CN111131219B - 基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物联网技术领域，公开了基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法,包括以下步骤：S1)发布者publisher获取消息，对消息使用FlatBuffers进行序列化处理；S2)对序列化处理的消息进行传输；S3)MQTT服务器获取序列化处理后的消息，对序列化处理后的消息使用FlatBuffers进行反序列化处理；S4)订阅者Subscriber获取序列化处理后的消息并使用FlatBuffers对序列化处理后的消息进行反序列化处理。本发明利用FlatBuffers数据协议进行序列化处理以及反序列化，能够降低报文中挟带数据的长度，同时降低数据的序列化以及反序列化成本。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及基于FlatBuffers的物联网高效数据 传输方法。
背景技术
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议)， 是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的"轻量级"通讯协议，该协 议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布，MQTT协议中有三种身份：发 布者(Pushlish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中，消 息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是 订阅者。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程 设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议， 使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
MQTT通讯协议是为大量计算能力有限，且工作在低宽带、不可靠的网络的 远程传感器或者控制通讯设计的协议，它具有如下特性：1)使用发布/订阅消息 模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合：2)对负载内容屏蔽的消息 传输；3)使用TCP/IP提供网络连接；4)有三种消息发布服务质量(Qos)：
最多一次：消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。 这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不 久后还会有第二次发送。
至少一次：确保消息到达，但消息重复可能会发生。
只有一次：确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中， 消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用 于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。
除了第一种消息发布服务质量外，消息内容均需要被临时保存。同时，在 实际项目中，Broker侧会收集发布的信息，保存到各类数据库中用来进行数据 分析，AI学习，以及策略判断等。目前主流技术基本采用json(JavaScript Object Notation)格式来保存消息中的报文有效载荷Payload数据。虽然使用 简单易懂，但是本身在数据保存的尺寸，以及数据处理的速度上存在问题。尤 其对于最高100万级别的设备连接，每秒超过1万次的数据发布场合，Broker 服务器的数据转存压力会非常大。在面向大规模MQTT连接，事件发布吞吐量高 的物联网等环境中，基于json的Payload数据保存方案，存在着数据尺寸大并 且数据处理速度慢的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，从 而解决现有技术中基于json的Payload数据保存方法存在着数据尺寸大并且数 据处理速度慢的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，包括以下步骤：
S1)发布者publisher获取消息，对消息使用FlatBuffers进行序列化处 理；
S2)对序列化处理的消息进行传输；
S3)MQTT服务器获取序列化处理后的消息，对序列化处理后的消息使用FlatBuffers进行反序列化处理；
S4)订阅者Subscriber获取序列化处理后的消息并使用FlatBuffers对序 列化处理后的消息进行反序列化处理。
FlatBuffers是一个开源的跨平台数据序列化库，可以应用到几乎任何语 言(C++,C#,Go,Java,JavaScript,PHP,Python)，FlatBuffers把结构化 的对象用一个扁平化(Flat)的缓冲区保存，即把内存对象数据保存在一个一 维的数组中。这样的设计使得FlatBuffers具有以下的优点：对序列化数据的 访问不需要打包和拆包，FlatBuffers将序列化数据存储在缓存中，这些数据既 可以存储在文件中，又可以通过网络原样传输，而没有任何解析开销；访问数 据时唯一内存需求是缓冲区，不需要额外的内存分配，内存效率高，速度快； 仅仅需要自动生成的少量代码和一个单一的头文件依赖，易于集成到现有系统 中；能够跨平台使用，而且具有强类型设计，扩展性好。我们在MQTT的协议 Payload中使用FlatBuffers的数据协议，可以大大的降低报文中挟带数据的长 度，同时大大降低数据的序列化以及反序列化成本。
进一步的，步骤S1)中消息包括固定报头(Fixed header)、可变报头(Variableheader)和报文有效载荷(Payload)。
进一步的，对消息中的报文有效载荷使用FlatBuffers进行序列化处理。
进一步的，对消息中的报文有效载荷使用FlatBuffers进行反序列化处理。
进一步的，序列化处理，包括步骤：
S11)定义数据结构，编写schema文件；
