安卓／iOS 和 Windows 的 USB 有线投屏

PC直播姬中的直播素材之一——投屏源可与安卓或iOS移动端应用（直播姬、粉版）配合使用，将移动端画面投射到PC直播姬中。投屏源最初仅支持无线投屏，即通过局域网 WiFi传输，但这样的链路会受到网络质量影响，而且如果Windows计算机和移动设备不在同一网段或者配置了局域网隔离，那么就无法投屏成功。

无线投屏的这些缺点，使用USB有线投屏即可克服。本文基于Windows平台，介绍计算机与安卓/iOS通过USB交换数据的实现方式。

在讲述具体的内容之前，有必要先了解一下USB设备相关的一些基础知识。USB（通用串行总线）是一种用于设备与设备之间互连的串行总线标准 ^[1]。其总线拓扑如下图所示：

^{图2-1  USB总线拓扑}

图2-1中，集线器和功能设备统称为USB设备（为简单起见，下文将使用“USB设备”来称呼功能设备）。一个USB系统中只有一个主机，主机通过主机控制器（Host Controller）来与根集线器交互。

每个USB设备都被赋予了两个数字标识：

• Vendor ID：生产该设备的制造商的标识

• Product ID：设备某一型号的标识，相同型号的设备具有相同的Product ID

在Windows平台上，USB设备和设备驱动之间通过Vendor ID和Product ID关联。新安装的USB设备驱动会取代已安装的具有相同Vendor ID和Product ID的驱动（如果有的话）。在使用有线投屏时，就需要安装对应于用户使用的移动设备USB驱动，来取代其原有的设备驱动。这一点在下文将详细叙述。

首先介绍iOS有线投屏，整个投屏链路组成如图3-1所示。下文将分别讲述Windows端和iOS端的实现细节。其中，Windows计算机上的接收端软件作为连接的发起方，iOS设备上的应用程序作为接受方。

^{图3-1  iOS有线投屏链路组成}

相比安卓，iOS有线投屏Windows端的实现较为简便。其核心是libimobiledevice开源库（LGPL2.1协议） ^[2]以及苹果的iTunes桌面端软件附带的AppleMobileDeviceSupport服务程序（下文简称苹果服务） ^[3]。

需要在Windows计算机上安装该程序，该程序将会创建一个Windows服务，名称为Apple Mobile Device Service，负责与苹果驱动通信。该服务是libimobiledevice与iOS设备通信的桥梁。

iTunes也使用该服务程序，因此如果已经安装了iTunes桌面端，则无需再安装服务程序。

苹果服务安装成功后，外部程序即可使用libimobiledevice与通过USB线缆连接到Windows计算机的iOS设备通信了。

在第一次连接iOS设备时，Windows计算机会为其安装合适的驱动程序。设备管理器中会显示详细的设备信息。

^{图3-2  iOS设备连接后设备管理器中的情况}

正常情况下，连接iOS设备（这里使用了iPad），驱动安装完成后，设备管理器中相关的设备节点如图3-2所示。其中：

• “Apple iPad”是WPD（Windows Portable Devices）^[4]设备，用于访问iPad的存储空间；

• “Apple Mobile Device USB Device”用于暴露数据通信端点，投屏就是通过该设备进行的。我们不会直接和该设备交互，而是通过苹果服务进行访问；

• “Apple Mobile Device USB Composite Device”作为前两个设备的父设备，实际是一个集线器。

如果因为种种原因，导致这些驱动被其他具有相同Vendor ID和Product ID的驱动替换掉的话，投屏链路就无法建立。此时，iTunes也是处于无法和设备通信的状态。出现这种问题时，只能手动卸载掉这些驱动，然后重新连接设备，让Windows计算机重新安装官方驱动。

设备连接逻辑本身较为简单，如下图所示：

1. 检查苹果服务是否已安装，使用libimobiledevice提供的API：idevice_get_device_list() ，查看其返回值，如果返回错误则表明服务未安装；

2. 第1步的API若返回成功，则得到当前连接在Windows计算机上的iOS设备列表；

3. 挑选设备之后，使用API：idevice_connect() 进行连接，调用时需要指定一个事先协商好的端口号。iOS设备上的应用程序将来需要使用这个端口号创建一个本地套接字，作为服务端。

