MTP in Android详解

MTP in Android详解

最近好长一段时间没有做笔记了，今天主要学习一下MTP相关的知识。

MTP的全称是Media Transfer Protocol（媒体传输协议），它是微软公司提出的一套媒体文件传输协议。Android从3.0开始支持MTP。

一背景知识介绍

笔者相信《程序员》杂志的绝大多数读者或多或少都使用过MTP。因为早在智能手机普及前，数码相机和MP3播放器等都使用了MTP的前身PTP（Picture Transfer Protocol）进行媒体文件传输。那时，只要通过USB数据线把它们连接上Windows操作系统，就能在“我的电脑“中见到这些设备了。此后，用户可以把它们当做U盘一样使用，例如对其进行目录、文件的浏览和拷贝等操作。

既然可以通过MTP把智能设备当作U盘使用，那么它和我们常用的USB大容量存储（USB Mass Storage，简称UMS）有何不同呢？

UMS模式下，PC操作存储设备的粒度是设备块（FAT block），而非文件系统。什么意思？此处举一个简单例子。当Android手机通过UMS将sdcard挂载到PC后，PC就拥有对sdcard的绝对控制权。这样，手机就无法同时访问sdcard了。这种做法带来的后果就是Camera或Music程序将因没有外部存储空间而提示无法进行操作（注意，有些厂商的手机对此进行过修改，使得Camera能短时间录制一部分视频到内部存储空间）。这也是Android早期版本中一个很明显的特点。另外，由于PC在操作sdcard时可能弄坏其文件系统，这将导致sdcard重新挂载到手机后不能被识别。
如果Android手机的sdcard以MTP模式挂载到PC机上，sdcard的控制权其实还是属于手机。只不过智能手机通过MTP协议向PC机构建了一个虚拟文件系统。PC机操作其中的文件时，都会通过标准MTP协议向智能手机发起请求。另外，Android把MTP功能集成在MediaProvider中，其好处是PC机操作（例如拷贝或删除等）媒体文件时，媒体数据都会及时更新到媒体数据库中。而UMS模式下，当sdcard挂载回手机后，Android还得花较长时间重新扫描媒体文件以更新媒体数据库。

MTP的好处还有很多，例如它可判断PC机拷贝的媒体文件是否受目标手机支持，甚至可以触发对应的转码程序将其转换成手机支持的格式。不过和UMS相比，MTP也有不足之处：

传输大文件的速度较慢。
MTP不能直接修改文件本身。只能先拷贝到本地修改，完毕后再拷贝回去。
除了Windows外，Linux和MacOS对MTP支持还不是很完善。

下面我们将介绍MTP协议。

1.1 MTP协议介绍

根据协议，MTP的使用者包括两个部分，分别是Initiator和Responder。如图1-1所示：

图1-1 Initiator和Responder图示

由图1-1可知：

Initiator：主要是指USB Host，例如PC机，笔记本等。协议规定所有MTP操作只能由Initator发起。
Responder：一般是诸如数码相机、智能手机等存储媒体文件的设备。Responder在MTP中的作用就是处理Initator发起的请求。同时，它还会根据自身状态的变化发送Event以通知Initiator。

注意：后文我们将统一以PC代表Initiator，Android手机代表Responder。

与很多协议一样，MTP也有自己的协议栈，如图1-2所示：

图1-2 MTP协议栈

由图1-2可知，MTP协议栈由下到上分别是：

Pyshical Layer（物理层）：物理层在MTP协议中用来传输数据。目前有三种物理层可供MTP使用。它们分别是USB：其主要特点是传输文件，同步媒体文件时速度快，而且可以边工作边充电，这是目前用的最多的一种方式；IP：基于IP的MTP（简称MTP/IP）将通过UPnP来匹配和发现设备。它是家庭网络中是最理想的传输方式；Bluetooth：MTP/BT是最省电，同时也是速度最慢的一种传输方式，用处较少。
传输层：MTP中，数据传输格式遵循PTP协议
命令层：实现了MTP协议中的各种命令。

