型的，其描述如下：

Frame Type	1	2	3	4	5	6	7	8	Notes
SABM (Set Asynchronous Balanced Mode 建立逻辑通道)	1	1	1	1	P/F	1	0	0	-
UA (Unnumbered Acknowledgement 响应建立通道)	1	1	0	0	P/F	1	1	0	-
DM (Disconnected Mode 响应取消逻辑通道)	1	1	1	1	P/F	0	0	0	-
DISC (Disconnect 取消逻辑通道)	1	1	0	0	P/F	0	1	0	-
UIH (Unnumbered Information with Header check)	1	1	1	1	P/F	1	1	1	-
UI (Unnumbered Information)	1	1	0	0	P/F	0	0	0	Optional

所有在TE和MS间传输的帧都是上面描述的结构，部分控制帧没有Info字段，用Ctrl表示帧类型，AT命令等数据内容通常使用UIH类型帧传输。

上述的PDU(short address/short length)在程序中表示如下：

typedef struct{
    __u8 ea:1;
    __u8 cr:1;
    __u8 d:1;
    __u8 server_chn:5;
} __attribute__((packed)) address_field;

typedef struct{
    __u8 ea:1;
    __u8 len:7;
} __attribute__((packed)) short_length;

typedef struct{
    address_field addr;
    __u8 control;
    short_length length;
} __attribute__((packed)) short_frame_head;

typedef struct{
    short_frame_head h;
    __u8 data[0];
} __attribute__((packed)) short_frame;

在linux下虚拟串口，主要是实现一个tty_driver，和其它驱动程序一样，要实现诸如打开、关闭、读、写、控制等函数。下面我们看看数据的发送过程，也就是write函数的实现。

函数原型：
static int mux_write(struct tty_struct * tty, int from_user, const unsigned char *buf, int count)

检查状态：
    dlci = tty2dlci[line];

    if( ts0710->dlci[0].state == FLOW_STOPPED ){
        TS0710_DEBUG("Flow stopped on all channels, returning zero /dev/mux%d/n", line);
        return 0;
    } else if( ts0710->dlci[dlci].state == FLOW_STOPPED ){
        TS0710_DEBUG("Flow stopped, returning zero /dev/mux%d/n", line);
        return 0;
    } else if( ts0710->dlci[dlci].state == CONNECTED ){

准备数据包：
    send_info->frame = d_buf;
    queue_uih(send_info, c + 1, ts0710, dlci);

发送数据包：
    mux_sched_send

static void queue_uih(mux_send_struct *send_info, __u16 len, ts0710_con *ts0710, __u8 dlci)
{
    __u32 size;

    长数据包：
    if (len > SHORT_PAYLOAD_SIZE) {
        long_frame *l_pkt;
        size = sizeof(long_frame) + len + FCS_SIZE;
        l_pkt = (long_frame *) (send_info->frame - sizeof(long_frame));
        set_uih_hdr((void*)l_pkt, dlci, len, ts0710->initiator);
        l_pkt->data[len] = crc_calc((__u8*) l_pkt, LONG_CRC_CHECK);
        send_info->frame = ( (__u8*)l_pkt ) - 1;
    } else {
      
        短数据包：
        short_frame *s_pkt;

        size = sizeof(short_frame) + len + FCS_SIZE;
        s_pkt = (short_frame *) (send_info->frame - sizeof(short_frame));
        set_uih_hdr((void *)s_pkt, dlci, len, ts0710->initiator);
        s_pkt->data[len] = crc_calc((__u8*) s_pkt, SHORT_CRC_CHECK);
        send_info->frame = ( (__u8*)s_pkt ) - 1;
    }
    send_info->length = size;
}

static void set_uih_hdr(short_frame *uih_pkt, __u8 dlci, __u32 len, __u8 cr)
{
    uih_pkt->h.addr.ea = 1;
    uih_pkt->h.addr.cr = cr;
    uih_pkt->h.addr.d = dlci & 0x1;
    uih_pkt->h.addr.server_chn = dlci >> 1;
    uih_pkt->h.control = CLR_PF(UIH); /*奇怪：为什么不是SET_PF */

    if (len > SHORT_PAYLOAD_SIZE) {
        SET_LONG_LENGTH( ((long_frame*) uih_pkt)->h.length, len );
    } else {
        uih_pkt->h.length.ea = 1;
        uih_pkt->h.length.len = len;
    }
}

Multiplexer是一个对称的协议，也就是说协议连接的双方是对等的，谁都可以发起请求，设置控制参数，或者断开连接(不过要注意应用层协议是非对等的)。

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DLC的创建与释放流程

应用打开设备准备发送数据前，MUX驱动会阻塞在打开进程中，直到打开成功。MUX驱动在收到打开消息时，会向打开通道发送SABM帧，如果DLC0此时没有被打开，还会先在DLC0上执行一次打开操作，待DLC0打开成功后才允许打开别的DLC通道。

一般来说，CP侧收到SABM帧后会响应UA帧表示建立通道，AP收到UA帧再返回打开成功状态。关闭DLC时发送DISC帧，等待响应DM帧时表示DLC关闭成功。理论上打开与关闭是对等的，AP与CP侧都可以主动发起，但项目实现中只有AP可以发起打开与关闭，并且HSIC通道0固定运行MUX协议，不能被关掉。以下给出理论上DLC打开与关闭流程。

另外，MUX驱动中还支持一个MSC(Modem Status Command), PN(Port Negotiation)等，主要是AP与CP侧MUX驱动同步一些状态，参考协议文档了解具体信息。

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GSM 07.10 MUX 协议驱动解析