對非optimize_for為lite_runtime的proto檔案，protobuf編譯器會在編譯出的java代碼檔案末尾添加一個filedescriptor靜态字段以描述該proto檔案定義時的所有中繼資料資訊、為每個message對象定義一個descriptor靜态字段以描述該message定義時的中繼資料資訊、為每個message對象定義一個fieldaccessortable靜态字段用于使用反射讀取/設定某個字段的值等（以提供generatedmessage中方法的反射實作）：
private static descriptor inter-nal_static_levin_protobuf_result_descriptor;
private static fieldaccessortable inter-nal_static_levin_protobuf_result_fieldaccessortable;
private static descriptor inter-nal_static_levin_protobuf_searchresponse_descriptor;
private static fieldaccessortable inter-nal_static_levin_protobuf_searchresponse_fieldaccessortable;
private static filedescriptor descriptor;
在protobuf中存在多種類型的中繼資料描述類：
1. filedescriptor：對一個proto檔案的描述，它包含檔案名、包名、選項（如java_package、java_outer_classname等）、檔案中定義的所有message、檔案中定義的所有enum、檔案中定義的所有service、檔案中所有定義的extension、檔案中定義的所有依賴檔案（import）等。在filedescriptor中還存在一個descriptorpool執行個體，它儲存了所有的dependencies(依賴檔案的filedescriptor)、name到genericdescriptor的映射、字段到fielddescriptor的映射、枚舉項到enumvaluedescriptor的映射，進而可以從該descriptorpool中查找相關的資訊，因而可以通過名字從filedescriptor中查找message、enum、service、extensions等。
2. descriptor：對一個message定義的描述，它包含該message定義的名字、所有字段、内嵌message、内嵌enum、關聯的filedescriptor等。可以使用字段名或字段号查找fielddescriptor。
3. fielddescriptor：對一個字段或擴充字段定義的描述，它包含字段名、字段号、字段類型、字段定義(required/optional/repeated/packed)、預設值、是否是擴充字段以及和它關聯的descriptor/filedescriptor等。
4. enumdescriptor：對一個enum定義的描述，它包含enum名、全名、和它關聯的filedescriptor。可以使用枚舉項或枚舉值查找enumvaluedescriptor。
5. enumvaluedescriptor：對一個枚舉項定義的描述，它包含枚舉名、枚舉值、關聯的enumdescriptor/filedescriptor等。
6. servicedescriptor：對一個service定義的描述，它包含service名、全名、關聯的filedescriptor等。
7. methoddescriptor：對一個在service中的method的描述，它包含method名、全名、參數類型、傳回類型、關聯的filedescriptor/servicedescriptor等。
最後，protobuf編譯生成的代碼末尾還有一個descriptordata字元串數組，它是序列化後的filedescriptorproto資料，在靜态初始化塊中可以調用filedescriptor.internalbuildgeneratedfilefrom()方法構造整個filedescriptor執行個體，在完成filedescriptor的構造後，還會回調傳入的internaldescriptorassigner執行個體以初始化其他的靜态字段，如以上提到的所有的靜态字段。
在protobuf中descriptor的類圖：
序列化和反序列化是protobuf最基礎的架構，它使用messagelite/message接口來抽象一個可序列化的執行個體，并且使用builder從位元組數組或輸入位元組流中建構messagelite/message執行個體，messagelite和message内部都定義了自己的builder類，他們個字繼承自messageliteorbuilder以及messageorbuiler，它們定義了messagelite/message和它們各自builder類的共同接口。
messageliteorbuilder接口隻定義了messagelite和messagelite.builder兩個接口共有的兩個方法：getdefaultinstancefortype()方法擷取一個目前還未初始化的目前message執行個體(沒有字段被指派，因而所有字段傳回預設值，對repeat字段傳回空，在目前protobuf 2.5.0的實作中，它傳回的是一個單例，和每個生成的靜态方法getdefaultinstance()傳回相同的執行個體)；isinitialized()方法用來判斷是否所有required字段已經被指派。messagelite接口中定義了兩個writeto()方法分别将目前執行個體序列化并寫入輸出位元組流中，而另一個writedelimitedto()方法則在寫入之前将目前執行個體的總長度寫入輸出位元組流中（以可變長32位int編碼方式），進而可以同時向一個輸出位元組流中寫入多個message執行個體；messagelite中還定義了擷取目前messagelite在序列化成位元組流後的總位元組數的方法getserializedsize()，兩個直接傳回位元組數組的tobytearray()/tobytestring()方法，以及擷取它的parser執行個體(getparserfortype())和傳回它的builder執行個體(tobuilder()－建立一個新的builder執行個體/newbuilderfortype()－用目前messagelite類初始化一個新的builder執行個體并傳回)方法。其中builder接口用于從位元組流或位元組數組中解析并構造messagelite對象(各種版本的mergefrom()方法，如果發送端寫入了messagelite位元組長度，則使用mergedelimitedfrom()方法)，最後builder使用build()方法構造messagelite對象，此時如果有required字段還未被設定，會抛出uninitializedmessageexception，為了避免抛出異常，可以使用buildpartial()方法；另外builder還定義了clone()和clear()方法；在生成的每個message對象中都定義了一個newbuilder()靜态方法，一般使用該靜态方法初始化一個builder執行個體。parser接口也定義了各個版本的parsefrom()/parsepartialfrom()/parsedelimitedfrom()/parsepartialdelimitedfrom()方法用來從位元組數組或位元組流中解析出message執行個體，在生成的代碼中，builder的實作直接調用parser實作類中的方法。