投屏的数据链路建立之后，Windows计算机上的接收端程序即可调用API：idevice_connection_send() 和idevice_connection_receive_timeout() 来发送和接收数据。收发数据的调用是同步的。

如果在数据传输过程中断开USB电气连接，当前或后续的读写调用会立即返回错误。在此之后需要重新枚举设备。稳定连接速度实测为 35MiB/s 左右，使用USB2.0或者USB3.0接口，速度没有太大的差别。

通信时数据包使用如下头部：

首先进行握手，握手数据包使用上述结构，没有载荷，流程见图3-3。握手成功之后iOS移动端将音视频数据编码后封装为FLV流，数据包加上上述头部后发送给Windows设备上的接收端程序，接收端将数据中的有效载荷送入解封装/解码器，将结果合并进入直播场景中。

^{图3-3  iOS有线投屏接收端逻辑流程图}

^{图3-4  iOS有线投屏连接后载荷传递时序图}

iOS端的首要任务就是通过ReplayKit采集屏幕、麦克风和设备音频。随后使用Audio/VideoToolBox将音视频数据编码，并封装为FLV。最后通过基于usbmux协议的设备间通信，将FLV数据发给Windows计算机上的接收端程序。

得益于苹果对iOS录屏框架replaykit的不断完善，在iOS 12时提供了稳定的API, 可以实现对iOS设备屏幕、麦克风和设备播放音频的录制。主要流程如下：

1）创建Broadcast Upload Extension，Xcode会新增Extension工程，选择Target运行。如图3-5所示：

^{图3-5  iOS录制工程}

2）通过RPSystemBroadcastPickerView启动屏幕录制页面，或者设置→控制中心→添加屏幕录制，在控制面板长按屏幕录制按钮启动页面：

^{图3-6  iOS屏幕录制页面}

3）创建Broadcast Upload Extension后，会自动生成sampleHander类，当启动屏幕录制后，会触发processSampleBuffer:withType方法，回调实时采集的音视频数据：

^{图3-7  iOS录制回调}

usbmux是苹果的私有协议，苹果设计该协议的原因是为了自家的macOS APP能够和iDevice进行通信，从而实现诸如iTunes备份iPhone、Xcode真机调试等功能。该协议提供了一种类似TCP socket的API，使得macOS和iOS设备之间的通信，如同是网络上的两个主机之间的通信。

Windows计算机则可以安装AppleMobileDeviceSupport服务, 与iOS设备之间建立通信。在第一次连接iOS设备时，Windows计算机会为其安装合适的驱动程序，设备管理器中会显示详细的设备信息，可参见图3-2。

基于usbmux协议，iOS端启用应用后，创建Socket，监听协商的端口号，启动TCP Server。PC端则充当Client的角色，根据协商的端口号，调用libimobiledevice库连接iOS设备。

由于iOS启动屏幕录制后的Extension是与宿主APP相独立的一个进程，Extension与宿主APP的数据交互，同样的可以基于TCP Client/Server的机制，Extension内创建TCP Client连接宿主APP的TCP Server，进行数据的传输。传输数据所使用的结构参见3.1.4小节。

通过Replay Extension采集到屏幕的视频帧画面，其分辨率与设备屏幕尺寸等比例，可经过渲染对视频帧画面进行处理，如：裁剪，缩放，再使用VideoToolBox进行H.264编码，得到编码后的数据包。

采集的音频数据包含麦克风的声音和设备播放的音频，可以音频数据进行混音操作，合成单路音频流，然后使用AudioToolBox进行AAC编码。最后将编码后的音视频数据封装成FLV Packet。Packet经由TCP Server中转，发送至Windows计算机上的接收端程序。

^{图3-8  iOS录制数据封装流程}

以上就是iOS有线投屏的全部内容。接下来是安卓有线投屏。

安卓有线投屏目前存在两类方案：ADB方案和配件方案。使用ADB方案进行数据透传需要打开手机“开发者选项”中的“USB调试”功能，对于普通用户而言不是一个好选择，操作复杂且存在安全风险，不适合用于线上场景；配件方案对于绝大多数机型来说都不需要开启USB调试，且不需要额外权限，但需要启动App。本文选择配件方案。

安卓有线投屏的链路组成如图4-1所示。下文将分别讲述Windows计算机和安卓端的实现细节。其中，Windows计算机上的接收端软件作为连接的发起方，iOS设备上的应用程序作为接受方。

