5G模组控制协议之QMI和MBIM简介

概述

在 4G/5G 蜂窝模组（尤其是 Qualcomm 平台）与主机（Host）的通信中，MHI/PCIe/USB 解决的是“底层数据怎么搬运”的问题，而 QMI 和 MBIM 解决的是“上层业务怎么控制”的问题。

简单来说：QMI 和 MBIM 是主机用来控制 Modem（如查询信号、配置 APN、发起拨号、获取 IP 地址）的控制面协议。

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1. 控制面协议的演进背景

早期 3G 时代，模组控制主要靠 AT 命令（如 AT+CGDCONT, ATD*99#）。
到了 4G/5G 时代，网络变得极其复杂（涉及 IPv4v6 双栈、多 PDN、QoS、复杂的漫游和载波聚合），AT 命令的文本解析效率和扩展性已无法满足需求。因此诞生了两大二进制控制协议：

1. **QMI (Qualcomm MSM Interface)**：高通私有协议，事实上的行业标准。
2. **MBIM (Mobile Broadband Interface Model)**：微软牵头、USB-IF 制定的开放标准，旨在统一各厂商接口。

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2. QMI 详解 (Qualcomm MSM Interface)

2.1 QMI 的核心架构

QMI 采用客户端-服务端 (Client-Server) 和服务化 (Service-oriented) 的架构。
Modem 内部运行着多个 QMI 服务（Service），Host 作为客户端向这些服务发送请求（Request），Modem 返回响应（Response），或者 Modem 主动上报指示（Indication）。

核心 QMI 服务 (Service ID)

服务名称	Service ID	作用
CTL (Control)	0x00	客户端分配、版本协商、同步
WDS (Wireless Data Service)	0x01	最核心：数据会话管理（拨号、挂断、获取 IP、配置 APN）
DMS (Device Management Service)	0x02	设备管理：获取 IMEI、MEID、固件版本、设备状态、PIN 码管理
NAS (Network Access Service)	0x03	网络接入：查询/注册网络、信号强度、小区信息、PLMN
WMS (Wireless Messaging Service)	0x05	短信收发
PDS (Position Determination Service)	0x06	GPS/GNSS 定位数据
UIM (User Identity Module)	0x0B	SIM 卡管理：读取 IMSI、ICCID、SIM 卡状态
WDA (Wireless Data Admin)	0x1A	数据链路协议配置（如设置 Raw IP 或 802.3 以太网模式）

2.2 QMI 消息格式 (TLV 模型)

QMI 消息高度依赖 TLV (Type-Length-Value) 结构。一个 QMI 消息由 Header 和多个 TLV 组成。

+----------------+----------------+----------------+
| QMI Header     | TLV 1 (Mandatory)| TLV 2 (Optional) | ...
+----------------+----------------+----------------+

QMI Header (标准 7 字节):

• Control Flag: 标识是控制消息还是数据消息。
• Transaction ID: 事务 ID，用于匹配 Request 和 Response。
• Message ID: 消息 ID（如 Start Network, Get Signal Strength）。
• Length: 后续 TLV 的总长度。

TLV 结构:

• Type (1 Byte): 参数类型（如 0x01 代表 APN 字符串，0x11 代表 IP 类型）。
• Length (2 Bytes): Value 的长度（小端序）。
• Value (N Bytes): 实际数据。

2.3 QMI 的典型拨号流程

1. 初始化：Host 发送 CTL_GET_VERSION_INFO 获取 Modem 支持的 QMI 版本。
2. 分配客户端：Host 为需要的服务（如 WDS, NAS）发送 CTL_ALLOCATE_CID，获取 Client ID。
3. 查卡与注网：通过 UIM 和 NAS 服务查询 SIM 卡状态和信号，等待注册成功。
4. 配置 APN：通过 WDS 服务发送 WDS_SET_PROFILE_SETTINGS 或直接在 Start Network 中携带 APN。
5. 发起拨号：Host 发送 WDS_START_NETWORK_INTERFACE (携带 APN, 用户名, 密码, IP 类型)。
6. 获取 IP：Modem 返回 Packet Data Handle，Host 发送 WDS_GET_CURRENT_SETTINGS 获取分配的 IP 地址、DNS、Gateway。
7. 数据通信：控制面完成，数据面通过 MHI/USB 的 IP 通道开始传输。

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3. MBIM 详解 (Mobile Broadband Interface Model)

