MTP in Android詳解

MTP in Android詳解

      最近好長一段時間沒有作筆記了，今天主要學習一下MTP相關的知識。

      MTP的全稱是Media Transfer Protocol（媒體傳輸協議），它是微軟公司提出的一套媒體文件傳輸協議。Android從3.0開始支持MTP。

一  背景知識介紹

筆者相信《程序員》雜誌的絕大多數讀者或多或少都使用過MTP。由於早在智能手機普及前，數碼相機和MP3播放器等都使用了MTP的前身PTP（Picture Transfer Protocol）進行媒體文件傳輸。那時，只要經過USB數據線把它們鏈接上Windows操做系統，就能在「個人電腦「中見到這些設備了。此後，用戶能夠把它們當作U盤同樣使用，例如對其進行目錄、文件的瀏覽和拷貝等操做。

既然能夠經過MTP把智能設備看成U盤使用，那麼它和咱們經常使用的USB大容量存儲（USB Mass Storage，簡稱UMS）有何不一樣呢？

• UMS模式下，PC操做存儲設備的粒度是設備塊（FAT block），而非文件系統。什麼意思？此處舉一個簡單例子。當Android手機經過UMS將sdcard掛載到PC後，PC就擁有對sdcard的絕對控制權。這樣，手機就沒法同時訪問sdcard了。這種作法帶來的後果就是Camera或Music程序將因沒有外部存儲空間而提示沒法進行操做（注意，有些廠商的手機對此進行過修改，使得Camera能短期錄製一部分視頻到內部存儲空間）。這也是Android早期版本中一個很明顯的特色。另外，因爲PC在操做sdcard時可能弄壞其文件系統，這將致使sdcard從新掛載到手機後不能被識別。
• 若是Android手機的sdcard以MTP模式掛載到PC機上，sdcard的控制權其實仍是屬於手機。只不過智能手機經過MTP協議向PC機構建了一個虛擬文件系統。PC機操做其中的文件時，都會經過標準MTP協議向智能手機發起請求。另外，Android把MTP功能集成在MediaProvider中，其好處是PC機操做（例如拷貝或刪除等）媒體文件時，媒體數據都會及時更新到媒體數據庫中。而UMS模式下，當sdcard掛載回手機後，Android還得花較長時間從新掃描媒體文件以更新媒體數據庫。

MTP的好處還有不少，例如它可判斷PC機拷貝的媒體文件是否受目標手機支持，甚至能夠觸發對應的轉碼程序將其轉換成手機支持的格式。不過和UMS相比，MTP也有不足之處：

• 傳輸大文件的速度較慢。
• MTP不能直接修改文件自己。只能先拷貝到本地修改，完畢後再拷貝回去。
• 除了Windows外，Linux和MacOS對MTP支持還不是很完善。

下面咱們將介紹MTP協議。

1.1  MTP協議介紹

根據協議，MTP的使用者包括兩個部分，分別是Initiator和Responder。如圖1-1所示：

圖1-1  Initiator和Responder圖示

由圖1-1可知：

• Initiator：主要是指USB Host，例如PC機，筆記本等。協議規定全部MTP操做只能由Initator發起。
• Responder：通常是諸如數碼相機、智能手機等存儲媒體文件的設備。Responder在MTP中的做用就是處理Initator發起的請求。同時，它還會根據自身狀態的變化發送Event以通知Initiator。

注意：後文咱們將統一以PC表明Initiator，Android手機表明Responder。

與不少協議同樣，MTP也有本身的協議棧，如圖1-2所示：

圖1-2  MTP協議棧

由圖1-2可知，MTP協議棧由下到上分別是：

• Pyshical Layer（物理層）：物理層在MTP協議中用來傳輸數據。目前有三種物理層可供MTP使用。它們分別是USB：其主要特色是傳輸文件，同步媒體文件時速度快，並且能夠邊工做邊充電，這是目前用的最多的一種方式；IP：基於IP的MTP（簡稱MTP/IP）將經過UPnP來匹配和發現設備。它是家庭網絡中是最理想的傳輸方式；Bluetooth：MTP/BT是最省電，同時也是速度最慢的一種傳輸方式，用處較少。
• 傳輸層：MTP中，數據傳輸格式遵循PTP協議
• 命令層：實現了MTP協議中的各類命令。

