プロトコルバッファのバージョニング（ぷろとこるばっふぁのばーじょにんぐ）

2025年11月17日

プロトコルバッファのバージョニング（ぷろとこるばっふぁのばーじょにんぐ）

英語表記: Protobuf Versioning Strategies

概要

プロトコルバッファのバージョニングとは、主にgRPCで使用されるデータ構造定義言語（IDL）であるプロトコルバッファ（Protobuf）のスキーマを変更する際、既存のクライアントやサーバーとの通信互換性を維持するための戦略と規約のことを指します。これは、API設計とマイクロサービス環境において、サービスが独立してデプロイ・更新される際に、システム全体の安定性を確保するために不可欠なプロセスです。具体的には、フィールド番号の管理やパッケージ名の利用を通じて、後方互換性（古いクライアントが新しいサーバーと通信できること）および前方互換性（新しいクライアントが古いサーバーと通信できること）を両立させることを目的としています。

詳細解説

プロトコルバッファのバージョニングは、従来のRESTful APIがしばしばURIパス（例：/v1/users）を用いてバージョンを管理する手法とは異なり、データ構造そのものの進化（スキーマ進化）を管理することに焦点を当てています。これは、サービス通信プロトコルとして高効率なバイナリシリアライゼーションを採用するgRPCの根幹に関わる重要な設計思想です。

目的：マイクロサービス環境の独立性維持

API設計とマイクロサービスアーキテクチャでは、各サービスが独立して開発・デプロイされることが大前提となります。もし、あるサービス（サーバー）がAPIを変更した際に、それに依存するすべてのサービス（クライアント）が同時にアップデートを強いられると、デプロイの複雑性が増し、サービス停止のリスクが高まります。プロトコルバッファのバージョニング戦略は、この依存関係を柔軟にし、「サーバーは更新されたが、クライアントはまだ古いバージョンを使っている」という状況下でも通信が破綻しないようにするための保険なのです。

gRPCにおける主要なバージョンニング戦略

gRPCが依存するProtobufでは、以下のルールを厳守することで互換性を保ちます。このルールは、Protobufのシリアライゼーションの仕組み（フィールド番号に基づいてデータを識別する）に基づいているため、非常に厳格です。

1. フィールド番号の不変性と追加

Protobufにおいて、メッセージ内のフィールドは固有のフィールド番号を持ちます。この番号こそが、データを識別するキーとなります。

追加: 新しいフィールドを追加する場合、既存のフィールド番号を絶対に変更せず、必ず未使用の新しい番号を割り当てます。古いクライアントは新しい番号を知らないため、そのデータは単に無視されます（前方互換性の実現）。
削除・変更の禁止: 一度使用したフィールド番号は、たとえそのフィールドを廃止する場合でも、絶対に再利用してはいけません。再利用すると、古いクライアントが誤ったデータを読み取る原因となり、重大なバグにつながります。廃止する場合は、reserved キーワードを使用して番号を予約するか、[deprecated=true] オプションを付与して使用を非推奨にします。

2. パッケージ名によるメジャーバージョン管理

Protobufファイル（.protoファイル）の先頭で定義されるpackage名を使って、APIのメジャーバージョン（v1, v2など）を区別するのが一般的です。

“`protobuf
// v1サービス
package api.v1;
message User { … }

// v2サービス
package api.v2;
message User { … } // v1と互換性のない破壊的変更を含む場合
“`

これは、gRPCのサービス通信プロトコルにおいて、互換性のない破壊的変更（Breaking Change）を導入する際の標準的な手法です。v1とv2が同時に動作することで、クライアントは移行期間中、徐々に新しいバージョンへ切り替えることが可能になります。

gRPCとの関連性

gRPCは、サービス通信プロトコルとして、クライアントとサーバー間でやり取りされるメッセージの定義にProtobufを必須としています。このため、Protobufのバージョンニング戦略は、そのままgRPCのAPI設計のバージョンニング戦略となります。特に、ネットワークを介してバイナリデータをやり取りする際に、フィールド番号が少しでもずれると通信が成り立たなくなるため、このスキーマ進化の管理は極めて重要なのです。

