CN110943911B - 基于protobuf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protobuf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protobuf进行序列化处理；S2)对序列化处理的消息进行传输；S3)利用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protobuf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protobuf对序列化处理后的消息进行反序列化处理。本发明利用protobuf框架生成源代码，使用protobuf数据协议进行序列化处理以及反序列化，一旦需求有变，可以更新数据结构，而不会影响已部署程序，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protobuf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***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protobuf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protobuf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protobuf进行序列化处理；
S2)对序列化处理的消息进行传输；
S3)利用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protobuf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protobuf对序列化处理后的消息进行反序列化处理。
MQTT采用发布(publisher)-订阅(Subscriber)模式。消息发布方，在把消息通过网络发送给MQTT服务器(即Broker)前，会先做消息的序列化。Broker接收数据或者Subscriber接收数据后，同样会做消息的反序列化的工作。本发明使用protobuf对消息(数据报文)进行序列化以及反序列化，通过两次数据报文的发送，数据报文的尺寸会大幅变小。同时数据报文的序列化以及反序列化所消耗的时间会大幅缩短。
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protobuf进行序列化处理。
进一步的，对消息中的报文有效载荷使用protobuf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，创建后缀为.proto的schema文件；
S12)利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S13)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S14)把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S15)对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制编码。
进一步的，反序列化处理，包括步骤：
S341)定义数据结构，编写后缀为.proto的schema文件；
S342)利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S343)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S344)把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S345)对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制解码。
本发明的有益效果是：本发明利用protobuf框架生成源代码，使用protobuf数据协议进行序列化处理以及反序列化，一旦需求有变，可以更新数据结构，而不会影响已部署程序，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是本发明实施例一序列化处理流程图。
图3是本发明实施例一MQTT通讯协议数据传输示意图。
图4是本发明实施例一protobuf与json的性能对比图。
图5是本发明实施例一protobuf与json的数据包尺寸对比图。
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3所示，基于protobuf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，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protobuf进行序列化处理，如图2所示，包括步骤：
S11)定义数据结构，创建后缀为.proto的schema文件；
S12)利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S13)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S14)把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S15)对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制编码。
S2)对序列化处理的消息进行传输；
S3)利用MQTT服务器(Broker)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protobuf进行反序列化处理，包括步骤：
S31)定义数据结构，编写后缀为.proto的schema文件；
S32)利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S33)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S34)把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S35)对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制解码。
S4)订阅者Subscriber获取序列化处理后的消息并使用protobuf对序列化处理后的消息进行反序列化处理，包括步骤：
S41)定义数据结构，编写后缀为.proto的schema文件；
S42)利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S43)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S44)把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S45)对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制解码。
以Java为例，在MQTT的报文有效载荷payload实体中使用protobuf进行数据序列化和反序列化，按照下面步骤进行：
1)编写后缀为.proto的schema文件；
2)用protoc工具把.proto文件编译成JavaBean，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)在MQTT工程中增加protobuf的依赖库，同时把上一步的JavaBean添加到工程。对MQTT的payload实体用JavaBean对应的二进制编解码。
如图4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，protobuf在序列化和反序列化处理过程均快于json，表明protobuf在序列化和反序列化性能上有很大的提高。对于数据包尺寸的缩小方面，如图5所示，相比于json格式，protobuf生成的Payload在尺寸上有明显的缩小。
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：
本发明利用protobuf框架生成源代码，使用protobuf数据协议进行序列化处理以及反序列化，一旦需求有变，可以更新数据结构，而不会影响已部署程序，能够降低报文(消息)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 (1)
1.基于protobuf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，所述消息包括固定报头、可变报头和报文有效载荷，对所述报文有效载荷使用protobuf进行序列化处理；
所述序列化处理，包括步骤：
S11）定义数据结构，创建后缀为.proto的schema文件；
S12）利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S13）在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S14）把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S15）对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制编码；
S2）对序列化处理后的消息进行传输；
S3）利用MQTT服务器获取所述发布者传输的所述消息，对序列化处理后的所述报文有效载荷使用protobuf进行反序列化处理；
所述反序列化处理，包括步骤：
S341）定义数据结构，编写后缀为.proto的schema文件；
S342）利用protoc工具对schema文件进行编译，获得编译后的软件组件；
S343）在MQTT工程中增加protobuf的依赖库；
S344）把编译后的软件组件添加到MQTT工程；
S345）对MQTT的报文有效载荷用编译后的软件组件对应的二进制解码；
S4）订阅者Subscriber获取所述MQTT服务器接收到的所述消息，并使用protobuf对序列化处理后的所述报文有效载荷进行反序列化处理。
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