MTP in Android

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檔案傳輸協議。Android從3.0開始支援MTP。不過，在今天的智慧手機領域內，Google和微軟是一對冤家，為什麼Android中會使用MTP呢？請看下文。

筆者相信《程式設計師》雜誌的絕大多數讀者或多或少都使用過MTP。因為早在智慧手機普及前，數碼相機和MP3播放器等都使用了MTP的前身PTP（Picture Transfer Protocol）進行媒體檔案傳輸。那時，只要通過USB資料線把它們連線上Windows作業系統，就能在“我的電腦“中見到這些裝置了。此後，使用者可以把它們當做U盤一樣使用，例如對其進行目錄、檔案的瀏覽和拷貝等操作。

既然可以通過MTP把智慧裝置當作U盤使用，那麼它和我們常用的USB大容量儲存（USB Mass Storage，簡稱UMS）有何不同呢？

• UMS模式下，PC操作儲存裝置的粒度是裝置塊（FAT block），而非檔案系統。什麼意思？此處舉一個簡單例子。當Android手機通過UMS將sdcard掛載到PC後，PC就擁有對sdcard的絕對控制權。這樣，手機就無法同時訪問sdcard了。這種做法帶來的後果就是Camera或Music程式將因沒有外部儲存空間而提示無法進行操作（注意，有些廠商的手機對此進行過修改，使得Camera能短時間錄製一部分視訊到內部儲存空間）。這也是Android早期版本中一個很明顯的特點。另外，由於PC在操作sdcard時可能弄壞其檔案系統，這將導致sdcard重新掛載到手機後不能被識別。
• 如果Android手機的sdcard以MTP模式掛載到PC機上，sdcard的控制權其實還是屬於手機。只不過智慧手機通過MTP協議向PC機構建了一個虛擬檔案系統。PC機操作其中的檔案時，都會通過標準MTP協議向智慧手機發起請求。另外，Android把MTP功能整合在MediaProvider[1]中，其好處是PC機操作（例如拷貝或刪除等）媒體檔案時，媒體資料都會及時更新到媒體資料庫中。而UMS模式下，當sdcard掛載回手機後，Android還得花較長時間重新掃描媒體檔案以更新媒體資料庫。
  

MTP的好處還有很多，例如它可判斷PC機拷貝的媒體檔案是否受目標手機支援，甚至可以觸發對應的轉碼程式將其轉換成手機支援的格式。不過和UMS相比，MTP也有不足之處：

• 傳輸大檔案的速度較慢。
• MTP不能直接修改檔案本身。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支援還不是很完善。
  

下面我們將介紹MTP協議。

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。協議規定所有MTP操作只能由Initator發起。
• Responder：一般是諸如數碼相機、智慧手機等儲存媒體檔案的裝置。Responder在MTP中的作用就是處理Initator發起的請求。同時，它還會根據自身狀態的變化傳送Event以通知Initiator。
  

注意：後文我們將統一以PC代表Initiator，Android手機代表Responder。

與很多協議一樣，MTP也有自己的協議棧，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協議中用來傳輸資料。目前有三種物理層可供MTP使用。它們分別是USB：其主要特點是傳輸檔案，同步媒體檔案時速度快，而且可以邊工作邊充電，這是目前用的最多的一種方式；IP：基於IP的MTP（簡稱MTP/IP）將通過UPnP來匹配和發現裝置。它是家庭網路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，資料傳輸格式遵循PTP協議
• 命令層：實現了MTP協議中的各種命令。
  

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

• 所有MTP命令均以Package（資料包）的方式在裝置兩端進行傳遞。
• Initiator必須接收到前一條訊息的處理結果（不論是成功還是超時）後，才能傳送下一條訊息。
  

