外星人笔记本键盘USB协议逆向

前言

我朋友一台 dell g16 购买时直接安装了linux系统，但是linux上没有官方的键盘控制中心，所以无法控制键盘灯光，于是我就想着能不能逆向一下键盘的协议，然后自己写一个控制键盘灯光的程序。我自己的外星人笔记本是m16，所以我就先从m16开始逆向。

USB协议分析

通过 chatgpt 得知，AlienFX设备通常通过USB接口连接到计算机。键盘的灯光控制是通过HID (人机接口设备) 协议进行的。当你使用AlienFX软件时，这些程序会发送特定的命令到键盘，告诉它如何设置灯光效果。

现在wireshark已经支持HID协议的解析，所以我们可以直接使用wireshark来分析USB协议。在安装wireshark是需要勾选安装USBPcap

打开wireshark，选择USBPcap1

设置要捕获的usb设备，然后点击start

打开 alienware command center，设置键盘灯光，在灯光效果除设置颜色为红色，然后点击应用。

然后我们就可以在wireshark中看到usb协议的数据包了，我们可以看到有两个数据包，一个是发送数据包，一个是接收数据包。可以通过设置过滤器来过滤掉接收数据包，只看发送数据包，过滤设置为 usb.src == "host"

发现仅仅是改了一个按键的颜色，就发送了很多数据包，而且每个数据包的长度都不一样，这是因为每个数据包都是一个命令，而且每个命令的长度都不一样，所以我们需要找到每个命令的格式，然后才能解析出每个命令的含义。

验证数据包

这个时候我们需要写一个测试程序，来分析哪一个包让键盘改变了颜色，然后再分析这个包的格式。这里我们使用python将数据重发到usb设备，然后观察键盘的变化。

import logging
import time

import usb
from usb import USBError


class AlienwareUSBDriver:
    VENDOR_ID = 0xd62
    PRODUCT_ID = 0xc2b0

    SEND_BM_REQUEST_TYPE = 0x21
    SEND_B_REQUEST = 0x09
    SEND_W_VALUE = 0x3cc
    SEND_W_INDEX = 0x0

    PACKET_LENGTH = 63

    def __init__(self):
        self._control_taken = False
        self._device = None

    def acquire(self):
        """ Acquire control of the USB controller."""
        if self._control_taken:
            return

        self._device = usb.core.find(idVendor=AlienwareUSBDriver.VENDOR_ID, idProduct=AlienwareUSBDriver.PRODUCT_ID)

        if self._device is None:
            logging.error("ERROR: No AlienFX USB controller found; tried VID {}, PID {}"
                          .format(AlienwareUSBDriver.VENDOR_ID, AlienwareUSBDriver.PRODUCT_ID))

        try:
            self._device.set_configuration()
        except USBError as exc:
            logging.error("Cant set configuration. Error : {}".format(exc.strerror))

        try:
            usb.util.claim_interface(self._device, 0)
        except USBError as exc:
            logging.error("Cant claim interface. Error : {}".format(exc.strerror))

        self._control_taken = True
        logging.debug("USB device acquired, VID={}, PID={}".format(hex(AlienwareUSBDriver.VENDOR_ID),
                                                                   hex(AlienwareUSBDriver.PRODUCT_ID)))

    def release(self):
        if not self._control_taken:
            return

        try:
            usb.util.release_interface(self._device, 0)
        except USBError as exc:
            logging.error("Cant release interface. Error : {}".format(exc.strerror))

        try:
            self._device.attach_kernel_driver(0)
        except USBError as exc:
            logging.error("Cant re-attach. Error : {}".format(exc.strerror))

        self._control_taken = False
        logging.debug("USB device released, VID={}, PID={}".format(hex(AlienwareUSBDriver.VENDOR_ID),
                                                                   hex(AlienwareUSBDriver.PRODUCT_ID)))

    def write_packet(self, pkt):
        if not self._control_taken:
            return

        try:
            num_bytes_sent = self._device.ctrl_transfer(
                self.SEND_BM_REQUEST_TYPE, self.SEND_B_REQUEST,
                self.SEND_W_VALUE, self.SEND_W_INDEX,
                pkt, 0)

            logging.debug("wrote: {}, {} bytes".format(pkt, len(pkt)))
            if len(pkt) != num_bytes_sent:
                logging.error("writePacket: intended to write {} of {} bytes but wrote {} bytes"
                              .format(pkt, len(pkt), num_bytes_sent))

            return num_bytes_sent
        except USBError as exc:
            logging.error("writePacket: {}".format(exc))

