CN104965892B - 一种无线传感器网络中基于字典的xmpp压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种适用于无线传感器网络的基于字典的XMPP压缩方法，涉及无线传感器网络技术领域。本发明在XMPP系列协议标准的基础上，根据无线传感器网络本身特点和应用需求，设计基于字典的XML压缩方法。该方法主要对XMPP网络中冗余XML树结构和XML闭合元素标签内容进行压缩，使压缩后的XML尽可能精简。本发明在无线传感器网络XMPP系统中实现基于字典的XML压缩方法，精简XML节，可降低无线传感器网络XMPP系统的能量消耗和资源占用率。

Description

一种无线传感器网络中基于字典的XMPP压缩方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，特别是无线传感器网络中一种基于字典的XMPP压缩方法。

背景技术

随着无线传感器网络技术的飞速发展，智能家居，智能交通等应用相继涌现。目前，无线传感器网络应用层协议众多，但各协议之间存在互不兼容等问题。然而，XMPP是一种基于XML的即时通信协议，XMPP全称：可扩展通讯和表示协议，其在互联网中已经得到了广泛应用，并逐渐延伸至无线传感器网络。XML在互联网中具有非常广泛的应用，并且扩展性很强，可以通过XML描述各种类型的应用数据，因此可以利用XMPP统一异构网络的应用层数据，从而实现异构网络的互联互通。

然而，在无线传感器网络XMPP通信系统中，由于XML自我描述的复杂性，使得XML非常冗余，这也就意味着XMPP系统在传输、处理以及存储XML时需要更多的资源，并且冗余的XML在传输过程中会消耗更多的能量。为了减少无线传感器网络XMPP系统中XML传输过程中系统能量的消耗，对XML进行合理的压缩具有较为重要的意义。

字典算法是简易、可行的压缩算法之一。它是把文本中出现频率比较多的单词或词汇组合做成一个对应的字典列表，并用特殊代码来表示这个单词或词汇。它不采用统计模型，也不采用变长码，它是选择字符串，使用字典将每个字符串编码成一个标识。

因此，为了解决无线传感器网络XMPP通信系统的资源浪费以及能耗问题，很有必要设计一种合理的压缩算法，对XML进行压缩，目前主要是应用于互联网中的XML压缩技术，这些压缩技术虽然可以实现较高的压缩比，但是通常非常复杂，在实现过程中需要大量的资源，这就导致了它们在资源受限的无线传感器网络中应用具有非常多的限制。

发明内容

针对现有技术的不足，提出了一种提高了传输的质量和效率，同时可以进一步节省基于UDP的XMPP通信系统的能量，从而使得网络节省更多的能量以延长系统的使用寿命的无线传感器网络中基于字典的XMPP压缩方法，本发明的技术方案如下：一种无线传感器网络中基于字典的XMPP压缩方法，其包括以下步骤：

101、当采用可扩展通讯和表示协议XMPP规定的可扩展标记语言XML对无线传感器网络的信息进行描述时，采用可扩展标记语言XML结构压缩的步骤进行压缩，具体结构压缩步骤包括：

A1、发送方对可扩展标记语言XML进行预处理，解析出其所描述的XML树，并获取所有叶子结点的路径；

A2、将XML树从根结点到叶子结点依次分为根结点，一级子结点，二级子结点直到叶子结点，树的根结点和各级子结点存储的是XML片段中根元素和各级子元素所对应的描述信息；

A3、将每个叶子结点压缩属性值定义为由N个域组成的值，压缩属性值格式为X₀.X₁.X₂…X_k…X_(N-1)，其中X₀表示根结点，X_(N-1)表示叶子结点,当X_k为0时表示对叶子结点的(N-k-1)级父结点进行结构压缩，当X_k为1时则表示对叶子结点的(N-k-1)级父结点不做任何处理；

A4、在XML树中对所有叶子结点及其父结点进行赋值，0表示该结点省略，1表示该结点保留，XML树结构压缩中，当表示叶子的域赋为1时，其关联的父结点域赋为1或者0，而当表示叶子结点的域赋为0，并且其一级父结点只有其一个子结点时，则其关联的父结点域均须赋为0；

102、当可扩展标记语言XML片段的结构元素层次少于5时,也即是说XML文档描述的XML树结构的深度小于5时，XML语言的每一个子元素都需要一个关闭标签，选择XML闭合元素标签内容压缩的步骤进行压缩；

103、当XML片段元素层次不少于5时，也即XML文档描述的XML树结构的深度大于5时，采用联合压缩法也即同时采用步骤101中的XML结构压缩和步骤102的XML闭合元素标签内容压缩相结合的步骤进行压缩。

