Оптимизация трафика при синхронизации состояний через Jsonpatch

Задача синхронизации состояния между клиентом и сервером может быть решена разными способами, я хотел бы расказать про вариант с использованием спецификации JSON Patch, а также про спецификацию MessagePack и способ оптимизации размера пакета через библиотеку PatchPack.

Принцип синхронизации заключается в следующем: все состояние передается только один раз, последующие изменения состояний передаются списком операций. Каждая операция определяет конкретный тип изменения. Примерами таких изменений являются добавление элемента массива или замена значения свойства.

Jsonpatch

Например, следующие документы JSON представляют состояние, документ исправления JSON для ресурса и результат применения операций исправления.

Пример состояния

{
  "users": {
    "1": { "name": "Foo" },
    "2": { "name": "Baz", "info": "FooBaz" },
  },
  "objects": [
    { "id": 1, "name": "Foo" },
    { "id": 2, "name": "Foo", "foo:" "Baz" },
  ],
  "foo": { "baz": false }
}

Пример JSON Patch

[
  {
    "op": "add",
    "path": "/users/3",
    "value": { 
      "name": "FooBaz", 
      "info": "test" 
    }
  }
]

В приведенном выше документе JSON:

• свойство op указывает тип операции;
• свойство path указывает обновляемый элемент;
• свойство value предоставляет новое значение.

Состояние после обновления

Ниже показан ресурс в том состоянии, которое он принимает после применения приведенного выше документа JSON Patch.

{
  "users": {
    "1": { "name": "Foo" },
    "2": { "name": "Baz", "info": "FooBaz" },
    "3": { "name": "FooBaz", "info": "test" },
  },
  "objects": [
    { "id": 1, "name": "Foo" },
    { "id": 2, "name": "Foo", "foo:" "Baz" },
  ],
  "foo": { "baz": false }
}

Операции

В следующей таблице перечислены поддерживаемые операции, которые определены в спецификации JSON Patch.

Json patch может быть реализован через метод HTTP-запрос PATCH или через сообщения websocket. Гибкость и понятность содержания каждого изменения сильно увеличивают размер этого изменения.

MessagePack

Есть разные способы для оптимизации Json состояния и изменения (JsonPatch) в частности. Один из таких способов — использование спецификации сериализации MessagePack.

Про MessagePack уже были статьи на хабре, поэтому я попробую рассказать преимущества и недостатки этой спецификации для синхронизации состояния.

MessagePack более компактен (чем JSON), существует реализация на многих языках программирования и не используют какие-либо внешние зависимости.

Однако, когда состояние имеет структуру, то MessagePack недостаточно компактный, т.к. нет никакой оптимизации для повторяющихся свойств в состоянии состояния.

Patchpack

Библиотеку PatchPack разработана на основе спецификации MessagePack, но она сериализует состояние и изменения намного эффективнее. Это достигается путем формировании схемы состояния при сериализации и использования этой схемы для десериализации. Этот подход накладывает дополнительную сложность связанную с синхронизацией схемы.

В библиотеке PatchPack схема/изменение передаются вместе с сериализованным состоянием/изменением:

Вот небольшой пример использования библиотеки:

import { PatchPack } from "patchpack"

// первоначальное состояние
const state = {
  users: {
    "1": { name: "Foo" },
    "2": { name: "Baz", info: "FooBaz" },
  },
  objects: [
    { id: 1, name: "Foo" },
    { id: 2, name: "Foo", foo: "Baz" },
  ],
  foo: { baz: false }
}

// Создаем объект PatchPack и указываем типы, используемые в состоянии
const ppServer = new PatchPack({
  State: ["users", "objects", "foo"],
  User: ["name", "info"],
  Object: ["id", "name", "foo"],
  Foo: ["baz"]
})

// сериализуем состояние
const encodedState = ppServer.encodeState(state, false)

Сериализованное состояние отправляем на клиент, создаем объект PatchPack с аналогичными типами и выполняем метода decodeState.

Для сериализации изменений (JsonPatch) используется отдельный метод:

// добавляем пользователя в коллекцию
const patch1 = { op: "add", path: "/users/3", value: { name: "FooBaz", info: "test" } }
const encodedPatch1 = ppServer.encodePatch(patch1)

// изменяем свойство
const patch2 = { op: "replace", path: "/foo/baz", value: true }
const encodedPatch2 = ppServer.encodePatch(patch2)

Сериализованные изменения отправляем на клиент и при помощи метода decodePatch преобразуются в формат JsonPatch.

Сравнение размера после сериализации через PatchPach, MessagePack и JSON.stringify (в байтах):

В настоящий момент поддерживается не вся спецификация JsonPatch, а только базовые операции: add, replace, remove (copy, move, test — не поддерживаются).

В отличии от MessagePack библиотека PatchPack пока реализована только на JavaScript/Typescript, но в ближайшее время добавится реализация на dart и C#.