3.1 MBIM 的核心架构

MBIM 由微软主导，设计初衷是解耦控制与数据，并标准化 USB 宽带设备的接口。
在 MBIM 架构中：

• 控制面：使用 MBIM 协议（基于 USB CDC 或 MHI 控制通道）。
• 数据面：强制使用 NCM (Network Control Model) 或 Raw IP，不使用传统的 RNDIS 或 PPP。

MBIM 没有 QMI 那种细粒度的“服务 (Service)”概念，而是采用设备能力 (Device Capabilities) 和上下文 (Context/Session) 的概念。

3.2 MBIM 消息格式

MBIM 消息分为两类：Control Message (控制消息) 和 **Data Message (数据消息，用于分片)**。

MBIM Control Message Header (12 字节):

+-------------+--------------+----------------+----------------+
| MessageType | MessageLen   | TransactionId  | FragmentHeader |
+-------------+--------------+----------------+----------------+

• MessageType: 如 MBIM_MSG_TYPE_COMMAND, MBIM_MSG_TYPE_FUNCTION_ERROR。
• FragmentHeader: 用于大消息的分片（Total Fragments, Current Fragment）。

InformationBuffer (载荷):
MBIM 的载荷通常不是纯 TLV，而是**预定义的 C 结构体 (Struct)**，辅以少量的 TLV 扩展。
例如，设置 IP 类型的结构体：

struct mbim_data_class {
    uint32_t data_class; // 如 MBIM_DATA_CLASS_PACKET_SWITCHED
};

3.3 MBIM 的核心命令集 (CID - Command ID)

MBIM 的命令通过 UUID 来划分功能集，常用的包括：

• Basic Connect (基本连接): 设备能力、注册状态、信号强度、**Session 管理 (Connect/Disconnect)**。
• Phonebook (电话本): 读写联系人。
• SMS (短信): 短信收发。
• USSD: 非结构化补充数据业务。
• Device Services (设备服务): 厂商自定义扩展（如 Intel 的 SAR 控制，高通的扩展信号查询）。

3.4 MBIM 的典型拨号流程 (Session 管理)

1. 能力协商：Host 发送 MBIM_CID_DEVICE_CAPS 查询 Modem 能力（支持的最大 Session 数、IP 类型等）。
2. 查询状态：发送 MBIM_CID_SUBSCRIBER_READY_STATUS (SIM 状态) 和 MBIM_CID_REGISTER_STATE (注网状态)。
3. 配置与连接：Host 发送 MBIM_CID_CONNECT，在 InformationBuffer 中填入：
   • Session ID (通常是 0)
   • Access String (APN)
   • Auth Protocol (PAP/CHAP)
   • IP Type (IPv4/IPv6/IPv4v6)
4. 获取 IP 配置：Modem 响应 MBIM_CID_CONNECT 的 Response，直接包含 IP 地址、DNS、MTU 等信息（不需要像 QMI 那样再发一次 Get Settings）。
5. 数据通信：通过 NCM 网络接口传输数据。

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4. QMI vs MBIM 深度对比

维度	QMI (Qualcomm MSM Interface)	MBIM (Mobile Broadband Interface Model)
主导者	高通 (Qualcomm)	微软 (Microsoft) / USB-IF
开放性	私有协议（部分逆向工程/开源）	公开标准
数据结构	纯 TLV (Type-Length-Value)	固定 Struct + 少量 TLV 扩展
服务模型	细粒度 Service (WDS, NAS, DMS…)	粗粒度 UUID 集合 (Basic Connect…)
消息分片	依赖底层传输层（如 QRTR/MHI）	协议原生支持 Fragment 分片
数据面协议	支持 Raw IP, 802.3, QMAP (多路复用)	强制 NCM (Network Control Model) 或 Raw IP
多 PDN 支持	通过分配多个 WDS Client ID 实现	通过不同的 Session ID (0~255) 实现
Linux 生态	libqmi, qmicli, qrtr	libmbim, mbimcli, umbim
适用场景	高通平台首选，性能极高，特性最全	跨平台、非高通平台、Windows 认证强制要求

结论：

• 如果模组是高通芯片，强烈建议使用 QMI（或基于 QMI 的 QMAP 多路复用），因为特性支持最完整，性能最好。
• 如果模组是联发科、紫光展锐、Intel，或者需要严格兼容 Windows 默认驱动，通常使用 MBIM。