进一步的，步骤102所述的选择XML闭合元素标签内容压缩的步骤进行压缩具体包括以下步骤；

B1、解析XML，对XML根元素中添加XML闭合标签压缩属性，并且对压缩属性赋值，XML闭合元素标签内容压缩属性定义为”compression”，属性值定义为”open”；

B2、XML闭合元素标签内容压缩对XML中所有元素的闭合标签中的重复模块进行压缩，而对闭合元素标签的关闭符则予以保留。

进一步的，步骤103所述的联合压缩法具体步骤如下：

C1、首先对所要传输的XML进行预处理，获取其结构、数据以及元素内容，根据实际的XML定义合理的结构压缩属性值；

C2、同时在根元素中添加闭合元素标签压缩属性进行声明,闭合元素标签压缩及其压缩属性值和XML树结构压缩属性以其压缩属性值的添加格式为<rootelementcompression＝’open’strunture_compression＝’value’>；

C3、对压缩后的XML进行闭合标签补全，然后在XML闭合标签补全的情况下采用由于结构压缩而改进的XML解析器对其进行解析。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明在无线传感器网络的XMPP通信系统中采用了基于字典的XML压缩方法，考虑到无线传感器网络受限的资源和能量等特点，采用具有高实时性和易扩展性的XML技术，并利用XML自身的特性，针对无线传感器网络的应用需求，设计相应的压缩技术，在无线传感器网络的XMPP通信系统中实现XML片段的压缩。因此，本发明基于字典的XML压缩方法，不仅降低了网络中的资源被占用率，尽可能简化XML片段，还提高了网络的质量和延长了网络的寿命。

附图说明

图1是本发明优选实施例XML结构压缩流程图；

图2为XML结构压缩解析流程图；

图3为XML闭合元素标签内容压缩流程图；

图4为XML闭合元素标签内容压缩解析流程图；

图5为联合压缩方法压缩流程图；

图6为联合压缩方法解析流程图；

图7为XML树结构压缩图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

在无线传感器网络的XMPP通信系统中，根据XML片段结构的冗余情况，基于字典的XML压缩方案有三种可供选择，然后再对每一条XML片段进行相应处理。本发明设计的三种XML压缩方案具体如表一所示。

表一

对于表中的三种压缩方案，下面将对其进行分别介绍。

1.XML结构压缩方法

本发明所研究的XML结构压缩的设计方案是在XML根元素中对每个叶子结点添加结构压缩属性，并对所有的压缩属性配置合理的值，压缩属性值的配置主要依据叶子结点所在树的深度以及其所承载信息的重要性。接收实体接收到压缩后的XML片段后对其解析，获取压缩属性值，根据压缩属性值的定义将接收到的数据进行解析。

1.1XML叶子结点压缩属性及属性值

将XML树从根结点到叶子结点依次分为根结点，一级子结点，二级子结点直到叶子结点，树的根结点和各级子结点存储的是XML片段中根元素和各级子元素所对应的描述信息。每个叶子结点压缩属性值定义为由N个域组成的值，压缩属性值格式为X0.X1.X2…….XN-1，其中X0表示根结点，XN-1表示叶子结点。当Xx为0时表示对叶子结点的(N-X-1)级父结点进行结构压缩，当Xx为1时则表示对叶子结点的(N-X-1)级父结点不做任何处理。在对XML节进行压缩之前，发送方需要对XML进行预处理，解析出其所描述的XML树，并获取所有叶子结点的路径。

1.2XML树结构压缩

XML所描述的XML树的叶子结点所在深度是不尽相同的。根据实际的需求对叶子结点所关联的结构进行压缩，在XML树中对所有叶子结点及其父结点进行赋值，0表示该结点省略，1表示该结点保留。本发明所研究的XML树结构压缩中，当表示叶子的域赋为1时，其关联的父结点域根据实际需求赋为1或者0。而当表示叶子结点的域赋为0，并且其一级父结点只有其一个子结点时，则其关联的父结点域均须赋为0。树结构压缩如图7所示。

1.3XML结构压缩和解析流程

1)在完成了XML解析获得XML树结构解析之后，进行XML结构压缩，对XML树结构的所有叶子结点及其路径进行解析。XML树结构压缩的实现流程如图1所示。

2)接收实体接收到结构压缩后的XML片段后对其进行解析，获取根元素中的每个叶子结点的结构压缩属性值，接收实体对于压缩的XML结构不再进行解析。发送实体对各个叶子结点的结构压缩属性的赋值是根据接收实体的需求而定的。发送实体采集的信息可能有多种，并且XML描述的也比较详细，但是接收实体只需要获取发送实体采集的信息中的一类或者较少的几类，这时发送实体就需要根据接收实体的需求对不同的叶子结点结构压缩属性配置不同的值，接收实体根据叶子结点的压缩属性值对压缩后的XML片段进行解析，从而获取自身所需要的信息。XML结构压缩解析流程如图2所示。