^{图4-1  安卓有线投屏链路组成}

安卓有线投屏Windows端的实现稍显复杂。数据链路使用libusb开源库（LGPL2.1协议） ^[5]和libusbK驱动 ^[6]建立。连接时首先定位到目标设备，然后按照谷歌的安卓开放配件协议（AOA）1.0 ^[7]使安卓设备进入配件模式。

虽然libusb提供了枚举设备的接口，但其提供的信息较少，即使是要获取设备名，也需要先打开设备。而很少有设备可以在不安装libusb相关驱动（比如libusbK）的情况下被libusb打开。于是这里直接调用Windows计算机提供的SetupAPI来获取设备信息。libusb在Windows平台上也是通过SetupAPI来获取USB设备信息的，但可能是出于跨平台考虑，许多信息没有通过接口暴露出来，而是供其内部使用。

使用SetupAPI可以拿到很多信息，例如设备描述、设备实例ID、设备类、父类、子类等等。即使有这些信息，要精确地仅枚举安卓设备仍很困难，目前采用的方法是枚举WPD（Windows Portable Devices）设备。该类设备在设备管理器中被列为“便携设备”。

^{图4-2  Windows设备管理器中的便携设备}

虽然U盘或移动硬盘这种存储设备也被列为便携设备，但这些设备的设备实例路径前缀并非USB，通过SetupAPI就可以很容易地过滤。苹果设备可以通过Vendor ID过滤，苹果公司的Vendor ID是固定的（0x05AC）。

目前的过滤方案可以过滤大部分的非安卓设备，但可能仍有一些设备会逃过过滤。这些设备并非安卓，并且存在Windows计算机可访问的存储空间，但又不是U盘、移动硬盘这种纯粹的存储设备，比较有可能的是数码相机。在下一节可以看到，我们需要为选择的设备安装libusbK驱动，然后才能和设备通信，如果选择了错误的设备，安装的驱动会把原有驱动替换掉，在此之后使用当前的PC是无法访问设备的存储空间的。要再次访问设备存储，需要卸载libusbK驱动，并重新连接USB线缆。

此外，可能一些设备已经在之前建立过连接，我们已经为其装过驱动，这些设备也应该列入候选列表中。在下一节可以看到，我们安装的驱动有特殊的类GUID，可以很容易地过滤。

实际代码中，首先使用Windows设备管理API：SetupDiGetClassDevsW() 筛选设备，主要参数填写如下：

• ClassGuid填写为WPD分类的GUID{eec5ad98-8080-425f-922a-dabf3de3f69a} 以及我们自己定义的GUID（用于筛选出已经安装过我们的驱动的设备）

• Enumerator 填写为”USB”字符串。我们仅关心USB设备。

调用成功后，即可使用SetupDiEnumDeviceInfo() 进行实际的枚举操作。我们感兴趣的信息是设备实例ID，可唯一标识连接到系统的某个USB设备。该ID可通过SetupDiGetDeviceInstanceIdW() 获得，ID字符串形如USB\VID_1234&PID_5678…。虽然微软文档不建议对该字符串进行解析，但没有其他更合适的方法拿Vendor ID 和Product ID了。

除此之外，还需要调用SetupDiGetDevicePropertyW() 获取以下信息：

还有一点需要说明的是，为了后续libusb能够正常工作，我们需要确保获取到的设备是具有同一Vendor ID 和Product ID的父根设备。可使用Windows API：CM_Get_Parent() 和CM_Get_Device_IDW() 不断向上遍历，直到再向上Vendor ID 和Product ID不同的时候再停止，此时的设备就是我们需要的设备。新版libusb似乎已经可以支持子设备，但目前并未验证。

当我们选定了要连接的设备，同时就得到了设备的Vendor ID 和Product ID。除此之外还有设备实例ID，让我们能够区分连接到同一台PC的多台同一型号的安卓设备，这些设备具有相同的Vendor ID和Product ID，但Windows计算机为这些设备分配的设备实例ID是不同的。

由于我们后续的逻辑基于libusb，因此需要使用上一步拿到的信息获取libusb的设备对象。先使用libusb_get_device_list() 获取USB设备列表进行遍历，然后使用libusb_get_device_descriptor() 获取设备的描述信息，和上面拿到的信息进行比对，来找到目标设备。