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5. 在 PCIe / MHI 环境下的承载方式

在 USB 接口下，QMI 和 MBIM 有标准的 USB Class 定义（如 CDC-ACM, CDC-MBIM）。但在 PCIe / MHI 接口下，它们是如何传输的呢？

5.1 MBIM over MHI

MBIM 在 MHI 上的承载相对直接：

• MHI 控制器会暴露一个名为 MBIM 的 MHI Channel。
• Linux 内核中的 mhi_wwan_mbim 驱动会绑定到这个 Channel。
• 该驱动将 MHI 通道注册为一个标准的 Linux wwan 子系统控制端口（如 /dev/wwan0mbim0）。
• 用户态的 mbimcli 或 ModemManager 直接通过标准的 MBIM IOCTL 与该字符设备交互。

5.2 QMI over MHI (QRTR 机制)

在较新的 5G 模组（如 SDX55/SDX62/SDX65）中，QMI 不再直接裸跑在 MHI channel 上，而是被封装在 QRTR (Qualcomm Router) 协议中。

• QRTR 是高通内部的一种 IPC（进程间通信）路由协议。
• MHI 控制器会暴露一个名为 IPCR 或 QMI 的 MHI Channel。
• Linux 内核中的 qrtr-mhi 驱动绑定该通道，将 MHI 数据注册为 QRTR 节点。
• QMI 消息被封装在 QRTR 报文中传输。
• 用户态通过 libqrtr 和 libqmi 与 QRTR 守护进程 (qrtr-ns) 交互，最终路由到 Modem 的 QMI 服务。

注意：在较老的 4G PCIe 模组（如 SDX24）中，可能仍然存在直接的 QMI MHI channel，由 qmi_wwan 或类似驱动直接处理。

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6. Linux 下的工具

6.1 QMI 工具链 (libqmi / qmicli)

安装：

sudo apt install libqmi-utils

常用 qmicli 命令（假设设备节点为 /dev/cdc-wdm0 或 /dev/wwan0qmi0）：

# 1. 获取设备固件版本和 IMEI (DMS 服务)
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 --dms-get-ids

# 2. 查询 SIM 卡状态 (UIM 服务)
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 --uim-get-card-status

# 3. 查询网络注册状态和信号 (NAS 服务)
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 --nas-get-signal-strength
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 --nas-get-serving-system

# 4. 配置 APN 并拨号 (WDS 服务)
# 注意：需要指定 IP 类型，且通常需要 --wds-follow-network 保持会话
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 \
       --device-open-net=rmnet \
       --wds-start-network="apn='internet',ip-type=4" \
       --client-no-release-cid

# 5. 获取分配的 IP 地址
qmicli -d /dev/wwan0qmi0 --wds-get-current-settings

6.2 MBIM 工具链 (libmbim / mbimcli)

安装：

sudo apt install libmbim-utils

常用 mbimcli 命令（假设设备节点为 /dev/cdc-wdm1 或 /dev/wwan0mbim0）：

# 1. 查询设备能力
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 --query-device-caps

# 2. 查询 SIM 卡状态
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 --query-subscriber-ready-status

# 3. 查询注网状态和信号
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 --query-registration-state
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 --query-signal-state

# 4. 拨号连接 (Session ID 0, APN=internet)
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 \
        --connect="apn=internet,ip-type=default"

# 5. 断开连接
mbimcli -d /dev/wwan0mbim0 --disconnect

6.3 终极神器：ModemManager

在实际生产环境中，极少有人手动敲 qmicli 或 mbimcli 来拨号。通常使用 **ModemManager (MM)**。
MM 是一个守护进程，它会自动探测底层是 QMI 还是 MBIM，并抽象出统一的 D-Bus 接口。

# 查看 Modem 列表
mmcli -L

# 查看 Modem 0 的详细信息（会自动显示是 QMI 还是 MBIM）
mmcli -m 0

# 使用 MM 创建 Bearer 并拨号
mmcli -m 0 --simple-connect="apn=internet,ip-type=ipv4"

# 查看连接状态和 IP
mmcli -b 0  # 假设 bearer 索引为 0

更多可见之前关于 ModemManager 介绍的文章：https://z-dd.online/2025/03/25/Linux%E7%A7%BB%E5%8A%A8%E5%AE%BD%E5%B8%A6%E4%B9%8BModemManager/