如上文所述，MTP采用命令-应答方式来工作（Initator发送命令给Responder处理，Responser反馈处理结果），这种方式的主要特点有：

所有MTP命令均以Package（数据包）的方式在设备两端进行传递。
Initiator必须接收到前一条消息的处理结果（不论是成功还是超时）后，才能发送下一条消息。

下面我们将以PC通过MTP打开一个文件为例，按顺序介绍其中涉及到几个主要MTP命令：

当设备第一次连接上PC后，Initiator（即PC）首先会发送一个名为GetDeviceInfo的请求以获取设备的信息，这些信息包括设备所支持PTP版本的程度，以百分号表示（默认是100）、所支持的MTP命令（Operation Supported）、所支持的Event类型等。
接着PC端会发送OpenSession命令以创建一个会话，该会话一直保持到设备从PC上断开为止。此后所有命令（除GetDeviceInfo命令外）必须在此会话存活期间才能发送。会话在MTP协议中由SessionID来标识，它是一个32位的无符号整型，由PC选择并传给手机。
PC端如果要进行文件操作的话，必须从根目录开始定位目标文件。由于Windows的特殊性，手机内部存储卡在windows系统中显示为盘符。注意，如果手机内部有两块存储卡的话（如内部存储卡和外部sd卡），Windows中会显示为两个盘符。PC端需要通过GetStorageIDs命令返回某个盘符对应的StorageID。在MTP中，StorageID是一个32位无符号整型，每一个StorageID代表了一个逻辑盘符。
PC端可以根据上一步的StorageID号，利用GetStorageInfo操作去获取存储设备的信息，例如剩余存储空间、文件系统类型、访问权限等。
接着，PC就会通过GetObjectHandles命令来获取此盘符下的文件和子目录的Object Handles（一个Object Handle代表一个文件或目录。该值由Responder生成并保证唯一性）。有了Object Handle，PC就可以操作这些文件或目录了，例如继续通过GetObjectHandles获取某个目录中子文件和子目录的信息。
假设现在需拷贝一个文件到手机上，那么PC会通过SendObjectInfo命令将文件信息（如文件名、文件大小）等传递给手机。而手机需要检查目标目录是否有足够的空间和对应权限。
如果一切正常，PC将通过SendObject把数据传递给手机。真正写文件到设备存储空间的则是手机中的Responder。Android实现的MTP还会在媒体文件传输完毕后，将信息更新到媒体数据库中。
除此之外，PC还可利用SetObjectPropValue 命令来设置文件的各种属性值，如Audio BitRate（比特率），Sample Rate（采样率），Number Of Channels（声道）等。

以上为读者描述了MTP使用的一个简单案例。至于其中的各种MTP命令，读者不妨阅读参考文献1，即《MTP Specification v1.0.pdf》。协议对各种命令都有非常精确的描述，例如表1-1，表1-2所示为GetDeviceInfo命令，返回值定义。其参数类型，传递方向都有详细解释（不得不说，和Linux比起来，微软的开发/技术文档做得相当到位）。

表1-1 GetDeviceInfo命令定义

Operation Code	0x1001	GetDeviceInfo对应命令的数字编号是0x1001
Data	DeviceInfo dataset	手机端返回的设备信息数据集
Data Direction	R->I	数据传输方向是手机到PC
ResponseCode Options	OK, Parameter_Not_Supported	手机给PC的返回值

