【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划---Flatbuffers应用于MQTT协议 原创 精华

发布于 2022-3-14 13:37
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大家好! 我是深圳技术大学FSR实验室的同学,在OpenHarmony成长计划啃论文俱乐部,学习研究JSON相关的技术,并且我是第二组的成员。

简单回顾

①.【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—为什么JSON将逐渐取代XML?
②.【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—几种常见的JSON解析器比较
③.【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—JSON-RPC
④.【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划—浅谈序列化规范

场景汇总

Flatbuffers:Flatbuffers作为MQTT协议数据传输格式的性能分析

JSON作为MQTT协议数据交换格式有很多缺点,比如处理的时间长等,而Google最近引入了一种名为Flatbuffers的新数据格式,与其他数据格式相比,Flatbuffers具有更好的数据格传输性能。

本文将引用文献讨论通过 MQTT 发布/订阅通信模型测试 Flatbuffers 与其他数据格式之间的性能差异。

技术发展时间及应用

https://github.com/google/flatbuffers

我们今天要讲的开源技术Flatbuffers,是在2014年,Google 员工 Wouter van Oortmerssen 为了解决游戏中性能的问题,于是开发出了这个序列化类库。
【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划---Flatbuffers应用于MQTT协议-开源基础软件社区
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Flatbuffers概述

FlatBuffers 是一个开源的、跨平台的、高效的、提供了多种语言接口的序列化类库。目前该类库提供C++, C#, C, Go, Java, JavaScript, PHP, and Python语言接口。

特点:

  • 无需解码, FlatBuffers的不同之处在于,它在一个平面二进制缓冲区中表示分层数据,这样就可以直接访问它,而不需要解码。
  • 扩展性灵活性较高,类库中支持的可选字段可以具有很好的前向/后向兼容能力
  • 跨平台,支持C++11、Java,而不需要任何依赖库;在最新的gcc、clang、vs2010等编译器上工作良好。

MQTT协议

MQTT协议是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议,工作在TCP/IP协议上。

它是一个轻量,简单,开放且易于实现的一个协议,通常应用于机器与机器(M2M)之间通信和物联网(IoT)设备

并且不需要很多带宽,而且开源,所以很多库都支持使用这种协议,MQTT比HTTP 1.1协议轻,当用于实时发送数据时是个不错的选择。

发布/订阅者通信中,MQTT模型充当代理,如图。

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MQTT具有以下特点:

  • 简易高效,MQTT一般用于处理资源较少的设备通信。
  • 不需要管理员,它可以自动响应一些数据,或者本身不需要的数据
  • 最大限度地减少了数据地发送,保持较小的带宽频率
  • 比较灵活,可以处理所有类型数据

场景介绍

在一个具有许多传感器数据的物联网设备中,使用MQTT协议发送传感器数据到其他终端。

​ 在使用MQTT发送数据之前,需要先进行预处理和数据转换,即将JSON数据的IoT传感器数据转换为其他几种数据格式,通过Flatbuffer类库处理过后存入缓冲区,然后将缓冲区保存到包含BIN数据的文件中,除了具有BIN格式的数据外,还有其他数据格式,例如Json,CSV和XML。

处理过后的文件大小如下:
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性能比较

有效负载(Payload)

CSV 数据格式拥有最小有效负载,其值为 0.9955 个字符/字节。而XML有效负载值最大,值为 0.9985。有效负载越大,文件大小就越大,所以有效负载值会影响文件的大小。

计算公式:

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等待时间(Latency)

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首先是发送数据的等待时间(Delivery Latency),可以看到Json是发送时间最快的,接着是XML,而 CSV Flatbuffer需要比其他数据格式花费更长的时间。也表明了Flatbuffer序列化过程对传递时的性能相对其他格式较差。如上图:

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然后是接收数据的等待时间(Processing Latency)。通过上图可以看到,在接收数据的时候出现了相反的结果,Flatbuffer 显示出了最佳性能。其原因也是Flatbuffer 的一个很重要的特点,就是订阅者接收信息时不需要反序列化(即不需要解码)

吞吐量(Throughput)

发送数据的吞吐量(Delivery Throughput)比较如下图:

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接收数据的吞吐量(Processing Throughput)比较如下图:
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可以看到XML不过是发送还是接收数据都具备很高的吞吐量,原因就是他的文件大小较小低延迟。而Flatbuffer处于中规中矩的位置。

总结

通过以上各项测量指标对比我们可以发现,Flatbuffers 的有效负载值(Payload)非常小,因此效率很高。测量等待时间(Latency)时,接收数据的时候所需要的等待解析时间是非常短的,但是在发送数据序列化的等待时间较长。测量吞吐量(Throughput)`时其表现也是中规中矩。

从结论上来看,Flatbuffers 序列化类库MQTT协议中用在数据存储上会非常优秀,但是用在数据发送上,相比于其他数据格式性能还是不太优秀。

参考文献

①.Flatbuffers Implementation on MQTT Publish/Subscribe Communication as Data Delivery Format
②.A Survey of JSON-compatible Binary Serialization Specifications

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已于2022-3-14 15:40:28修改
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