Design Serialization Schema

Serialisierungsschema entwerfen

Gut versionierte Serialisierungsschemata erstellen, die sich elegant weiterentwickeln, ohne Konsumenten zu brechen.

Wann verwenden

• Einen neuen API-Vertrag oder ein Datenaustauschformat definieren
• Felder zu einem bestehenden Schema hinzufuegen, ohne Konsumenten zu brechen
• Zwischen Schema-Versionen migrieren
• Zwischen Schema-Systemen waehlen (JSON Schema, Protobuf, Avro)
• Datenvalidierungsregeln fuer automatisierte Durchsetzung dokumentieren

Eingaben

• Erforderlich: Datenmodell (Entitaetsbeziehungen, Feldtypen, Beschraenkungen)
• Erforderlich: Kompatibilitaetsanforderungen (wer konsumiert diese Daten, wie lange muessen alte Formate lesbar sein)
• Optional: Bestehendes Schema zur Weiterentwicklung
• Optional: Performance-Anforderungen (Validierungsgeschwindigkeit, Schema-Registry-Integration)
• Optional: Zielserialisierungsformat (JSON, binaer, spaltenbasiert)

Vorgehensweise

Schritt 1: Ein Schema-System waehlen

Erwartet: Schema-System basierend auf Oekosystem, Performance-Beduerfnissen und Evolutionsanforderungen ausgewaehlt. Bei Fehler: Im Zweifelsfall mit JSON Schema beginnen -- es hat die breiteste Werkzeugunterstuetzung und kann auf bestehende JSON-APIs aufgesetzt werden.

Schritt 2: Das Kernschema entwerfen

JSON-Schema-Beispiel:

{
  "$schema": "https://json-schema.org/draft/2020-12/schema",
  "$id": "https://example.com/schemas/measurement/v1",
  "title": "Measurement",
  "description": "Eine Sensormessung",
  "type": "object",
  "required": ["sensor_id", "value", "unit", "timestamp"],
  "properties": {
    "sensor_id": {
      "type": "string",
      "pattern": "^[a-z]+-[0-9]+$",
      "description": "Eindeutige Sensorkennung (Kleinbuchstaben-Ziffern-Format)"
    },
    "value": {
      "type": "number",
      "description": "Messwert"
    },
    "unit": {
      "type": "string",
      "enum": ["celsius", "fahrenheit", "kelvin", "percent", "ppm"],
      "description": "Masseinheit"
    },
    "timestamp": {
      "type": "string",
      "format": "date-time",
      "description": "ISO 8601 Zeitstempel mit Zeitzone"
    },
    "metadata": {
      "type": "object",
      "additionalProperties": true,
      "description": "Optionale Schluessel-Wert-Metadaten"
    }
  },
  "additionalProperties": false
}

Protocol-Buffers-Beispiel:

syntax = "proto3";
package sensors.v1;

import "google/protobuf/timestamp.proto";

message Measurement {
  string sensor_id = 1;
  double value = 2;
  Unit unit = 3;
  google.protobuf.Timestamp timestamp = 4;
  map<string, string> metadata = 5;
}

enum Unit {
  UNIT_UNSPECIFIED = 0;
  UNIT_CELSIUS = 1;
  UNIT_FAHRENHEIT = 2;
  UNIT_KELVIN = 3;
  UNIT_PERCENT = 4;
  UNIT_PPM = 5;
}

Apache-Avro-Beispiel:

{
  "type": "record",
  "name": "Measurement",
  "namespace": "com.example.sensors",
  "doc": "A sensor measurement reading",
  "fields": [
    {"name": "sensor_id", "type": "string", "doc": "Unique sensor identifier"},
    {"name": "value", "type": "double", "doc": "Measured value"},
    {"name": "unit", "type": {"type": "enum", "name": "Unit", "symbols": ["CELSIUS", "FAHRENHEIT", "KELVIN", "PERCENT", "PPM"]}},
    {"name": "timestamp", "type": {"type": "long", "logicalType": "timestamp-millis"}},
    {"name": "metadata", "type": ["null", {"type": "map", "values": "string"}], "default": null}
  ]
}

Erwartet: Schema ist selbstdokumentierend mit Beschreibungen, Beschraenkungen und klaren Typdefinitionen. Bei Fehler: Falls das Datenmodell noch nicht stabil ist, das Schema als draft markieren und die Veroeffentlichung in einer Registry vermeiden.

Schritt 3: Schema-Evolution planen

Kompatibilitaetsregeln:

Sichere Evolutionsstrategie:

1. Nur optionale Felder hinzufuegen mit sinnvollen Standardwerten
2. Niemals entfernen oder umbenennen -- stattdessen deprecaten
3. Schema versionieren im Bezeichner (v1, v2)
4. Schema-Registry verwenden fuer Binaerformate (Confluent Schema Registry fuer Avro/Protobuf)

Protobuf-Evolutionsregeln:

// v1 — original
message Measurement {
  string sensor_id = 1;
  double value = 2;
  Unit unit = 3;
}

// v2 — safe evolution
message Measurement {
  string sensor_id = 1;
  double value = 2;
  Unit unit = 3;
  // NEW: added in v2 — old clients ignore this field
  google.protobuf.Timestamp timestamp = 4;
  // DEPRECATED: use sensor_id instead
  reserved 6;
  reserved "old_sensor_name";
}

JSON-Schema-Versionierung:

{
  "$id": "https://example.com/schemas/measurement/v2",
  "allOf": [
    {"$ref": "https://example.com/schemas/measurement/v1"},
    {
      "properties": {
        "location": {
          "type": "string",
          "description": "Added in v2: GPS coordinates"
        }
      }
    }
  ]
}

Erwartet: Evolutionsplan dokumentiert: welche Aenderungen sicher sind, welche neue Versionen erfordern. Bei Fehler: Falls eine brechende Aenderung unvermeidlich ist, das Schema versionieren (v1 -> v2) und parallele Unterstuetzung waehrend der Migration aufrechterhalten.