表1-2所示为GetDeviceInfo的返回数据集的定义。

表1-2 GetDeviceInfo返回数据集的定义

Dataset field	Field order	Size (bytes)	Datatype	Comments
Standard Version	1	2	UINT16	手机对PTP协议的支持程度，以%表示，默认是100
MTP Vendor Extension ID	2	4	UINT32	手机对PTP厂商扩展协议的支持，默认是0xFFFFFFFF
MTP Version	3	2	UINT16	手机支持的MTP标准的版本，以%表示
MTP Extensions	4	Variable	String	手机支持的MTP扩展集
Functional Mode	5	2	UINT16	手机允许的模式
Operations Supported	6	Variable	Operation Code Array	在当前功能模式下，手机支持的所有操作
Event Supported	7	Variable	Event Code Array	在当前功能模式下，手机能产生的所有事件
Device Properties Supported	8	Variable	Device Property Code Array	在当前功能模式下，手机支持的所有设备属性
Capture Formats	9	Variable	Object Format Code Array	手机可以自己生成的文件格式，不包括拷贝到手机上文件格式
Playback Formats	10	Variable	Object Format Code Array	手机可以解析和理解的所有格式类型
Manufacturer	11	Variable	String	人可读的手机制造商的标识
Model	12	Variable	String	人可读的手机型号
Device Version	13	Variable	String	手机的软件或固件版本
Serial Number	14	Variable	String	能标明手机MTP功能的唯一序列号

1.2 OS对MTP的支持及认证

MTP协议既然由微软提出，理所当然，Windows对其支持自然是不遗余力。目前Windows操作系统中，MTP和多媒体框架紧密结合，并且已经成为Windows Media框架中的重要一部分。如WMP10(Windows Media Player 10)和WMP11均内置对MTP功能，其中WMP11还新增对Playlist和Album art的支持。

微软除了提出MTP协议并在Windows操作系统中提供大力支持外，它对使用MTP协议的设备也有所管理。所有标称支持MTP协议的设备，必须通过微软的测试WLK（Windows Logo Kit）。WLK测试通过的设备可以获得一个徽标。关于WLK测试的详细信息，请读者参考http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/windows/hardware/gg487530.aspx。从以上链接中也能下载到wpdmon，它是MTP开发中最常用的测试工具，可显示出所有PC与手机进行MTP操作时发送的命令、数据及返回值。图1-3为笔者测试某台Android手机的MTP功能时用wpdmon截获的信息示意图：

图1-3 wpdmon工具使用示意图

下面我们来看MTP在Android平台中的实现。

二 Android中的MTP

Android从3.0开始集成MTP功能，主要原因有三个：

手机要支持UMS的话，必须有一个sd卡，因为sd卡往往采用Windows支持的分区格式。如果想把内部存储空间通过UMS挂载到Windows上，则内部存储空间需采用特定的分区格式。这对某些手机而言根本不可行。因为内部存储空间本身可能是一个设备，它们采用统一的分区格式。不能因为需要使用UMS，而再增加一块特定分区格式的存储设备。
UMS挂载到PC后，PC操作系统拥有绝对控制权。此时，Android系统将无法操作这些设备。根据前文举的Camera例子而言，这对越来越高级的Android版本而言是不可接受的。
另外一个不可忽略的事实就是Windows操作系统在普通劳动人民那儿依然占据极高的市场份额。这恐怕也是明知Linux、MacOS对MTP支持力度不够，Android也要集成它的一个重要原因吧。

2.1 Android中MTP的代码架构

要使用MTP功能，首先需要在设置中启用USB连接模式为MTP，如图1-4所示：

图1-4 Settings中的MTP设置

图1-4所示为参考机（Android 4.1版本）中“USB连接模式”设置。该操作实际上会触发USB驱动做相应变动。本文不拟讨论其中的过程，读者可参考手机中init.platform-name.usb.rc文件以查看Android系统中USB的模式设置。从目前市面上发布的数款Android 4.0及后续版本的机型来看，MTP/PTP大有取代UMS的趋势。

根据前文所述，Android中的MTP和已有的MediaProvider模块结合紧密，以更好体现“Media Transfer”的特性。其主要结构如图1-5所示：