如上文所述，MTP採用命令-應答方式來工做（Initator發送命令給Responder處理，Responser反饋處理結果），這種方式的主要特色有：

• 全部MTP命令均以Package（數據包）的方式在設備兩端進行傳遞。
• Initiator必須接收到前一條消息的處理結果（不管是成功仍是超時）後，才能發送下一條消息。

下面咱們將以PC經過MTP打開一個文件爲例，按順序介紹其中涉及到幾個主要MTP命令：

• 當設備第一次鏈接上PC後，Initiator（即PC）首先會發送一個名爲GetDeviceInfo的請求以獲取設備的信息，這些信息包括設備所支持PTP版本的程度，以百分號表示（默認是100）、所支持的MTP命令（Operation Supported）、所支持的Event類型等。
• 接着PC端會發送OpenSession命令以建立一個會話，該會話一直保持到設備從PC上斷開爲止。此後全部命令（除GetDeviceInfo命令外）必須在此會話存活期間才能發送。會話在MTP協議中由SessionID來標識，它是一個32位的無符號整型，由PC選擇並傳給手機。
• PC端若是要進行文件操做的話，必須從根目錄開始定位目標文件。因爲Windows的特殊性，手機內部存儲卡在windows系統中顯示爲盤符。注意，若是手機內部有兩塊存儲卡的話（如內部存儲卡和外部sd卡），Windows中會顯示爲兩個盤符。PC端須要經過GetStorageIDs命令返回某個盤符對應的StorageID。在MTP中，StorageID是一個32位無符號整型，每個StorageID表明了一個邏輯盤符。
• PC端能夠根據上一步的StorageID號，利用GetStorageInfo操做去獲取存儲設備的信息，例如剩餘存儲空間、文件系統類型、訪問權限等。
• 接着，PC就會經過GetObjectHandles命令來獲取此盤符下的文件和子目錄的Object Handles（一個Object Handle表明一個文件或目錄。該值由Responder生成並保證惟一性）。有了Object Handle，PC就能夠操做這些文件或目錄了，例如繼續經過GetObjectHandles獲取某個目錄中子文件和子目錄的信息。
• 假設如今需拷貝一個文件到手機上，那麼PC會經過SendObjectInfo命令將文件信息（如文件名、文件大小）等傳遞給手機。而手機須要檢查目標目錄是否有足夠的空間和對應權限。
• 若是一切正常，PC將經過SendObject把數據傳遞給手機。真正寫文件到設備存儲空間的則是手機中的Responder。Android實現的MTP還會在媒體文件傳輸完畢後，將信息更新到媒體數據庫中。
• 除此以外，PC還可利用SetObjectPropValue 命令來設置文件的各類屬性值，如Audio BitRate（比特率），Sample Rate（採樣率），Number Of Channels（聲道）等。

以上爲讀者描述了MTP使用的一個簡單案例。至於其中的各類MTP命令，讀者不妨閱讀參考文獻1，即《MTP Specification v1.0.pdf》。協議對各類命令都有很是精確的描述，例如表1-1，表1-2所示爲GetDeviceInfo命令，返回值定義。其參數類型，傳遞方向都有詳細解釋（不得不說，和Linux比起來，微軟的開發/技術文檔作得至關到位）。

表1-1  GetDeviceInfo命令定義

Operation Code	0x1001	GetDeviceInfo對應命令的數字編號是0x1001
Data	DeviceInfo dataset	手機端返回的設備信息數據集
Data Direction	R->I	數據傳輸方向是手機到PC
ResponseCode Options	OK, Parameter_Not_Supported	手機給PC的返回值