详细的连接逻辑如下图所示：

^{图4-3  安卓有线投屏接收端发起连接逻辑}

连接流程可以概括为：

1. 为选择的设备安装libusbK驱动（如果之前没有安装过），驱动安装完毕后，即可使用libusb访问设备。关于驱动如何部署，见下文；

2. 根据谷歌的AOAv1文档，向设备发送指令，将设备切换至配件模式。切换后安卓系统会弹出相应的提示。见下文；

3. 如果设备成功切换，则其报告的Vendor ID和Product ID会发生变化，从原先的对应设备制造商的ID转换为谷歌预留的固定ID：0x18D1和0x2D00，如果设备开启了USB调试，则转换后的ID是0x18D1和0x2D01。可由此判断设备是否开启了USB调试；

4. 因为设备的Vendor ID和Product ID变化，需要再次安装libusbK（如果之前没有安装过），驱动安装完毕后，即可使用libusb访问处于配件模式的设备，连接建立完成。

上述流程中，第一次安装的驱动需要和想要连接的设备的Vendor ID和Product ID对应。这个驱动将会在选择设备后，由一个事先准备好的驱动模板填入Vendor ID和Product ID生成。驱动模板使用libusbK附带的驱动开发包 (UsbK Development Kit) 中的驱动安装包创建向导 (Driver Install Creator Wizard) 基于任一USB设备生成的驱动安装包修改而成。该流程对于第二次安装的驱动来说也是一样的。

驱动安装包文件中的二进制文件可以直接使用，而且驱动文件已经打过签名。INF文件是我们修改的目标，里面记录了对应设备的Vendor ID和Product ID，显示名称、制造商名称、类GUID等等。类GUID可以改为我们独有的GUID，以便于在设备枚举阶段筛选出已经装过驱动的设备。

INF文件修改完成后，执行同一目录中的dpinst64.exe文件即可安装驱动。需要注意的是，该可执行文件需要管理员权限，执行前最好进行文件校验，以防篡改。

接下来说明配件模式相关的数据。在步骤2中，发送的指令可携带以下信息：

^{表4-2  安卓配件信息}

发送时序如图4-4所示：

^{图4-4  安卓有线投屏切换配件模式时序图}

首先使用libusb_open() 打开设备，并使用libusb_claim_interface() 打开读写接口，然后就可以使用libusb_control_transfer() 发送和接收数据了，具体指令格式可参阅谷歌AOAv1文档，这些信息用于匹配安卓端的应用程序。切换完成之后，需要重新枚举设备，找到固定ID：0x18D1和0x2D00的设备，使用libusb_open() 打开设备，并使用libusb_claim_interface() 打开读写接口进行后续数据通信。

如果安卓端安装有对应的应用程序，转换为配件模式后，安卓端会弹出如图4-5左侧的系统消息；如果没有对应的应用，则安卓端会弹出如图4-5右侧的系统消息。图中红框标出的部分对应“配件描述”。

^{图4-5  安卓配件提示}

安卓端用于处理配件模式的应用需要做出声明，参见4.2.2小节。

如果安装有对应的应用，点击“确定”按钮将拉起该应用；如果安装有多个对应的应用，则会弹出应用选择弹窗，选择其中一个应用后会将其拉起。在该应用中使用安卓Framework层提供的USBManager可打开对应的附件，得到文件描述符，可对该文件描述符进行读写操作。到此通信链路即建立完成。

投屏的数据链路建立之后，Windows计算机可以调用libusb API：libusb_bulk_transfer() 来进行设备通信。建议设置1秒超时，以防止出现无限等待的情况。

如果在数据传输过程中断开USB电气连接，当前或后续的读写调用会立即返回错误。在此之后需要重新枚举设备。稳定连接速度实测为 30MiB/s 左右。使用USB2.0或者USB3.0接口，速度没有太大的差别。

通信时数据包使用的头部与iOS有线投屏相同。握手和后续的接收数据流程也与iOS有线投屏基本相同，参考流程图3-3即可。

在前面的连接步骤中，我们为选定的设备安装了libusbK驱动，这一过程会替换掉设备原本的驱动，换言之，设备将失去原本驱动所能提供的功能。例如：Windows计算机访问安卓的文件系统，或者Windows计算机通过安卓连接网络。因此，有必要提供卸载功能，使得用户在不使用投屏时，仍可以使用原驱动的功能。