其中设备信息可以在wireshark中查看

VENDOR_ID = 0xd62
PRODUCT_ID = 0xc2b0

在使用 device.ctrl_transfer 发送数据时需要指定 bmRequestType, bRequest, wValue, wIndex，这些信息也可以在wireshark中查看

OUT_BM_REQUEST_TYPE = 0x21
OUT_B_REQUEST = 0x09
OUT_W_VALUE = 0x3cc
OUT_W_INDEX = 0x0

尝试将wireshark中的数据包发送到键盘，通过测试发现，其中一条数据包发送后，Q键的灯光才会改变

if __name__ == '__main__':
    device = AlienwareUSBDriver()
    device.acquire()

    data = bytes.fromhex('cc8c020073072f46121278b56519a6f9661799e568127ab7691aaaff6a2aaaff6c2aaaff6e137fbf7019a6f9711aaaff8608334b8708334b8808334b2bfc0000')
    device.write_packet(data)

数据包格式分析

通过分析得知，每次改变颜色，awcc 会通过CC 8C 02 00 命令把所有按键的颜色发送一遍，经过多次测试，发现每个按键的颜色都是由三个字节表示，分别是 R G B，所以我们可以通过改变这三个字节来改变按键的颜色。包格式如下:

经过多次尝试后，将整个键盘的对应序号，得到如下表格

Key	Code	Key	Code	Key	Code	Key	Code
esc	1	f4	5	u	0x31	lshift	0x52
f1	2	f5	6	i	0x32	z	0x54
f2	3	f6	7	o	0x33	x	0x55
f3	4	f7	8	p	0x34	c	0x56
f8	9	3	0x18	[	0x35	v	0x57
f9	0xa	4	0x19	]	0x36	b	0x58
f10	0xb	5	0x1a	\	0x38	n	0x59
f11	0xc	6	0x1b	a	0x3f	m	0x5a
f12	0xd	7	0x1c	s	0x40	,	0x5b
home	0xe	8	0x1d	d	0x41	.	0x5c
end	0xf	9	0x1e	f	0x42	/	0x5d
del	0x10	0	0x1f	g	0x43	rshift	0x5f
`	0x15	-	0x20	h	0x44	up	0x73
1	0x16	=	0x21	j	0x45	lctrl	0x65
2	0x17	back	0x24	k	0x46	fn	0x66
tab	0x29	caps	0x3e	l	0x47	lwin	0x68
q	0x2b	enter	0x4b	;	0x48	lalt	0x69
w	0x2c	space	0x6a	’	0x49	ralt	0x70
e	0x2d	rwin	0x6e	right	0x88	rctrl	0x71
r	0x2e	ralt	0x70	down	0x87	left	0x86
t	0x2f	microphone	0x14	voice0	0x11	voice+	0x13
y	0x30	voice-	0x12	voice+	0x13	voice-	0x12

可以用一个例子来验证上面的keymap是否正确

if __name__ == '__main__':
    device = AlienwareUSBDriver()
    device.acquire()