3)接收实体中原来的XML解析器是对未压缩的XML片段进行解析的，若对结构压缩后的XML片段进行解析需要在功能上对其进行改进。XML解析器从根元素开始对XML进行层层解析，直至XML树的叶子结点，若在解析过程中出现解析不到规定的子元素的情况，那么解析器退出整个解析过程。压缩后的XML在结构上有了变化，其中有些冗余结构被压缩，若利用原来的XML解析器对压缩后的XML片段进行层层解析则无法解析至叶子结点，那么就需要在功能上对原XML解析器进行改进，使其支持对XML结构压缩后的XML片段的解析。

2.XML闭合元素标签内容压缩和解析

基于字典的XML压缩方法对XML闭合元素标签进行了压缩设计，对XML闭合元素标签的压缩可以在XML结构压缩之前进行，也可以在XML结构压缩之后进行，原则上而言，对XML闭合元素标签内容压缩须在XML结构压缩之后进行。XML闭合元素标签内容压缩的实现流程如图3所示。

1)XML闭合元素标签的压缩策略相对简单，在XML根元素中添加闭合元素标签压缩属性，属性值设定为’open’，即表示该XML片段中的闭合元素标签进行了压缩。

2)原XML解析器对XML片段的解析是以元素为基础的，XML语法规定XML元素必须有开始标签和闭合标签。而经过压缩后的XML中的闭合元素标签已被压缩，利用原XML解析器无法解析压缩后的XML片段，所以需要对原XML解析器进行改进，使其具备对压缩的闭合标签自动补全的功能，然后再将补全后的XML片段利用原XML解析器进行解析。闭合元素标签内容压缩后的XML片段解析流程如图4所示。

3)接收实体使用原XML解析器对未经过任何压缩的XML片段进行处理，对若经过闭合元素标签压缩处理后的XML片段进行解析，则需要对原XML解析器进行改进。改进的XML解析器处理经过压缩后的XML文档从根元素开始解析直至叶子结点元素，对压缩后的XML片段中所有元素进行闭合标签自动补全，进而还原为原XML片段，然后再利用原XML解析器对还原后的XML片段进行解析，获取叶子结点所承载的负载信息。

3.联合压缩方法

事实上，将XML结构压缩和XML闭合标签压缩结合而成的压缩方法更适用于实际的应用需求，并且利用这种压缩方法能获得更高的压缩比。XML结构压缩和XML闭合标签压缩结合实现流程如图5所示。

1)使用XML结构压缩和XML闭合元素标签内容压缩结合的压缩方法时，在XML片段的根元素中添加XML闭合元素标签内容压缩的属性是必须的，而对于XML结构压缩属性的声明添加则需要根据XML的结构以及接收实体的实际需求而定。

2)对于经过XML结构压缩和XML闭合元素标签内容压缩的XML的解析相对较为复杂，接收实体在解析过程中首先需要对压缩后的XML进行闭合标签补全，然后在XML闭合标签补全的情况下采用由于结构压缩而改进的XML解析器对其进行解析。XML结构压缩与XML闭合元素标签内容压缩解析流程如图6所示。

3)对于处理经过结构压缩与闭合元素标签压缩后的XML片段，接收实体需要对原XML解析器进行改进。改进的XML解析器首先判断出压缩后的XML片段是经过闭合元素标签压缩的，对压缩的闭合标签进行补全，然后继续判断压缩片段是经过结构压缩的，再利用由于结构压缩而改进的XML解析器对其进行解析，从而获取压缩片段所描述的负载信息。

实施例

为了进一步准确的说明本发明压缩方法的原理，下面将对一段XML使用本发明所述的结构压缩和闭合标签压缩方法进行处理，下面是一段待压缩的XML片段，为了简单明了的说明压缩方法，XML段经过精简对一些属性等信息进行了省略，只给出了涉及到压缩的关键部分元素标签。

那么，在现实中我们根据实际情况，在客户端对以上的数据进行相应的压缩处理。其中，以message为父节点，则它有三个子节点分别表示温湿度、一氧化碳和二氧化硫三类数据，进一步子节点的子节点也就是叶子节点分别有不同的值。这里如果我们假设温湿度值需要带小数的完整数据，而一氧化碳信息无需接收，二氧化硫也需要带小数的完整数据。