表1-2所示爲GetDeviceInfo的返回數據集的定義。

表1-2  GetDeviceInfo返回數據集的定義

Dataset field	Field order	Size (bytes)	Datatype	Comments
Standard Version	1	2	UINT16	手機對PTP協議的支持程度，以%表示，默認是100
MTP Vendor Extension ID	2	4	UINT32	手機對PTP廠商擴展協議的支持，默認是0xFFFFFFFF
MTP Version	3	2	UINT16	手機支持的MTP標準的版本，以%表示
MTP Extensions	4	Variable	String	手機支持的MTP擴展集
Functional Mode	5	2	UINT16	手機容許的模式
Operations Supported	6	Variable	Operation Code Array	在當前功能模式下，手機支持的全部操做
Event Supported	7	Variable	Event Code Array	在當前功能模式下，手機能產生的全部事件
Device Properties Supported	8	Variable	Device Property Code Array	在當前功能模式下，手機支持的全部設備屬性
Capture Formats	9	Variable	Object Format Code Array	手機能夠本身生成的文件格式，不包括拷貝到手機上文件格式
Playback Formats	10	Variable	Object Format Code Array	手機能夠解析和理解的全部格式類型
Manufacturer	11	Variable	String	人可讀的手機制造商的標識
Model	12	Variable	String	人可讀的手機型號
Device Version	13	Variable	String	手機的軟件或固件版本
Serial Number	14	Variable	String	能標明手機MTP功能的惟一序列號

 

1.2  OS對MTP的支持及認證

MTP協議既然由微軟提出，理所固然，Windows對其支持天然是竭盡全力。目前Windows操做系統中，MTP和多媒體框架緊密結合，而且已經成爲Windows Media框架中的重要一部分。如WMP10(Windows Media Player 10)和WMP11均內置對MTP功能，其中WMP11還新增對Playlist和Album art的支持。

微軟除了提出MTP協議並在Windows操做系統中提供大力支持外，它對使用MTP協議的設備也有所管理。全部標稱支持MTP協議的設備，必須經過微軟的測試WLK（Windows Logo Kit）。WLK測試經過的設備能夠得到一個徽標。關於WLK測試的詳細信息，請讀者參考http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/windows/hardware/gg487530.aspx。從以上連接中也能下載到wpdmon，它是MTP開發中最經常使用的測試工具，可顯示出全部PC與手機進行MTP操做時發送的命令、數據及返回值。圖1-3爲筆者測試某臺Android手機的MTP功能時用wpdmon截獲的信息示意圖：

圖1-3  wpdmon工具使用示意圖

下面咱們來看MTP在Android平臺中的實現。

 

二  Android中的MTP

Android從3.0開始集成MTP功能，主要緣由有三個：

• 手機要支持UMS的話，必須有一個sd卡，由於sd卡每每採用Windows支持的分區格式。若是想把內部存儲空間經過UMS掛載到Windows上，則內部存儲空間需採用特定的分區格式。這對某些手機而言根本不可行。由於內部存儲空間自己多是一個設備，它們採用統一的分區格式。不能由於須要使用UMS，而再增長一塊特定分區格式的存儲設備。
• UMS掛載到PC後，PC操做系統擁有絕對控制權。此時，Android系統將沒法操做這些設備。根據前文舉的Camera例子而言，這對愈來愈高級的Android版本而言是不可接受的。
• 另一個不可忽略的事實就是Windows操做系統在普通勞動人民那兒依然佔據極高的市場份額。這恐怕也是明知Linux、MacOS對MTP支持力度不夠，Android也要集成它的一個重要緣由吧。

2.1  Android中MTP的代碼架構

要使用MTP功能，首先須要在設置中啓用USB鏈接模式爲MTP，如圖1-4所示：

圖1-4  Settings中的MTP設置

圖1-4所示爲參考機（Android 4.1版本）中「USB鏈接模式」設置。該操做實際上會觸發USB驅動作相應變更。本文不擬討論其中的過程，讀者可參考手機中init.platform-name.usb.rc文件以查看Android系統中USB的模式設置。從目前市面上發佈的數款Android 4.0及後續版本的機型來看，MTP/PTP大有取代UMS的趨勢。

根據前文所述，Android中的MTP和已有的MediaProvider模塊結合緊密，以更好體現「Media Transfer」的特性。其主要結構如圖1-5所示：

圖1-5  Android MTP架構圖

由圖1-5可知,Android MTP架構由下到上分別是：

• C++層包括幾個主要對象，如MtpRequestPacke負責從USB驅動讀取數據，並結構化命令格式及其參數、MtpDataPacket負責結構化手機要返回給PC的數據包、MtpResponsePacket負責結構化手機要給PC返回的response。MtpServer負責解析來自PC的命令並調用相應的接口函數進行處理。
• Java層包括UsbReceiver、MtpService、MtpServer等對象。其中UsbReceiver用來監視USB事件，判斷什麼時候啓動或中止MtpService。MtpService負責啓動MtpServer和加載存儲設備的信息到數據庫。MtpServer負責經過jni接口去啓動/中止C++層中MtpServer以及處理Storage的添加和刪除。MediaProvider則負責查詢和更新數據庫。MtpDatabase名字雖然叫Database，但實際功能用於在MediaProvider和MtpServer之間轉換數據格式。例如把MTP傳遞過來的信息（如文件大小、文件路徑等）轉換成MediaProvider須要的格式以方便其更新數據庫。