    keymap = {
        'esc': 1, 'f1': 2, 'f2': 3, 'f3': 4, 'f4': 5, 'f5': 6, 'f6': 7, 'f7': 8, 'f8': 9, 'f9': 0xa, 'f10': 0xb, 'f11': 0xc, 'f12': 0xd, 'home': 0xe, 'end': 0xf,
        'del': 0x10, '`': 0x15, '1': 0x16, '2': 0x17, '3': 0x18, '4': 0x19, '5': 0x1a, '6': 0x1b, '7': 0x1c, '8': 0x1d, '9': 0x1e, '0': 0x1f, '-': 0x20, '=': 0x21,
        'back': 0x24, 'microphone': 0x14, 'tab': 0x29, 'q': 0x2b, 'w': 0x2c, 'e': 0x2d, 'r': 0x2e, 't': 0x2f, 'y': 0x30, 'u': 0x31, 'i': 0x32, 'o': 0x33, 'p': 0x34,
        '[': 0x35, ']': 0x36, '\\': 0x38, 'voice0': 0x11, 'caps': 0x3e, 'a': 0x3f, 's': 0x40, 'd': 0x41, 'f': 0x42, 'g': 0x43, 'h': 0x44, 'j': 0x45, 'k': 0x46,
        'l': 0x47, ';': 0x48, '\'': 0x49, 'enter': 0x4b, 'voice+': 0x13, 'lshift': 0x52, 'z': 0x54, 'x': 0x55, 'c': 0x56, 'v': 0x57, 'b': 0x58, 'n': 0x59, 'm': 0x5a,
        ',': 0x5b, '.': 0x5c, '/': 0x5d, 'rshift': 0x5f, 'up': 0x73, 'voice-': 0x12, 'lctrl': 0x65, 'fn': 0x66, 'lwin': 0x68, 'lalt': 0x69, 'space': 0x6a, 'ralt': 0x70,
        'rwin': 0x6e, 'rctrl': 0x71, 'left': 0x86, 'down': 0x87, 'right': 0x88
    }

    def get_key_bytes(a, b, a_color, b_color):
        header = bytes.fromhex('cc8c0200')
        a_bytes = (a << 24 | a_color).to_bytes(4, byteorder='big')
        b_bytes = (b << 24 | b_color).to_bytes(4, byteorder='big')

        data = header + a_bytes + b_bytes
        out = data + bytes(64 - len(data))
        return out


    chars = list(keymap.keys())
    a = 0
    a_color = 0
    b = 0
    b_color = 0
    for i, k in enumerate(chars):
        key = keymap[k]
        a = key
        a_color = 0xff0000
        b = 0
        b_color = 0
        if i > 0:
            b = keymap[chars[i - 1]]
            b_color = 0x00ff00
        device.write_packet(get_key_bytes(a, b, a_color, b_color))
        time.sleep(0.3)

    a_color = 0x00ff00
    b_color = 0x00ff00
    device.write_packet(get_key_bytes(a, b, a_color, b_color))

效果如下：

这样我们就可以根据需要，来动态设置每个按键的颜色了。

其他命令

其中还有清除灯光的命令，格式如下：

cc8c1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

关闭波动灯光的命令，格式如下：

cc8c0500010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101000000000100010101010101010101010101010100000000
cc8c0600000101010101010101010101010101000000000000010001010101010101010101000100000000000101000101010001000100010100010000000000

开启波动灯光的命令，格式如下：

cc800305000001010101000000000000050000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

最后

在分析过程中，也是花费了不少时间，主要是 alineware command center 在全键盘设置成一个颜色时，会发送很多数据包，而且每个键对应的颜色值还不一样，我以为有特殊的算法

比如我设置成绿色时，发送的数据包如下：

他会为每个键随机生成颜色相近的值，这些值同样是以十六进制表示的RGB颜色代码。我们可以解析这些代码来看看这些颜色是否相似。

以下是解析的颜色及其RGB值：

00 3F 11 - RGB(0, 63, 17)
00 FF 4A - RGB(0, 255, 74)
00 8E 29 - RGB(0, 142, 41)
00 91 2A - RGB(0, 145, 42)
00 A3 2F - RGB(0, 163, 47)
00 9E 2D - RGB(0, 158, 45)
00 9B 2D - RGB(0, 155, 45)
00 99 2C - RGB(0, 153, 44)
00 A0 2E - RGB(0, 160, 46)
00 91 2A - RGB(0, 145, 42)
00 8E 29 - RGB(0, 142, 41)
00 9B 2D - RGB(0, 155, 45)
00 CC 3B - RGB(0, 204, 59)
00 8E 29 - RGB(0, 142, 41)
00 FF 4A - RGB(0, 255, 74)

从这些解析的值可以看出，这些颜色大多是绿色调，但是其中有不同的亮度和饱和度。例如，00 FF 4A是一个明亮的绿色，而00 8E 29是一个相对较深的绿色。

总的来说，这些颜色都是绿色调，并且大部分的颜色是相似的。不过，其中的一些颜色（如00 FF 4A）会显得明显更亮和饱和。所以，这些颜色大部分是相似的。