【FFH】OpenHarmony啃论文成长计划---Flatbuffers作为MQTT协议数据传输格式的性能分析

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。

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

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。

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。

• 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。

在发布/订阅者通信中,MQTT模型充当代理，如图。

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

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：

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：

等待时间（Latency）

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 和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：

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：

接收数据的吞吐量（Processing Throughput）比较如下图：

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且低延迟。而Flatbuffer处于中规中矩的位置。

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 序列化类库在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。

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

附件链接： https://ost.51cto.com/resource/1780

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