图1-5 Android MTP架构图

由图1-5可知,Android MTP架构由下到上分别是：

C++层包括几个主要对象，如MtpRequestPacke负责从USB驱动读取数据，并结构化命令格式及其参数、MtpDataPacket负责结构化手机要返回给PC的数据包、MtpResponsePacket负责结构化手机要给PC返回的response。MtpServer负责解析来自PC的命令并调用相应的接口函数进行处理。
Java层包括UsbReceiver、MtpService、MtpServer等对象。其中UsbReceiver用来监视USB事件，判断何时启动或停止MtpService。MtpService负责启动MtpServer和加载存储设备的信息到数据库。MtpServer负责通过jni接口去启动/停止C++层中MtpServer以及处理Storage的添加和删除。MediaProvider则负责查询和更新数据库。MtpDatabase名字虽然叫Database，但实际功能用于在MediaProvider和MtpServer之间转换数据格式。例如把MTP传递过来的信息（如文件大小、文件路径等）转换成MediaProvider需要的格式以方便其更新数据库。

下面我们来看MTP的工作流程。

2.2 MTP流程分析

我们先来看MTP模块启动的流程，如图1-6所示：

图1-6 MTP主要模块启动流程

由图1-6可知：

当手机连上usb线后，UsbReceiver会收到来自系统的USB_STATE广播事件。接着它需要从UsbManager中查询USB的链接状态，MTP的设置信息和PTP的设置信息。当用户设置为使用MTP模式时，UsbReceiver将通过startService函数启动MtpService。
MtpService启动，在其onStartCommand中将创建MtpDatabase对象和MtpServer对象。
UsbReceiver同时通过insert一条特殊uri（值为“content://media/none/mtp_connected”）的方式，触发MdiaProvder调用MtpService的bindService函数。这样，MediaProvider和MtpService就建立了紧密联系。

MtpServer是Android平台中MTP协议处理的核心模块，它会单独启动一个线程用于接收PC端的命令，其代码如图1-7所示：

图1-7 MtpServer run函数代码片段

由图1-7可知，MtpServer不断从文件描述符读取请求，然后调用handleRequest进行处理。最后把处理结果返回给对端。

从这段代码读者可以发现，Android MTP命令层和物理层之间的耦合度较低，这样也方便将来实现MTP/IP功能。

接下来我们看看PC端发送SendObjectInfo的处理流程，如图1-8所示：

图1-8 sendObjectInfo处理流程图

由图1-8可知SendObjectInfo的处理流程大体步骤如下：

PC发SendObjectInfo命令给MtpServer。MtpServer需要检查存储设备剩余空间、可支持的最大文件大小。如果一切正常的话，它会通过MediaProvider的insert函数往媒体数据库中加入一条数据项。
接着PC通过SendObject将文件内容传递给给MtpServer。而MtpServer就会创建该文件，并把数据写到文件中。
当文件数据发送完毕，MtpServer调用endSendObject。而endObject则会触发MediaScanner进行媒体文件扫描。当然，扫描完后，该文件携带的媒体信息（假如是MP3文件的话，则会把专辑信息、歌手、流派、长度等内容）加入到媒体数据库中。

通过对SendObjectInfo描述，我们也可看出，Android充分利用了其平台本身的特性，真正将媒体传输协议和媒体文件扫描恰到好处得结合起来，从而发挥了MTP最大功效。

三总结

本文主要对Android中的MTP进行了相关介绍。虽然MTP协议由微软提供，但因为历史原因，其使用程度相当广泛，以至于Android也提供了最基本的MTP实现。

当然，如果要做到真正实用并通过微软认证，手机厂商还需要在此基础上做进一步的开发。结合笔者自己的使用经历，国外大牌手机厂商例如Sony、 Samsung、Nokia等对MTP的支持相当到位。相比而言，国内手机厂商的起步稍微晚一点，需要投入更多的精力才能超越。另外，随着无线技术的普及，MTP基于IP的实现也将极大方面用户的使用。笔者在此希望大家能一起努力，早日让用户从USB数据线中解放出来。

个人觉得主要把握两个流程：

1.java层向.cpp层流程，即命令层--->传输层

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

2. .c驱动层向.cpp层流程，即物理层-->传输层-->命令层

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

SendObjectInfo() beginSendObject() insert()

SendObject() endSendObject() scanMtpFile()