Protocol Buffers在數據采集與傳輸系統建設方式論文

　　隨著(zhù)通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，數據采集與傳輸系統得到了越來(lái)越廣泛的應用。而Google Protocol Buffers是Google公司開(kāi)發(fā)是一款非常優(yōu)秀的庫，其定義了緊湊的、可擴展的二進(jìn)制消息格式，特別適合用于數據傳輸。本文著(zhù)重介紹了使用Protocol Buffers的對數據的封裝和其反射機制來(lái)實(shí)現數據采集與傳輸系統的快速擴展采集數據類(lèi)型。

　　1 Protocol Buffers概述

　　1.1 簡(jiǎn)介

　　Protocol Buffers（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ProtoBuf）是由Google開(kāi)發(fā)的一種數據描述語(yǔ)言。ProtoBuf定義了一種緊湊的可擴展二進(jìn)制消息格式，能對結構化的數據進(jìn)行靈活的、高效的、自動(dòng)的機制來(lái)進(jìn)行序列化。ProtoBuf可擴展方式的序列化結構數據被廣泛應用在通信協(xié)議、數據存儲等領(lǐng)域。

　　1.2 ProtoBuf的性能

　　一條消息數據，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�？傮w看來(lái)ProtoBuf的優(yōu)勢還是非常明顯的。

　　2 應用在數據采集與傳輸系統中

　　這里所設計的數據采集與傳輸系統采用Slave-Master結構。其中Slave負責采集數據并將數據發(fā)送給Master；Master接收所采集的數據并做進(jìn)一步處理。Slave可以支持多種數據類(lèi)型（如GPS、圖像等）的采集。

　　2.1 根據不同的采集數據類(lèi)型，編寫(xiě)proto文件

　　在ProtoBuf中，所有的對象都被視為消息。消息的每個(gè)屬性描述都可以使用required、optional、repeated來(lái)進(jìn)行描述。ProtoBuf數據描述語(yǔ)言中也支持一些基本的數據類(lèi)型如string、int32、double等等。

　　設Slave的采集數據類(lèi)型有Type1、Type2。這兩種類(lèi)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(lèi)為MsgType1和MsgType2，它們均繼承自google：：protobuf：：Message類(lèi)。

　　2.2 設計支持不同采集數據類(lèi)型的數據傳輸格式

　　在數據傳輸中使用ProtoBuf需要解決兩個(gè)問(wèn)題，一是數據的長(cháng)度：ProtoBuf打包的數據沒(méi)有自帶長(cháng)度信息或終結符，這就需要由應用程序自己在發(fā)生和接收的時(shí)候做正確的分割；二是消息類(lèi)型：ProtoBuf打包的數據沒(méi)有自帶的類(lèi)型信息，在消息傳輸過(guò)程中，發(fā)送方需要將消息類(lèi)型告訴接收方，接收方根據消息類(lèi)型再做反序列化。對于長(cháng)度問(wèn)題，可以將長(cháng)度信息作為消息的一個(gè)段來(lái)解決。而對于消息類(lèi)型問(wèn)題，可以使用ProtoBuf根據消息的類(lèi)型名反射自動(dòng)創(chuàng )建對應的消息對象的機制來(lái)解決。因此，可以設計基本傳輸格式的格式如圖2所示：

　　ProtoBuf Message的序列化數據封裝在message_data中，且稱(chēng)這種數據格式為Message Package（消息包）。

　　2.3 消息打包器的設計

　　消息包格式設計完后，首先要對不同的采集數據類(lèi)型編寫(xiě)封裝函數，以便將相應類(lèi)型的數據封裝到對應的ProtoBuf Message中。然后使用消息打包器將Slave所采集的某種類(lèi)型的數據信息打包成上圖的消息包。消息打包器先通過(guò)ProtoBuf將特定類(lèi)型的采集數據進(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(gè)字段，這里不再詳述。ProtoBuf本身具有很強的反射機制，ProtoBuf可以能根據Message Name創(chuàng )建一個(gè)該類(lèi)型的消息，然后使用Message Data來(lái)反序列化該消息，從而在Message Package中恢復出相應類(lèi)型的Message，由此完成對消息的識別。由消息包來(lái)還原相應的消息的代碼如下：

　　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)器的設計

　　Master在得到相應類(lèi)型的采集數據消息后，需要傳遞給相應的消息處理方法，這就涉及到消息的分發(fā)。消息分發(fā)器可以使用map來(lái)實(shí)現，由于每個(gè)具體消息類(lèi)型都有一個(gè)全局的Descriptor對象，其地址是唯一的，可作為key；value為針對特定采集數據類(lèi)型消息的處理函數，即std：：map，其中MessageCallBack為 boost：：function。由于消息分發(fā)器傳給處理函數的參數是Message*類(lèi)型，處理函數需要對其進(jìn)行向下轉型后才能使用。消息分發(fā)器在接收到某一消息后，在map中查找對應的處理函數，并執行該函數。

　　2.6 整體結構

　　在Slave端，用戶(hù)需要使用proto數據描述語(yǔ)言描述該類(lèi)型的數據，并產(chǎn)生相應的Message類(lèi)型，此外用戶(hù)還要編寫(xiě)相應數據類(lèi)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類(lèi)型的Message。用戶(hù)在Master端需要編寫(xiě)針對某具體類(lèi)型采集數據的處理方法，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調用對應的處理方法。

　　3 結束語(yǔ)

　　在Slave-Master結構的系統中通過(guò)編寫(xiě)proto文件來(lái)描述各種類(lèi)型的采集數據；在Slav e端進(jìn)行采集數據的序列化和封裝；在Master端編寫(xiě)對應的采集數據處理方法，并將該方法注冊到Master的消息分發(fā)器中，完成對采集數據類(lèi)型的快速擴展。

　　Protocol Buffers .https：//developers.google.com/protocol-buffers/docs/overview.

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

　　李紀欣，王康，周立法，章軍.Google Protobuf在Linux Socket通訊中的應用.電腦開(kāi)發(fā)與應用.2013，26（4）.

　　田源，潘晨光，丁杰.Protocol Buffers在即時(shí)通訊系統中的應用研究 .現代電子技術(shù).2013，37（5）

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