Protocol Buffers在數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：隨著傳感器類型的多樣化，采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型也越來越多樣化。這也要求數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)能夠方便快捷的對不同類型的傳感器和傳輸數(shù)據(jù)類型進(jìn)行擴(kuò)展。在基于Protocol Buffers的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中，通過使用Protocol Buffers作為數(shù)據(jù)序列化和反序列化的手段，并利用其反射機(jī)制等實現(xiàn)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)類型的快速擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：Protocol Buffers；數(shù)據(jù)采集；傳輸；消息；反射；數(shù)據(jù)類型

隨著通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而Google Protocol Buffers是Google公司開發(fā)是一款非常優(yōu)秀的庫，其定義了緊湊的、可擴(kuò)展的二進(jìn)制消息格式，特別適合用于數(shù)據(jù)傳輸。[1]本文著重介紹了使用Protocol Buffers的對數(shù)據(jù)的封裝和其反射機(jī)制來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的快速擴(kuò)展采集數(shù)據(jù)類型。

1 Protocol Buffers概述

1.1 簡介

Protocol Buffers（以下簡稱ProtoBuf）是由Google開發(fā)的一種數(shù)據(jù)描述語言。ProtoBuf定義了一種緊湊的可擴(kuò)展二進(jìn)制消息格式，能對結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的、高效的、自動的機(jī)制來進(jìn)行序列化。ProtoBuf可擴(kuò)展方式的序列化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用在通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域。[1]

1.2 ProtoBuf的性能

一條消息數(shù)據(jù)，用ProtoBuf序列化后的大小是JSON的十分之一，是XML格式的二十分之一，是二進(jìn)制序列化的十分之一。[1]總體看來ProtoBuf的優(yōu)勢還是非常明顯的。

2 應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中

這里所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)采用Slave-Master結(jié)構(gòu)。其中Slave負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給Master；Master接收所采集的數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步處理。Slave可以支持多種數(shù)據(jù)類型（如GPS、圖像等）的采集。

2.1 根據(jù)不同的采集數(shù)據(jù)類型，編寫proto文件

在ProtoBuf中，所有的對象都被視為消息。消息的每個屬性描述都可以使用required、optional、repeated來進(jìn)行描述。ProtoBuf數(shù)據(jù)描述語言中也支持一些基本的數(shù)據(jù)類型如string、int32、double等等。

設(shè)Slave的采集數(shù)據(jù)類型有Type1、Type2。這兩種類型的Proto描述命名為MsgType1和MsgType2（圖1所示）。

經(jīng)proto編譯后，生成的消息類為MsgType1和MsgType2，它們均繼承自google：：protobuf：：Message類。

2.2 設(shè)計支持不同采集數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)傳輸格式

在數(shù)據(jù)傳輸中使用ProtoBuf需要解決兩個問題，一是數(shù)據(jù)的長度：ProtoBuf打包的數(shù)據(jù)沒有自帶長度信息或終結(jié)符，這就需要由應(yīng)用程序自己在發(fā)生和接收的時候做正確的分割；二是消息類型：ProtoBuf打包的數(shù)據(jù)沒有自帶的類型信息，在消息傳輸過程中，發(fā)送方需要將消息類型告訴接收方，接收方根據(jù)消息類型再做反序列化。對于長度問題，可以將長度信息作為消息的一個段來解決。而對于消息類型問題，可以使用ProtoBuf根據(jù)消息的類型名反射自動創(chuàng)建對應(yīng)的消息對象的機(jī)制來解決。[2]因此，可以設(shè)計基本傳輸格式的格式如圖2所示：

ProtoBuf Message的序列化數(shù)據(jù)封裝在message_data中，且稱這種數(shù)據(jù)格式為Message Package（消息包）。

