ما هي Protocol Buffers (protobuf)، وكيف تعمل؟

تُعدّ Protocol Buffers، التي تُختصر غالبًا إلى Protobuf، طريقة فعالة لتسلسل البيانات المنظمة طورتها Google. وقد صُممت Protobuf لتكون موجزة وسريعة معًا، ما يجعلها مناسبة تمامًا للاتصال بين الأنظمة المختلفة ولتخزين البيانات. وعند تخزين البيانات أو نقلها، تُحفظ بصيغة ثنائية موجزة، ما يقلل مساحة التخزين واستهلاك عرض النطاق الترددي معًا.

وتعمل Protobuf بتعريف البيانات في ملف .proto، تُحدَّد فيه بنية البيانات باستخدام لغة بسيطة ومقروءة. ثم يُترجم هذا الملف إلى شيفرة بلغات برمجة مختلفة، يمكن استخدامها لتسلسل البيانات وإلغاء تسلسلها. وهذا يعني إمكانية تحويل البيانات إلى صيغة ثنائية لنقلها بكفاءة ثم إعادة بنائها إلى صيغتها الأصلية لدى المستلم. وتساعد هذه العملية على إبقاء البيانات متسقة وسليمة، أينما أُرسلت أو خُزّنت.

ومقارنة بتقنيات التسلسل الأخرى مثل XML أو JSON، تكون Protocol Buffers عادة أكثر إيجازًا بكثير وأسرع في التحليل. ويعود ذلك إلى أن Protobuf تستخدم صيغة ثنائية تشغل مساحة أقل وتُعالَج بسرعة أكبر، ما يجعلها خيارًا مفضلًا للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وتعاملًا فعالًا مع البيانات.

تُعدّ Protocol Buffers (Protobuf) طريقة فعالة لتسلسل البيانات المنظمة تختلف اختلافًا كبيرًا عن JSON و XML بكونها موجزة وسريعة معًا. إذ تستخدم Protobuf صيغة ثنائية، ما يعني أن البيانات أصغر حجمًا منها في الصيغتين النصيتين JSON و XML، اللتين قد تشغلان مساحة أكبر. وهذا يجعل Protobuf مناسبة تمامًا للتطبيقات التي يكون فيها عرض النطاق الترددي والسرعة عاملين حاسمين، مثل الاتصال بين الخدمات وتطبيقات الأجهزة المحمولة، حيث يُعدّ نقل البيانات السريع أمرًا حاسمًا لتجربة المستخدم.

وإضافة إلى ذلك، تتطلب Protobuf تعريف البيانات في ملف .proto، تُحدَّد فيه بنية البيانات مسبقًا. ويضمن تعريف المخطط هذا أن تكون البيانات قوية الأنواع في الشيفرة المولّدة، ما يقلل خطر الأخطاء في نقل البيانات ويسهّل تحديث التطبيقات وصيانتها. غير أن Protobuf لا تتحقق من محتوى القيم، وفي proto3 تكون جميع الحقول اختيارية، لذا لا يزال يجب فحص قواعد العمل في التطبيق. أما JSON و XML، فعلى النقيض من ذلك، أكثر مرونة ولا تتطلبان مخططًا، لكن هذه المرونة قد تؤدي إلى عدم الاتساق والأخطاء، خاصة في الأنظمة الكبيرة والمعقدة.

ومقارنة بـ JSON و XML، المقروءتين للبشر والأسهل لذلك في تصحيح الأخطاء، تتطلب Protobuf نهجًا أكثر تقنية لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها، إذ لا يمكن قراءة الصيغة الثنائية مباشرة دون المخطط. غير أن Protobuf تقدم، للمشاريع التي تعطي الأولوية للأداء والكفاءة، ميزة كبيرة تتمثل في تحليل أسرع وحجم بيانات أصغر، وهو ما قد يكون حاسمًا في تطوير التطبيقات الحديث، حيث تتركز الأولوية على السرعة وتحسين الموارد.

تُعدّ Protocol Buffers (Protobuf) أداة فعالة لتبادل البيانات تقدم مجموعة من المزايا مقارنة بصيغ البيانات التقليدية مثل XML و JSON. ومن المزايا الأساسية لـ Protobuf صيغتها الثنائية الموجزة، التي تقلل حجم البيانات بشكل كبير مقارنة بالصيغ النصية. وينتج عن ذلك نقل أسرع للبيانات واستهلاك أقل لعرض النطاق الترددي، وهو أمر مفيد بشكل خاص في البيئات ذات الموارد المحدودة أو متطلبات الأداء العالية.

وإضافة إلى ذلك، صُممت Protobuf لتكون مستقلة عن اللغة والمنصة، ما يتيح للمطورين تعريف هياكل البيانات مرة واحدة ثم توليد شيفرة لعدة لغات برمجة. وهذا يبسّط عملية التطوير ويضمن الاتساق عبر الأنظمة والتطبيقات المختلفة.