S12)使用FlatBuffers编译器flatc对schema文件进行编译，获得编译后 的文件；
S13)使用工具编译FlatBuffers的源代码，获得FlatBuffers的jar包， 工具包括maven工具；
S14)在MQTT工程中增加FlatBuffers的jar包及编译后的文件；
S15)使用FlatBufferBuilder构造一个序列化对象，将MQTT的报文有效载 荷放入序列化对象中；
S16)对所述序列化对象缓存区中的数据进行保存或发送。
进一步的，反序列化处理，包括从所述序列化对象缓存区中读取对应的数据， 所述对应的数据包括报文有效载荷。
本发明的有益效果是：本发明利用FlatBuffers数据协议进行序列化处理以 及反序列化，能够降低数据报文中挟带数据的长度，同时降低数据的序列化以 及反序列化成本。
附图说明
图1是本发明实施例一整体流程图。
图2是本发明实施例一MQTT通讯协议数据传输示意图。
图3是本发明实施例一FlatBuffers与json的性能对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一，如图1和图2所示，基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法， 其特征在于，包括以下步骤：
S1)发布者publisher获取消息，消息包括固定报头、可变报头和报文有效 载荷，对报文有效载荷使用FlatBuffers进行序列化处理，如图2所示，包括 步骤：
S11)定义数据结构，编写schema文件；
S12)使用FlatBuffers编译器flatc对schema文件进行编译，获得编译后 的文件；
S13)使用工具编译FlatBuffers的源代码，获得FlatBuffers的jar包；
S14)在MQTT工程中增加FlatBuffers的jar包及编译后的文件；
S15)使用FlatBufferBuilder构造一个序列化对象，将MQTT的报文有效载 荷放入序列化对象缓存区中；
S16)对所述序列化对象缓存区中的数据进行保存或发送。
S2)对序列化处理的消息进行传输；
S3)MQTT服务器获取序列化处理后的消息，对序列化处理后的消息中的报文 有效载荷使用FlatBuffers进行反序列化处理，包括从序列化对象缓存区中读 取对应的数据，对应的数据包括报文有效载荷。
S4)订阅者Subscriber获取序列化处理后的消息并使用FlatBuffers对序 列化处理后的消息进行反序列化处理，包括从所述序列化对象缓存中读取对应 的数据，对应的数据包括报文有效载荷。
以Java为例，在MQTT的报文有效载荷payload实体中使用FlatBuffers进 行数据序列化和反序列化，按照下面步骤进行：
1)编写schema文件；
2)使用FlatBuffers编译器flatc对schema文件进行编译，生成JavaBean 文件，JavaBean为一种可重用的Java组件，包含属性(Properties)、方法 (Methods)、事件(Events)等特性。
3)使用maven工具编译FlatBuffers的源代码，获得FlatBuffers的jar 包；
4)使用FlatBufferBuilder构造一个序列化对象(ByteBuffer)，将MQTT 的报文有效载荷放入序列化对象缓存区中；
5)对序列化对象缓存区中的数据进行保存或发送；
6)读取存有序列化对象的缓冲区，通过代码getRootAsXXX进行反序列化。 XXX代表对象名。
如图3所示，纵坐标表示不同类型的数据，横坐标表示处理速度。Jackson是 一个Java的用来处理JSON格式数据的类库，对于各种不同类型的数据序列 化处理速度方面，FlatBuffers在序列化和反序列化处理过程均快于json，表 明FlatBuffers在序列化和反序列化性能上有很大的提高。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明使用FlatBuffers数据协议进行序列化处理以及反序列化，能够降 低报文中挟带数据的长度，同时降低数据的序列化以及反序列化成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)发布者publisher获取消息，对消息使用FlatBuffers进行序列化处理，包括以下步骤：
S11)定义数据结构，编写schema文件；
S12)使用FlatBuffers编译器flatc对schema文件进行编译，获得编译后的文件；
S13)使用工具编译FlatBuffers的源代码，获得FlatBuffers的jar包，所述工具包括maven工具；
S14)在MQTT工程中增加FlatBuffers的jar包及编译后的文件；
S15)使用FlatBufferBuilder构造一个序列化对象，将MQTT的报文有效载荷放入序列化对象缓存区中；
S16)对所述序列化对象缓存区中的数据进行保存或发送；
S2)对序列化处理的消息进行传输；
S3)MQTT服务器获取序列化处理后的消息，对序列化处理后的消息使用FlatBuffers进行反序列化处理；
S4)订阅者Subscriber获取序列化处理后的消息并使用FlatBuffers对序列化处理后的消息进行反序列化处理。
2.根据权利要求1所述的基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，其特征在于，步骤S1)中所述消息包括固定报头、可变报头和报文有效载荷。
3.根据权利要求1或2所述的基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，其特征在于，对消息中的报文有效载荷使用FlatBuffers进行序列化处理。
4.根据权利要求3所述的基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，其特征在于，对消息中的报文有效载荷使用FlatBuffers进行反序列化处理。
5.根据权利要求1所述的基于FlatBuffers的物联网高效数据传输方法，其特征在于，反序列化处理，包括从所述序列化对象缓存区中读取对应的数据，所述对应的数据包括报文有效载荷。
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