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Protocol Buffers在數據采集與傳輸系統(tǒng)建設方式論文
隨著通信技術和傳感器技術的不斷發(fā)展，數據采集與傳輸系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應用。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、可擴展的二進制消息格式，特別適合用于數據傳輸。本文著重介紹了使用Protocol Buffers的對數據的封裝和其反射機制來實現數據采集與傳輸系統(tǒng)的快速擴展采集數據類型。
1 Protocol Buffers概述
1.1 簡介
Protocol Buffers（以下簡稱ProtoBuf）是由Google開發(fā)的一種數據描述語言。ProtoBuf定義了一種緊湊的可擴展二進制消息格式，能對結構化的數據進行靈活的、高效的、自動的機制來進行序列化。ProtoBuf可擴展方式的序列化結構數據被廣泛應用在通信協議、數據存儲等領域。
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，是二進制序列化的十分之一。總體看來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(tǒng)中
這里所設計的數據采集與傳輸系統(tǒng)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一步處理。Slave可以支持多種數據類型（如GPS、圖像等）的采集。
2.1 根據不同的采集數據類型，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來進行描述。ProtoBuf數據描述語言中也支持一些基本的數據類型如string、int32、double等等。
設Slave的采集數據類型有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 設計支持不同采集數據類型的數據傳輸格式
在數據傳輸中使用ProtoBuf需要解決兩個問題，一是數據的長度：ProtoBuf打包的數據沒有自帶長度信息或終結符，這就需要由應用程序自己在發(fā)生和接收的時候做正確的分割；二是消息類型：ProtoBuf打包的數據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根據消息的類型名反射自動創(chuàng)建對應的消息對象的機制來解決。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型編寫封裝函數，以便將相應類型的數據封裝到對應的ProtoBuf Message中。然后使用消息打包器將Slave所采集的某種類型的數據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據進行序列化，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本身具有很強的反射機制，ProtoBuf可以能根據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中恢復出相應類型的Message，由此完成對消息的識別。由消息包來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來實現，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為針對特定采集數據類型消息的處理函數，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*類型，處理函數需要對其進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(zhí)行該函數。
2.6 整體結構
在Slave端，用戶需要使用proto數據描述語言描述該類型的數據，并產生相應的Message類型，此外用戶還要編寫相應數據類型消息封裝方法。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類型的Message。用戶在Master端需要編寫針對某具體類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
在Slave-Master結構的系統(tǒng)中通過編寫proto文件來描述各種類型的采集數據；在Slav e端進行采集數據的序列化和封裝；在Master端編寫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，完成對采集數據類型的快速擴展。
Protocol Buffers .https：//developers.google.com/protocol-buffers/docs/overview.
陳碩.Linux多線程服務端編程——使用muduo C++網絡庫.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.電腦開發(fā)與應用.2013，26（4）.
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