下面我們將以PC通過MTP開啟一個檔案為例，按順序介紹其中涉及到幾個主要MTP命令：

• 當裝置第一次連線上PC後，Initiator（即PC）首先會發送一個名為GetDeviceInfo的請求以獲取裝置的資訊，這些資訊包括裝置所支援PTP版本的程度，以百分號表示（預設是100）、所支援的MTP命令（Operation Supported）、所支援的Event型別等。
• 接著PC端會發送OpenSession命令以建立一個會話，該會話一直保持到裝置從PC上斷開為止。此後所有命令（除GetDeviceInfo命令外）必須在此會話存活期間才能傳送。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端如果要進行檔案操作的話，必須從根目錄開始定位目標檔案。由於Windows的特殊性，手機內部儲存卡在windows系統中顯示為碟符。注意，如果手機內部有兩塊儲存卡的話（如內部儲存卡和外部sd卡），Windows中會顯示為兩個碟符。PC端需要通過GetStorageIDs命令返回某個碟符對應的StorageID。在MTP中，StorageID是一個32位無符號整型，每一個StorageID代表了一個邏輯碟符。
• PC端可以根據上一步的StorageID號，利用GetStorageInfo操作去獲取儲存裝置的資訊，例如剩餘儲存空間、檔案系統型別、訪問許可權等。
• 接著，PC就會通過GetObjectHandles命令來獲取此碟符下的檔案和子目錄的Object Handles（一個Object Handle代表一個檔案或目錄。該值由Responder生成並保證唯一性）。有了Object Handle，PC就可以操作這些檔案或目錄了，例如繼續通過GetObjectHandles獲取某個目錄中子檔案和子目錄的資訊。
• 假設現在需拷貝一個檔案到手機上，那麼PC會通過SendObjectInfo命令將檔案資訊（如檔名、檔案大小）等傳遞給手機。而手機需要檢查目標目錄是否有足夠的空間和對應許可權。
• 如果一切正常，PC將通過SendObject把資料傳遞給手機。真正寫檔案到裝置儲存空間的則是手機中的Responder。Android實現的MTP還會在媒體檔案傳輸完畢後，將資訊更新到媒體資料庫中。
• 除此之外，PC還可利用SetObjectPropValue 命令來設定檔案的各種屬性值，如Audio BitRate（位元率），Sample Rate（取樣率），Number Of Channels（聲道）等。
  

以上為讀者描述了MTP使用的一個簡單案例。至於其中的各種MTP命令，讀者不妨閱讀參考文獻1，即《MTP Specification v1.0.pdf》。協議對各種命令都有非常精確的描述，例如表1-1，表1-2所示為GetDeviceInfo命令，返回值定義。其引數型別，傳遞方向都有詳細解釋（不得不說，和Linux比起來，微軟的開發/技術文件做得相當到位）。

表1-1 GetDeviceInfo命令定義

表1-2所示為GetDeviceInfo的返回資料集的定義。

表1-2 GetDeviceInfo返回資料集的定義

MTP協議既然由微軟提出，理所當然，Windows對其支援自然是不遺餘力。目前Windows作業系統中，MTP和多媒體框架緊密結合，並且已經成為Windows Media框架中的重要一部分。如WMP10(Windows Media Player 10)和WMP11均內建對MTP功能，其中WMP11還新增對Playlist和Album art的支援。

微軟除了提出MTP協議並在Windows作業系統中提供大力支援外，它對使用MTP協議的裝置也有所管理。所有標稱支援MTP協議的裝置，必須通過微軟的測試WLK（Windows Logo Kit）。WLK測試通過的裝置可以獲得一個徽標。關於WLK測試的詳細資訊，請讀者參考http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/windows/hardware/gg487530.aspx。從以上鍊接中也能下載到wpdmon，它是MTP開發中最常用的測試工具，可顯示出所有PC與手機進行MTP操作時傳送的命令、資料及返回值。圖1-3為筆者測試某臺Android手機的MTP功能時用wpdmon截獲的資訊示意圖：

圖1-3 wpdmon工具使用示意圖

下面我們來看MTP在Android平****的實現。

Android從3.0開始整合MTP功能，主要原因有三個：

• 手機要支援UMS的話，必須有一個sd卡，因為sd卡往往採用Windows支援的分割槽格式。如果想把內部儲存空間通過UMS掛載到Windows上，則內部儲存空間需採用特定的分割槽格式。這對某些手機而言根本不可行。因為內部儲存空間本身可能是一個裝置，它們採用統一的分割槽格式。不能因為需要使用UMS，而再增加一塊特定分割槽格式的儲存裝置。
• UMS掛載到PC後，PC作業系統擁有絕對控制權。此時，Android系統將無法操作這些裝置。根據前文舉的Camera例子而言，這對越來越高階的Android版本而言是不可接受的。
• 另外一個不可忽略的事實就是Windows作業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支援力度不夠，Android也要整合它的一個重要原因吧。
  