利用本发明的XML压缩方法，对该XML片段解析后获得树结构，再进行压缩处理，压缩的具体步骤如下：

1)首先解析这段XML可以得到一个树结构，如图7左边所示的树结构，对该树结构进行结构压缩；

2)对于叶子节点本身信息和到其父节点信息不能忽略则节点域赋值分别为1,1；对上一级元素温湿度信息则可以忽略取0或保留取1，这里我们忽略故取0，因为它的信息不影响XML压缩的正确与否；跟节点不能忽略故取1；则该叶子节点到父节点的域值为1.1.0.1。同理，对于元素1的另一个子元素到根节点有1.1.0.1；元素2的信息不需要，故都可以省略；元素3的两个叶子节点到根节点分别为1.1.1和1.1.1；

3)对重复标签进行压缩，也就是闭合标签压缩的方法，在XML根元素中添加XML闭合标签压缩属性，并且对压缩属性赋值，XML闭合元素标签内容压缩属性定义为”compression”，属性值定义为”open”。元素1,2,3都可以通过该方法处理掉，而对闭合元素标签的关闭符则予以保留。

这样我们就可以得到一条经过压缩的精简XML片段，如下：

可以清楚的看到，经过本发明的XML结构压缩和闭合标签压缩后的XML片段精简了许多，这在XML较为冗余的无线传感器网络XMPP系统中，有助于减少资源占用和能量浪费，可以延长节点的使用寿命和网络的稳定性。

这样本发明的管理方法能够在满足实时性要求条件下，使用基于XML的XMPP数据进行传输，降低了网络管理的复杂度，提高了网络管理的质量与效率。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络中基于字典的XMPP压缩方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、当采用可扩展通讯和表示协议XMPP规定的可扩展标记语言XML对无线传感器网络的信息进行描述时，采用可扩展标记语言XML结构压缩的步骤进行压缩，具体结构压缩步骤包括：

A1、发送方对可扩展标记语言XML进行预处理，解析出其所描述的XML树，并获取所有叶子结点的路径；

A2、将XML树从根结点到叶子结点依次分为根结点，一级子结点，二级子结点直到叶子结点，树的根结点和各级子结点存储的是XML片段中根元素和各级子元素所对应的描述信息；

A3、将每个叶子结点压缩属性值定义为由N个域组成的值，压缩属性值格式为X₀.X₁.X₂…X_k…X_(N-1)，其中X₀表示根结点，X_(N-1)表示叶子结点,当X_k为0时表示对叶子结点的(N-k-1)级父结点进行结构压缩，当X_k为1时则表示对叶子结点的(N-k-1)级父结点不做任何处理；

A4、在XML树中对所有叶子结点及其父结点进行赋值，0表示该结点省略，1表示该结点保留，XML树结构压缩中，当表示叶子的域赋为1时，其关联的父结点域赋为1或者0，而当表示叶子结点的域赋为0，并且其一级父结点只有其一个子结点时，则其关联的父结点域均须赋为0；

102、当可扩展标记语言XML片段的结构元素层次少于5时,也即是说XML文档描述的XML树结构的深度小于5时，XML语言的每一个子元素都需要一个关闭标签，选择XML闭合元素标签内容压缩的步骤进行压缩；步骤102所述的选择XML闭合元素标签内容压缩的步骤具体为；

B1、解析XML，对XML根元素中添加XML闭合标签压缩属性，并且对压缩属性赋值，XML闭合元素标签内容压缩属性定义为”compression”，属性值定义为”open”；

B2、XML闭合元素标签内容压缩对XML中所有元素的闭合标签中的重复模块进行压缩，而对闭合元素标签的关闭符则予以保留；

103、当XML片段元素层次不少于5时，也即XML文档描述的XML树结构的深度大于等于5时，采用联合压缩法也即同时采用步骤101中的XML结构压缩和步骤102的XML闭合元素标签内容压缩相结合的步骤进行压缩。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于字典的XMPP压缩方法，其特征在于，步骤103所述的联合压缩法具体步骤如下：

C1、首先对所要传输的XML进行预处理，获取其结构、数据以及元素内容，根据实际的XML定义合理的结构压缩属性值；

C2、同时在根元素中添加闭合元素标签压缩属性进行声明,闭合元素标签压缩及其压缩属性值和XML树结构压缩属性以其压缩属性值的添加格式为<rootelement compression＝’open’strunture_compression＝’value’>；

C3、对压缩后的XML进行闭合标签补全，然后在XML闭合标签补全的情况下采用由于结构压缩而改进的XML解析器对其进行解析。