驱动卸载分为以下两步：

1）移除设备

使用Windows API：SetupDiGetClassDevsW()，传入我们定义的设备类GUID，以及枚举器 ”USB”。然后使用SetupDiEnumDeviceInfo() 进行枚举，保存枚举到的设备的以下信息：

然后调用SetupDiCallClassInstaller()，传入DIF_REMOVE进行设备移除。

2）卸载驱动软件

以上一步获得的INF文件名，调用SetupUninstallOEMInfW()，删除驱动。

在安卓端，对音视频编码后，通过UsbManager获取配件文件描述符，进行读写即可完成数据传输至另一端。其中，应用层程序通过安卓Framework层获得UsbManager代理对象，经过授权后拿到FileDescriptor，此时Framework 层会通过UsbDeviceManager打开 "/dev/usb_accessory" 并获取必要的描述信息，以供附件匹配，在确认匹配和授权后，应用层即可进行IO操作。

安卓从3.1版本开始支持USB配件和主机两种模式，两种模式的示意见图4-6。安卓设备作为USB主机时，可连接U盘等USB设备，并由安卓设备提供电力；而在配件模式时，配件作为USB主机连接至安卓设备，并为安卓设备供电。在有线投屏场景中，Windows计算机就是“配件”。

^{图4-6  安卓设备USB主机/配件模式（图片来源：Google官网）}

如4.1.2小节所述，若一个安卓应用想要用于配件模式通信，它声明的信息就必须与配件提供的信息对应。具体来说，安卓应用需要：

1. 在清单文件中声明 <intent-filter> 和 <meta-data> 为hardware.usb.action.USB_ACCESSORY_ATTACHED，当配件连接时，应用将会收到通知；

2. 在安卓应用资源目录下声明关心的配件清单 res/xml/accessory_filter.xml，包含：型号、制造商和版本。这三个字段需要和Windows计算机上的接收端程序发送的字段一致（见表4-1）。

当有配件连接安卓设备，并使安卓设备进入配件模式，且安卓设备上安装有匹配配件信息的安卓应用时，应用的响应流程如图4-7所示：

^{图4-7  安卓设备对配件模式的响应}

• 应用未启动时：当USB连接时，系统识别到清单文件中声明的配件信息，在用户同意后将唤醒应用。可通过安卓服务获取到USBManager来枚举出连接的配件，在校验通过后打开此配件将得到一个文件描述符。可以通过IO流对该文件描述符进行读写操作，即可完成传输。

• 应用已启动时：可通过安卓BroadcastReceiver对USB连接进行监听，当发现有新的设备连接后，向系统服务USBManager，主动发起授权申请，当得到用户的授权后，系统将以广播的形式通知到应用，此时对配件权限进行校验后，打开文件描述符进行读写。

数据输出流程包括采集、编码和封装三个主要阶段，最终封装为FLV格式的数据。投屏中使用MediaProjection进行屏幕采集，AudioRecord进行麦克风采集。通过MediaCodec对视频和音频分别进行编码，生成AVC视频流和AAC音频流。

设备连接时，通过UsbManager申请UsbAccessory操作权限，并获取ParcelFileDescriptor以实现IO输出。随后，我们将AVC和AAC数据队列按时序交替封装成FLV Packet，形成连续的数据流，并通过此IO输出传输至Windows端。

搭建iOS有线投屏链路需要：

• 在用户的Windows计算机上安装苹果服务；

• 软件中接入libimobiledevice库以进行设备枚举和数据通信。

搭建安卓有线投屏链路需要：

• 准备好libusbK驱动模板和驱动生成逻辑，跟随软件部署；

• 软件中调用SetupAPI枚举设备，接入libusb以进行数据通信；

相对无线局域网来说，有线投屏连接更为稳定，仅需一根质量尚可的USB数据线缆，即使是USB2.0的带宽也可满足目前要求。但其也有缺点：数据链路的搭建逻辑较为复杂；需要安装额外的USB驱动程序；有线连接本身可能就会造成一些阻碍。但对于需要稳定投屏，或者电脑和手机无法通过局域网连接的用户来说，有线投屏可能是唯一的选择。

-End-

作者丨ucclkp、大鸡排、青藤

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