ومقارنة بـ XML، التي تتطلب غالبًا تحليلًا أكثر تعقيدًا وكميات أكبر من البيانات، تُعدّ Protobuf أكثر كفاءة بكثير، خاصة لأنها محسّنة للتسلسل وإلغاء التسلسل السريعين. وهذا يجعل Protobuf خيارًا جيدًا للتطبيقات التي تتطلب أداءً عاليًا وزمن استجابة منخفضًا، مثل الاتصال في الوقت الفعلي وتطبيقات الأجهزة المحمولة، حيث يُعدّ تحسين الموارد أمرًا بالغ الأهمية.

تُعدّ Protobuf مفيدة بشكل خاص في تطبيقات الأجهزة المحمولة، حيث يمكنها تحسين نقل البيانات وتخزينها بتقليل حجم البيانات وتحسين الأداء. وتعمل Protobuf بتعريف بنية البيانات في ملف .proto، يمكن بعد ذلك ترجمته إلى شيفرة بلغات برمجة مختلفة، منها Java و Kotlin و Swift، التي تُستخدم غالبًا في تطوير تطبيقات الأجهزة المحمولة. وعلى Android، تُستخدم عادة بيئة التشغيل الخفيفة «lite»، بينما تُولَّد شيفرة Swift باستخدام الإضافة swift-protobuf من Apple.

ويبدأ تنفيذ Protocol Buffers في تطبيق للأجهزة المحمولة بتعريف كائنات البيانات في ملف .proto. ويصف هذا الملف أنواع البيانات المختلفة والعلاقات بينها، ما يتيح لـ Protobuf توليد تمثيلات ثنائية فعالة وموجزة للبيانات. ويمكن أن يقلل استخدام Protobuf الحمل الإضافي إلى أدنى حد مقارنة بصيغ البيانات الأكثر تقليدية مثل JSON أو XML، ما ينتج عنه نقل أسرع للبيانات واستهلاك أقل للبطارية.

ومن المزايا الكبيرة لـ Protocol Buffers في تطبيقات الأجهزة المحمولة قدرتها على التعامل مع إدارة إصدارات البيانات. وهذا يعني إمكانية تحديث التطبيق بحقول جديدة دون الإخلال بالتوافق مع الإصدارات الأقدم، بشرط ألا تُغيَّر أرقام الحقول الحالية أو يُعاد استخدامها أبدًا، وهو أمر حاسم لتجربة مستخدم سلسة، إذ إن كثيرًا من المستخدمين لا يحدّثون تطبيقاتهم فورًا. ومقارنة بتقنيات التسلسل الأخرى التي قد تكون أكثر تعقيدًا واستهلاكًا للموارد، تقدم Protobuf حلًا خفيفًا مناسبًا تمامًا للأجهزة المحمولة، حيث يُعدّ تحسين الموارد أمرًا حاسمًا.

ملف .proto هو ملف نصي يصف بنية البيانات المراد تبادلها باستخدام Protocol Buffers. ويعرّف رسائل تتضمن حقولًا، لكل منها نوع واسم ورقم فريد يُستخدم في الصيغة الثنائية.

ومن ملف .proto، يولّد المترجم protoc شيفرة للغات مختلفة، مثل Java و Kotlin و Swift و Go و Python. وتحتوي الشيفرة المولّدة على أصناف لإنشاء البيانات وقراءتها وتحويلها. كما يمكن للملف أن يصف خدمات تتضمن دوال، تُستخدم مع gRPC. ولأن الملف مشترك بين جميع الأطراف، فإنه يعمل كعقد بين التطبيق والخادم، على سبيل المثال.

تُعدّ Protocol Buffers (Protobuf) أداة مرنة وفعالة لتسلسل البيانات المنظمة تدعم إدارة الإصدارات والتوافق بطريقة تسمح للتطبيقات بالتطور دون الإخلال بالوظائف القائمة. فعند تعريف رسالة Protobuf، يُخصَّص لكل حقل رقم فريد يُستخدم لتحديد الحقل في البيانات المسلسلة، ما يتيح إضافة حقول جديدة دون التأثير في الإصدارات الأقدم. ويجب ألا تُغيَّر أرقام الحقول أو يُعاد استخدامها أبدًا، وينبغي وسم أرقام الحقول المحذوفة بأنها محجوزة.

وإضافة إلى ذلك، يمكن وسم الحقول بأنها «optional» أو «repeated»، ما يوفر مرونة في طريقة هيكلة البيانات وتوسيعها. فإذا قدّم إصدار جديد من رسالة حقولًا جديدة، فإن التطبيقات الأقدم التي لا تعرف هذه الحقول تتجاهلها ببساطة، ما يوفر التوافق مع الإصدارات اللاحقة، بينما تستخدم التطبيقات الأحدث قيمًا افتراضية للحقول المفقودة من البيانات الأقدم، ما يوفر التوافق مع الإصدارات السابقة. وهذا يعني إمكانية تحديث الأنظمة القائمة على Protobuf تدريجيًا، دون الحاجة إلى تحديث جميع المكونات في الوقت نفسه.

ومقارنة بصيغ التسلسل الأخرى التي قد تتطلب تغييرات واسعة عند التحديث، تقدم Protocol Buffers نهجًا أكثر متانة ومرونة لإدارة الإصدارات والتوافق، ما يجعلها خيارًا جيدًا للأنظمة المعقدة التي تتطلب تحديثات وتوسعات متكررة.