Schritt 4: Schema-Validierung implementieren

# JSON-Schema-Validierung (Python)
from jsonschema import validate, ValidationError
import json

schema = json.load(open("measurement_v1.json"))

def validate_measurement(data: dict) -> list[str]:
    """Messung gegen das Schema validieren. Gibt Liste von Fehlern zurueck."""
    errors = []
    try:
        validate(instance=data, schema=schema)
    except ValidationError as e:
        errors.append(f"{e.json_path}: {e.message}")
    return errors

# Verwendung
errors = validate_measurement({"sensor_id": "s-01", "value": "not_a_number"})
# -> ["$.value: 'not_a_number' is not of type 'number'"]

// TypeScript mit Zod (Laufzeit + Kompilierzeit)
import { z } from 'zod';

const MeasurementSchema = z.object({
  sensor_id: z.string().regex(/^[a-z]+-[0-9]+$/),
  value: z.number(),
  unit: z.enum(['celsius', 'fahrenheit', 'kelvin', 'percent', 'ppm']),
  timestamp: z.string().datetime(),
  metadata: z.record(z.string()).optional(),
});

type Measurement = z.infer<typeof MeasurementSchema>;

// Validierung
const result = MeasurementSchema.safeParse(inputData);
if (!result.success) {
  console.error(result.error.issues);
}

Erwartet: Validierung laeuft auf allen eingehenden Daten an Systemgrenzen (API-Endpunkte, Dateieinlesung). Bei Fehler: Validierungsfehler mit vollstaendiger Nutzlast (sensible Felder schwaeraen) fuer Debugging protokollieren.

Schritt 5: Schema dokumentieren

Eine Schema-Dokumentationsseite erstellen mit Uebersicht, Feldbeschreibungen, Aenderungsprotokoll und Kompatibilitaetsrichtlinie.

# Measurement Schema (v1)

## Overview
Represents a single sensor reading with metadata.

## Fields
| Field | Type | Required | Description | Constraints |
|-------|------|----------|-------------|-------------|
| sensor_id | string | Yes | Unique sensor ID | Pattern: `^[a-z]+-[0-9]+$` |
| value | number | Yes | Measured value | Any valid IEEE 754 double |
| unit | enum | Yes | Unit of measurement | One of: celsius, fahrenheit, kelvin, percent, ppm |
| timestamp | string | Yes | Reading time | ISO 8601 with timezone |
| metadata | object | No | Key-value pairs | String keys and values |

## Changelog
| Version | Date | Changes |
|---------|------|---------|
| v1 | 2025-03-01 | Initial schema |

## Compatibility
- **Backwards**: Consumers of v1 will continue to work with future versions
- **Policy**: Only additive, optional field changes between minor versions

Erwartet: Dokumentation ist automatisch generiert oder bleibt mit der Schema-Definition synchron. Bei Fehler: Falls Dokumentation vom Schema abweicht, einen CI-Check hinzufuegen, der die Dokumentation gegen die Schema-Quelle validiert.

Validierung

• Schema verwendet ein dem Anwendungsfall angemessenes System (JSON Schema, Protobuf, Avro)
• Alle Felder haben Typen, Beschreibungen und Beschraenkungen
• Pflicht- vs. optionale Felder sind explizit definiert
• Evolutionsstrategie dokumentiert (sichere Aenderungen, Versionierungsrichtlinie)
• Validierung an Systemgrenzen implementiert
• Schema ist mit einem Aenderungsprotokoll versioniert
• Roundtrip-Test: serialisieren -> deserialisieren -> vergleichen bestaetigt keinen Datenverlust

Haeufige Fehler

• Zu fruehes Ueberbeschraenken: Strikte Validierung auf einem neuen Schema blockiert Iteration. Permissiv starten (additionalProperties: true), spaeter verschaerfen.
• Keine Standardwerte: Hinzufuegen eines Pflichtfelds ohne Standard bricht alle bestehenden Daten. Immer Standards fuer neue Felder bereitstellen.
• Null ignorieren: Viele Schemata behandeln null/fehlende Felder nicht klar. Explizit sein ueber nullable vs. optional.
• Version in der Nutzlast, nicht der URL: Fuer langlebige Daten (Speicherung, Events) die Schema-Version in die Daten selbst einbetten, nicht nur in die Endpunkt-URL.
• Enum-Vollstaendigkeit: Hinzufuegen eines neuen Enum-Werts kann Konsumenten zum Absturz bringen, die erschoepfende Switch-Anweisungen verwenden. Dokumentieren, dass unbekannte Werte graceful behandelt werden sollten.

Verwandte Skills

• serialize-data-formats -- Formatauswahl und Kodierungs-/Dekodierungsimplementierung
• implement-pharma-serialisation -- Pharmazeutische Serialisierung (regulatorische Schemata)
• write-validation-documentation -- Validierungsdokumentation fuer regulierte Schemata