下面咱們來看MTP的工做流程。

2.2  MTP流程分析

咱們先來看MTP模塊啓動的流程，如圖1-6所示：

圖1-6  MTP主要模塊啓動流程

由圖1-6可知：

• 當手機連上usb線後，UsbReceiver會收到來自系統的USB_STATE廣播事件。接着它須要從UsbManager中查詢USB的連接狀態，MTP的設置信息和PTP的設置信息。當用戶設置爲使用MTP模式時，UsbReceiver將經過startService函數啓動MtpService。
• MtpService啓動，在其onStartCommand中將建立MtpDatabase對象和MtpServer對象。
• UsbReceiver同時經過insert一條特殊uri（值爲「content://media/none/mtp_connected」）的方式，觸發MdiaProvder調用MtpService的bindService函數。這樣，MediaProvider和MtpService就創建了緊密聯繫。

MtpServer是Android平臺中MTP協議處理的核心模塊，它會單獨啓動一個線程用於接收PC端的命令，其代碼如圖1-7所示：

圖1-7  MtpServer run函數代碼片斷

由圖1-7可知，MtpServer不斷從文件描述符讀取請求，而後調用handleRequest進行處理。最後把處理結果返回給對端。

從這段代碼讀者能夠發現，Android MTP命令層和物理層之間的耦合度較低，這樣也方便未來實現MTP/IP功能。

接下來咱們看看PC端發送SendObjectInfo的處理流程，如圖1-8所示：

圖1-8  sendObjectInfo處理流程圖

由圖1-8可知SendObjectInfo的處理流程大致步驟以下：

• PC發SendObjectInfo命令給MtpServer。MtpServer須要檢查存儲設備剩餘空間、可支持的最大文件大小。若是一切正常的話，它會經過MediaProvider的insert函數往媒體數據庫中加入一條數據項。
• 接着PC經過SendObject將文件內容傳遞給給MtpServer。而MtpServer就會建立該文件，並把數據寫到文件中。
• 當文件數據發送完畢，MtpServer調用endSendObject。而endObject則會觸發MediaScanner進行媒體文件掃描。固然，掃描完後，該文件攜帶的媒體信息（假如是MP3文件的話，則會把專輯信息、歌手、流派、長度等內容）加入到媒體數據庫中。

經過對SendObjectInfo描述，咱們也可看出，Android充分利用了其平臺自己的特性，真正將媒體傳輸協議和媒體文件掃描恰到好處得結合起來，從而發揮了MTP最大功效。

三  總結

本文主要對Android中的MTP進行了相關介紹。雖然MTP協議由微軟提供，但由於歷史緣由，其使用程度至關普遍，以致於Android也提供了最基本的MTP實現。

當 然，若是要作到真正實用並經過微軟認證，手機廠商還須要在此基礎上作進一步的開發。結合筆者本身的使用經歷，國外大牌手機廠商例如Sony、 Samsung、Nokia等對MTP的支持至關到位。相比而言，國內手機廠商的起步稍微晚一點，須要投入更多的精力才能超越。另外，隨着無線技術的普 及，MTP基於IP的實現也將極大方面用戶的使用。筆者在此但願你們能一塊兒努力，早日讓用戶從USB數據線中解放出來。

 

我的以爲主要把握兩個流程：

1.java層向.cpp層流程，即命令層--->傳輸層

    主要涉及流程爲：UsbReceiver   --> MtpService  -->  MediaProvider -->  MtpDatabase   -->   MtpServer(MTP核心)

2. .c驅動層向.cpp層流程，即物理層-->傳輸層-->命令層

    主要涉及流程爲：UsbDriverSide --------> MtpServer --->MtpStorage --> MtpDatabase --> MediaProvider  -->MediaScaner

                       SendObjectInfo()                                beginSendObject()                                              insert()

                                              SendObject()                                       endSendObject()                                               scanMtpFile()