要使用MTP功能，首先需要在設定中啟用USB連線模式為MTP，如圖1-4所示：

圖1-4 Settings中的MTP設定

圖1-4所示為參考機（Android 4.1版本）中“USB連線模式”設定。該操作實際上會觸發USB驅動做相應變動。本文不擬討論其中的過程，讀者可參考手機中init.platform-name.usb.rc檔案以檢視Android系統中USB的模式設定。從目前市面上釋出的數款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模組結合緊密，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++層包括幾個主要物件，如MtpRequestPacke負責從USB驅動讀取資料，並結構化命令格式及其引數、MtpDataPacket負責結構化手機要返回給PC的資料包、MtpResponsePacket負責結構化手機要給PC返回的response。MtpServer負責解析來自PC的命令並呼叫相應的介面函式進行處理。
• Java層包括UsbReceiver、MtpService、MtpServer等物件。其中UsbReceiver用來監視USB事件，判斷何時啟動或停止MtpService。MtpService負責啟動MtpServer和載入儲存裝置的資訊到資料庫。MtpServer負責通過jni介面去啟動/停止C++層中MtpServer以及處理Storage的新增和刪除。MediaProvider則負責查詢和更新資料庫。MtpDatabase名字雖然叫Database，但實際功能用於在MediaProvider和MtpServer之間轉換資料格式。例如把MTP傳遞過來的資訊（如檔案大小、檔案路徑等）轉換成MediaProvider需要的格式以方便其更新資料庫。
  

下面我們來看MTP的工作流程。

我們先來看MTP模組啟動的流程，如圖1-6所示：

圖1-6 MTP主要模組啟動流程

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。接著它需要從UsbManager中查詢USB的連結狀態，MTP的設定資訊和PTP的設定資訊。當用戶設定為使用MTP模式時，UsbReceiver將通過startService函式啟動MtpService。
• MtpService啟動，在其onStartCommand中將建立MtpDatabase物件和MtpServer物件。
• UsbReceiver同時通過insert一條特殊uri（值為“content://media/none/mtp_connected”）的方式，觸發MdiaProvder呼叫MtpService的bindService函式。這樣，MediaProvider和MtpService就建立了緊密聯絡。
  

MtpServer是Android平****MTP協議處理的核心模組，它會單獨啟動一個執行緒用於接收PC端的命令，其程式碼如圖1-7所示：

圖1-7 MtpServer run函式程式碼片段

由圖1-7可知，MtpServer不斷從檔案描述符讀取請求，然後呼叫handleRequest進行處理。最後把處理結果返回給對端。

從這段程式碼讀者可以發現，Android MTP命令層和物理層之間的耦合度較低，這樣也方便將來實現MTP/IP功能。

接下來我們看看PC端傳送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的處理流程大體步驟如下：

• PC發SendObjectInfo命令給MtpServer。MtpServer需要檢查儲存裝置剩餘空間、可支援的最大檔案大小。如果一切正常的話，它會通過MediaProvider的insert函式往媒體資料庫中加入一條資料項。
• 接著PC通過SendObject將檔案內容傳遞給給MtpServer。而MtpServer就會建立該檔案，並把資料寫到檔案中。
• 當檔案資料傳送完畢，MtpServer呼叫endSendObject。而endObject則會觸發MediaScanner進行媒體檔案掃描。當然，掃描完後，該檔案攜帶的媒體資訊（假如是MP3檔案的話，則會把專輯資訊、歌手、流派、長度等內容）加入到媒體資料庫中。
  

通過對SendObjectInfo描述，我們也可看出，Android充分利用了其平臺本身的特性，真正將媒體傳輸協議和媒體檔案掃描恰到好處得結合起來，從而發揮了MTP最大功效。

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，但因為歷史原因，其使用程度相當廣泛，以至於Android也提供了最基本的MTP實現。

當然，如果要做到真正實用並通過微軟認證，手機廠商還需要在此基礎上做進一步的開發。結合筆者自己的使用經歷，國外大牌手機廠商例如Sony、Samsung、Nokia等對MTP的支援相當到位。相比而言，國內手機廠商的起步稍微晚一點，需要投入更多的精力才能超越。另外，隨著無線技術的普及，MTP基於IP的實現也將極大方面使用者的使用。筆者在此希望大家能一起努力，早日讓使用者從USB資料線中解放出來。