프로토콜 버퍼(protobuf)란?

1. 소개

현대 애플리케이션에서 데이터 직렬화의 중요성

오늘날의 소프트웨어 개발에서는 다양한 시스템과 애플리케이션 간에 데이터를 효율적으로 교환하는 것이 매우 중요합니다. 특히 마이크로서비스 아키텍처의 확산과 모바일 및 IoT 기기의 증가로 인해 네트워크 상에서 주고받는 데이터의 양과 빈도가 폭발적으로 늘어나고 있습니다.

기존 직렬화 방식의 한계

전통적으로 데이터 교환에는 JSON이나 XML과 같은 텍스트 기반의 포맷이 많이 사용되어 왔습니다. 이러한 포맷은 사람이 읽기 쉽고 이해하기 편리하다는 장점이 있지만, 데이터 크기가 크고 파싱 속도가 느리며, 데이터 타입에 대한 명확한 정의가 부족하다는 단점이 있습니다.

프로토콜 버퍼의 등장 배경

구글은 내부 시스템에서 대용량의 데이터를 효율적으로 처리하기 위해 보다 빠르고 가벼운 직렬화 포맷이 필요했습니다. 그 결과로 개발된 것이 바로 프로토콜 버퍼(Protobuf)입니다. Protobuf는 바이너리 포맷을 사용하여 데이터 크기를 줄이고, 엄격한 스키마를 통해 데이터 무결성을 보장하며, 다양한 언어와 플랫폼에서 사용 가능하도록 설계되었습니다

2. Protobuf란 무엇인가?

정의 및 개념

프로토콜 버퍼(Protobuf)는 구글에서 개발한 언어 중립적, 플랫폼 중립적, 확장 가능한 직렬화 메커니즘입니다. 구조화된 데이터를 바이너리 형태로 직렬화하고 역직렬화하는 데 사용되며, 이는 데이터 전송과 저장을 효율적으로 만듭니다.

역사와 개발 배경

구글은 2001년부터 내부적으로 Protobuf를 사용해 왔으며, 2008년에 오픈 소스로 공개하였습니다. 그 이후로 많은 기업과 개발자들이 Protobuf를 채택하여 사용하고 있으며, 이는 효율성과 확장성 측면에서 큰 장점을 제공하기 때문입니다.

3. 왜 Protobuf를 사용해야 하는가?

성능 비교: Protobuf vs. JSON vs. XML

• 데이터 크기: Protobuf는 바이너리 포맷을 사용하므로 JSON이나 XML보다 데이터 크기가 훨씬 작습니다.
• 전송 속도: 데이터 크기가 작기 때문에 네트워크를 통한 전송 속도가 빠릅니다.
• 파싱 속도: 바이너리 포맷은 파싱이 빠르며, 이는 애플리케이션의 응답 시간을 개선합니다.

데이터 크기와 전송 속도

예를 들어, 동일한 데이터를 Protobuf와 JSON으로 직렬화했을 때 Protobuf는 JSON 대비 최대 10배까지 작은 크기를 가질 수 있습니다. 이는 특히 모바일 네트워크나 제한된 대역폭 환경에서 큰 이점을 제공합니다.

확장성과 호환성
Protobuf는 스키마를 사용하여 데이터 구조를 정의하기 때문에 새로운 필드를 추가하거나 기존 필드를 변경하더라도 하위 호환성을 유지할 수 있습니다. 이는 시스템 간의 통합과 업데이트를 용이하게 만듭니다.

4. Protobuf의 작동 원리

스키마 정의(.proto 파일)

Protobuf는 .proto 파일에서 데이터 구조를 정의합니다. 이 파일에서는 메시지 타입, 필드, 데이터 타입 등을 명시적으로 지정합니다.

 

프로토콜 컴파일러의 역할

프로토콜 컴파일러(protoc)는 .proto 파일을 읽고, 지정된 언어(Java, C++, Python 등)의 코드로 컴파일합니다. 이 코드는 직렬화 및 역직렬화 메서드를 포함하고 있습니다.

 

직렬화 및 역직렬화 과정

• 직렬화: 애플리케이션에서 생성된 객체를 Protobuf 메시지로 변환하고, 이를 바이너리 형태로 직렬화합니다.
• 역직렬화: 받은 바이너리 데이터를 Protobuf 메시지로 역직렬화하고, 이를 애플리케이션에서 사용할 수 있는 객체로 변환합니다.

 

5. Protobuf 메시지 정의하기

기본 문법과 규칙

.proto 파일은 특정한 문법을 따릅니다. 가장 먼저 Protobuf 버전을 지정해야 하며, 그 다음 메시지와 필드를 정의합니다.

syntax = "proto3";

message MessageName {
// 필드 정의
}

 

 

데이터 타입과 필드 번호의 중요성

각 필드는 데이터 타입, 이름, 태그 번호를 가집니다.

• 데이터 타입: int32, string, bool 등 다양한 기본 타입과 사용자 정의 메시지를 사용할 수 있습니다.
• 태그 번호: 각 필드는 고유한 태그 번호를 가지며, 이는 바이너리 포맷에서 필드를 식별하는 데 사용됩니다.

message User {
	int32 id = 1;
	string name = 2;
	string email = 3;
}

 

옵션 필드와 반복 필드

• 옵션 필드: 필드가 필수적이지 않으며, 값이 없을 수 있습니다.
• 반복 필드: 동일한 타입의 필드가 여러 개 있을 수 있으며, 이는 리스트로 취급됩니다.

message Group {
	repeated User members = 1;
   	optional string str_field = 2;
}

 

6. 프로토콜 컴파일러 사용하기

설치 및 설정 방법

프로토콜 컴파일러는 공식 홈페이지나 패키지 매니저를 통해 설치할 수 있습니다.

공식 홈페이지: https://grpc.io/docs/protoc-installation/

ex)
MacOS: brew install protobuf
Ubuntu: sudo apt-get install protobuf-compiler

 

다양한 언어로 코드 생성하기

.proto 파일을 컴파일하여 원하는 언어의 코드를 생성합니다.

 

 

7. 장점과 단점

Protobuf의 강점

• 효율성: 작은 데이터 크기와 빠른 직렬화/역직렬화 속도
• 엄격한 스키마: 데이터 구조의 명확한 정의로 인한 무결성 보장
• 다양한 언어 지원: 다수의 프로그래밍 언어에서 사용 가능
• 확장성: 필드 추가 및 변경에 대한 유연한 대처

고려해야 할 단점

• 가독성 부족: 바이너리 포맷이므로 디버깅이나 로깅 시 어려움
• 스키마 필요: 모든 통신 주체가 동일한 스키마를 공유해야 함
• 학습 곡선: 새로운 도구와 개념에 대한 학습 필요

사용 시 주의사항

스키마 관리에 신경 써야 하며, 버전 관리를 철저히 해야 합니다.
보안 측면에서 데이터 암호화나 인증을 추가로 고려해야 합니다.

 

8. 결론

Protobuf의 미래와 전망

프로토콜 버퍼는 고성능의 데이터 직렬화가 필요한 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 특히 마이크로서비스, 모바일 앱, IoT 등 네트워크 효율이 중요한 영역에서 그 가치는 더욱 부각되고 있습니다.

 

최종 요약 및 추천

Protobuf는 데이터 전송의 효율성을 극대화하고, 시스템 간의 호환성과 확장성을 제공하는 강력한 도구입니다. 기존의 JSON이나 XML 기반의 통신에서 성능 이슈를 겪고 있다면, Protobuf를 도입하여 개선해 볼 것을 추천합니다.