2.3 消息打包器的設(shè)計

消息包格式設(shè)計完后，首先要對不同的采集數(shù)據(jù)類型編寫封裝函數(shù)，以便將相應(yīng)類型的數(shù)據(jù)封裝到對應(yīng)的ProtoBuf Message中。然后使用消息打包器將Slave所采集的某種類型的數(shù)據(jù)信息打包成上圖的消息包。消息打包器先通過ProtoBuf將特定類型的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化，并生填充Message Data。最后再填充Message Package中的Length 、Message Name等字段，完成消息的打包操作。消息打包器代碼如下：

std：：string CreateMsgPackage（ const google：：protobuf：：Message msg ）

{

std：：string msg_pack；

msg_pack.resize（ sizeof（ int32_t ） ）；

string msg_name = msg.GetTypeName（）；

int32_t name_len = msg_name.size（）+1；

msg_pack.append（（char*）name_len，sizeof（name_len））；

msg_pack.append（msg_name.c_str（），name_len）；

Msg.AppendToString（msg_pack）；

char* begin = msg_pack.c_str（）+sizeof（ int32_t ）；

int32_t length = msg_pack.size（）-sizeof（int32_t）；

std：：copy（ （char*）（ length ）， （char*）（ Length ） +

sizeof（ Length ）， msg_pack.begin ）；

return msg_pack；

}

2.4 消息解包器的設(shè)計

接收到消息包之后要進(jìn)行解封裝，分解出消息包中的各個字段，這里不再詳述。ProtoBuf本身具有很強(qiáng)的反射機(jī)制，ProtoBuf可以能根據(jù)Message Name創(chuàng)建一個該類型的消息，然后使用Message Data來反序列化該消息，從而在Message Package中恢復(fù)出相應(yīng)類型的Message，由此完成對消息的識別。由消息包來還原相應(yīng)的消息的代碼如下：

Message* CreateMsg（ std：：string msg_pack ）

{

// 從msg_pack中分離msg_name、msg_data等的代碼從略

Message* msg = NULL；

Descriptor* desc = DescriptorPool：：generated_pool（）->FindMessageTypeByName（msg_name）；

Message* prototype = MessageFactory：：generated_factory（）->GetPrototype（desc）；

msg = prototype->New（）；

msg->ParseFromArray（msg_data， msg_data_len）；

return msg；

}

2.5 消息分發(fā)器的設(shè)計

Master在得到相應(yīng)類型的采集數(shù)據(jù)消息后，需要傳遞給相應(yīng)的消息處理方法，這就涉及到消息的分發(fā)。消息分發(fā)器可以使用map來實現(xiàn)，由于每個具體消息類型都有一個全局的Descriptor對象，其地址是唯一的，可作為key；value為針對特定采集數(shù)據(jù)類型消息的處理函數(shù)，即std：：map，其中MessageCallBack為 boost：：function。由于消息分發(fā)器傳給處理函數(shù)的參數(shù)是Message*類型，處理函數(shù)需要對其進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型后才能使用。消息分發(fā)器在接收到某一消息后，在map中查找對應(yīng)的處理函數(shù)，并執(zhí)行該函數(shù)。

2.6 整體結(jié)構(gòu)

在Slave端，用戶需要使用proto數(shù)據(jù)描述語言描述該類型的數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的Message類型，此外用戶還要編寫相應(yīng)數(shù)據(jù)類型消息封裝方法。在Master端，由于與Slave使用相同的proto文件，消息解包器可以分辨出相應(yīng)類型的Message。用戶在Master端需要編寫針對某具體類型采集數(shù)據(jù)的處理方法，并向消息分發(fā)器注冊。消息分發(fā)器將消息解包器解出的消息作為參數(shù)調(diào)用對應(yīng)的處理方法。

3 結(jié)束語

在Slave-Master結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中通過編寫proto文件來描述各種類型的采集數(shù)據(jù)；在Slave端進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的序列化和封裝；在Master端編寫對應(yīng)的采集數(shù)據(jù)處理方法，并將該方法注冊到Master的消息分發(fā)器中，完成對采集數(shù)據(jù)類型的快速擴(kuò)展。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]陳碩.Linux多線程服務(wù)端編程——使用muduo C++網(wǎng)絡(luò)庫[M].北京：電子工業(yè)出版社.2013：220-236.

[3]李紀(jì)欣，王康，周立法，章軍.Google Protobuf在Linux Socket通訊中的應(yīng)用[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用.2013，26（4）.

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[5]王琳，商周，王學(xué)偉.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].電測與儀表.2004，464（41）.