在大部分情況下，messagelite已經能完成所有的序列化和反序列化操作了，特别是一些資源有限額手持裝置，它如果運作整個protobuf庫會顯得太耗資源；可以在.proto檔案中加入一下指令來告訴protobuf編譯器隻需要生成實作messagelite的類：
option optimize_for = lite_runtime
然而對一般的server程式來說，我們并不在乎這點資源的損耗，因而會選擇實作message接口，它相比messagelite，添加了descriptors相關的支援，即支援使用fielddescriptor來建構message.builder執行個體并最終建構message執行個體。
messageorbuilder接口繼承自messageliteorbuilder接口，它定義了message和message.builder共有的接口，即添加了descriptor、fielddescriptor等相關的擴充。由于實作message和message.builder接口的類儲存了所有message定義時具有的資訊(檔案名、包名、字段清單等，使用各種descriptor類來抽象)，因而我們可以使用message/message.builder類擷取到更多的資訊，如一個message/message.builder沒有指派所有required的字段，可以使用findinitializationerrors()方法來擷取所有未指派的字段清單(字段的全路徑名，getinitializationerrorstring()是這個清單的字元串形式表達，為了提升性能，建議使用isinitialized()方法先做初步判斷，因為它更快)；另外在messageorbuilder中還定義了目前message對應的descriptor執行個體：getdescriptorfortype()方法，擷取所有已經指派的fielddescriptor到其值的一個map：getallfields()，通過fielddescriptor取得其值：getfield()，判斷一個字段是否已經被指派：hasfield()，擷取repeated字段的count：getrepeatedfieldcount()，通過fielddescriptor以及index擷取repeated字段在index處的值：getrepeatedfield()，擷取未知的字段：getunknownfields()。message接口除了繼承自messageorbuilder接口的方法，并沒有定義多餘的方法，隻是添加了equals、hashcode、tostring方法的定義。而message.builder接口除了繼承自messageorbuilder接口以外，它還定義了基于fielddescriptor的方法，如通過fielddescriptor建立/擷取builder執行個體：newbuilderforfileld()/getfieldbuilder()，通過fielddescriptor設定/清除字段的值：setfield()/clearfield()/setrepeatedfield()/addrepeatedfield()，以及設定unknownfields：setunknownfields()/mergeunknownfields()。
messagelite/message類圖如下：
除了序列化架構，protobuf還定義了一套簡單的rpc架構。之是以說簡單是因為它定義的service層接口的協定，而沒有具體和傳輸相關的實作，而隻是将傳輸相關的邏輯抽象成rpcchannel和blockingrpcchannel分别用于表示同步和一步方式的service方法調用，而至于底層用什麼樣的協定和架構，由使用者自己決定并實作。
所謂rpc架構，從使用者角度上最基本的就是定義用戶端和伺服器端的協定，即伺服器端暴露出什麼樣的接口供用戶端調用，這個接口定義了伺服器在一個host的某個（些）端口上接收某些請求資料，并期望能傳回的響應。其中伺服器和端口号屬于傳輸實作的範疇，protobuf隻是用rpcchannel/blockingrpcchannel的概念做了抽象，而沒有給出具體實作；而接收某個請求資料以及期待的響應資料，在protobuf使用service/blockingservice抽象來定義，并且這也是protobuf中rpc架構的定義部分，其中service和rpcchannel共同構成異步方式的rpc架構，而blockingservice和blockingrpcchannel共同構成了同步（阻塞）方式的rpc架構。
從底層實作的角度，一個rpc調用就是用戶端發送一些請求資料給伺服器，伺服器解析并處理這些請求資料，然後将響應資料傳回給用戶端。為了隐藏内部實作細節，提升寫代碼的效率，rpc将這一過程封裝成方法調用，即不同的請求用不同的方法表達，這就是protobuf中rpc的定義。在protobuf中，定義一個prc接口比較簡單：首先開啟rpc功能，然後用service關鍵字定義一個接口，在接口中使用rpc關鍵字定義一個方法，方法包含方法名、方法參數、傳回值，其中方法參數和傳回值都必須是一個message類型，并且隻能有一個：
option java_generic_services = true;
service myservice {
rpc request(searchrequest) returns(searchresponse);
}
在protobuf編譯生成的代碼中，它會生成一個myservice抽象類實作了service接口，一般它隻是作為一個命名空間，它内部定義了兩個接口：interface和blockinginterface本别繼承自service接口和blockingservice接口，用于抽象異步和同步方式的rpc方法調用；這兩個接口有兩個實作類：stub和blockingstub，他們分别接收rpcchannel和blockingrpcchannel執行個體作為構造函數參數，可以使用myservice中的靜态方法newstub()和newblockingstub()方法擷取他們各自執行個體，他們主要用于用戶端的調用。在生成的request方法中，除了request本身的參數，還有一個rpccontroller參數，它用于處理在rpcchannel/blockingrpcchannel調用中的狀态處理，如錯誤處理等，使用它可以獲知此次調用是否出錯，錯誤資訊是什麼等。在myservice中還定義了兩個靜态方法newreflectiveservice/newreflectiveblockingservice，他們接收interface/blockinginterface執行個體，并傳回service/blockingservice的實作執行個體（暫時還沒有想到使用他們的場景）。
在myservice的rpc架構實作中，在伺服器端，實作myservice.interface/myservice.blockinginterface接口，然後将它注冊到對rpcchannel/blockingrpcchannel架構的實作中；在用戶端則建立一個rpcchannel/blockingrpcchannel執行個體，傳入myservice.newstub()/myservice.newblockingstub()方法擷取對應的執行個體，然後使用這個stub/blockingstub執行個體調用相應的方法即可。