具体例・活用シーン

図書館の蔵書カードとデジタル化の比喩

プロトコルバッファのバージョニングを理解するために、図書館の蔵書管理を例に挙げてみましょう。

昔、図書館では紙の蔵書カード（Protobufスキーマ）を使っていました。カードには「タイトル」「著者」「発行年」という３つの項目（フィールド）が記載されていました（V1）。

時代が進み、図書館がデジタル化を進め、蔵書カードに「ISBNコード」という新しい項目（フィールド番号4）を追加することになりました（V2）。

古い職員（V1クライアント）が新しいデジタルデータ（V2サーバー）を見る場合:
古い職員は、新しい「ISBNコード」の欄を見ても、「これは何だろう？」と思うだけで、特に気にしません。彼らは知っている「タイトル」「著者」「発行年」の情報だけを使って業務を続けます。システムは問題なく動作します（後方互換性の維持）。Protobufでは、古いクライアントは知らないフィールド番号のデータは自動的に無視されます。
新しい職員（V2クライアント）が古い紙のカード（V1サーバー）を見る場合:
新しい職員は「ISBNコード」を探しますが、紙のカードにはその項目がありません。しかし、システムは「ISBNコードがないなら、空欄（デフォルト値）として扱おう」と判断します。システムはエラーを起こさず動作します（前方互換性の維持）。

このように、プロトコルバッファのバージョニングは、古いものと新しいものが共存し、お互いに知らない情報があっても、知っている情報だけで処理を進められる柔軟な設計を可能にしているのです。

活用シーン：リアルタイムなデータ更新

金融取引システム: マイクロサービスで構成された取引システムにおいて、新しい分析指標（新しいフィールド）をデータメッセージに追加する場合、既存の取引実行サービスを停止させることなく、新しい分析サービスだけをデプロイできます。これにより、API設計におけるデプロイの柔軟性が劇的に向上します。
IoTデバイス連携: 何十万台ものIoTデバイス（クライアント）が稼働している場合、すべてのデバイスを一斉にアップデートするのは現実的ではありません。サーバー側でProtobufスキーマを互換性を保ちながら更新することで、古いファームウェアのデバイスも引き続きサービス通信プロトコルを利用し続けられるようになります。

資格試験向けチェックポイント

プロトコルバッファのバージョニングは、特に応用情報技術者試験や高度試験において、マイクロサービス設計やAPI管理の文脈で出題される可能性があります。gRPCというマイナーカテゴリに属しますが、API設計の原則として重要です。

| 資格レベル | 重点的に抑えるべきポイント |
| :— | :— |
| ITパスポート/基本情報技術者 | 互換性の確保 (後方互換性/前方互換性) が目的であることを理解する。サービス通信プロトコルとして、APIの更新時にシステム全体が停止しないようにするための技術であることを知る。 |
| 応用情報技術者 | スキーマ進化という概念を理解し、URIベースのバージョン管理（REST）とデータ構造ベースのバージョン管理（Protobuf/gRPC）の違いを説明できること。特に、フィールド番号の不変性が互換性維持の根幹であることを把握する。 |
| 応用情報技術者/高度試験 | マイクロサービス環境における独立デプロイメントの実現と、バージョンニング戦略の関連性を深く理解する。破壊的変更を避けるための具体的な手法（reservedやdeprecatedの利用）を知り、パッケージ名によるメジャーバージョンアップの必要性を論述できること。 |

試験対策のヒント:
Protobufのバージョニングは、API設計のベストプラクティスとして捉えられます。「古いクライアントが新しいサーバーと通信できるのはなぜか？」という問いに対し、「Protobufは知らないフィールドを無視する仕組みを持つため」と答えられるようにしておくと盤石です。