Scaling from 1 to Millions: System Design Fundamentals
English Summary: In this post, I explore the fundamental concepts of system design, from a single server setup to a distributed architecture handling millions of users.
저처럼 시스템 설계에 막 입문하신 분들에게 도움이 되길 바라며, 공부한 내용을 직접 그린 도표와 함께 정리해 보았습니다.
1. 단일 서버 (Single Server Setup)
모든 위대한 시스템은 단 한 대의 서버에서 시작됩니다. 웹 앱, DB, 캐시가 모두 한 곳에 모여 있는 구조죠.
- 특징: 구성이 단순하지만, 서버 하나가 죽으면 서비스 전체가 중단되는 위험(SPOF)이 있습니다.
2. 데이터베이스 분리 (Separating the Database)
사용자가 늘어나면 웹 트래픽 처리용 서버와 데이터 보관용 DB 서버를 분리해야 합니다.
- NoSQL이 필요한 경우: 아주 낮은 응답 지연시간이 필요하거나, 데이터 양이 폭발적으로 많을 때 비-관계형 DB가 좋은 대안이 될 수 있습니다.
3. 수직적 vs 수평적 확장 (Vertical vs Horizontal Scaling)
- 수직적 확장(Scale-up): 서버의 CPU나 메모리를 높이는 것. 한계가 명확하고 장애 대응이 어렵습니다.
- 수평적 확장(Scale-out): 서버 대수를 늘리는 것. 대규모 트래픽 처리를 위한 현대 시스템의 핵심입니다.
4. 부하 분산: 로드밸런서 (Load Balancer)
서버를 여러 대 두었다면, 트래픽을 골고루 나눠주는 '교통경찰'이 필요합니다.
- 역할: 특정 서버에 부하가 몰리는 것을 방지하고, 한 서버가 죽어도 다른 서버로 유저를 안내합니다.
5. 데이터 안정성: DB 다중화 (DB Replication)
DB도 여러 대를 두어 '주(Master)-부(Slave)' 구조로 관리합니다.
- 장점: 성능 향상은 물론, 자연재해 등으로 서버가 파괴되어도 데이터를 안전하게 보존할 수 있습니다.
6. 더 빠른 응답을 위한 캐시 & CDN
- Cache: 자주 찾는 데이터를 메모리에 저장해 DB 부하를 줄입니다.
- CDN: 이미지나 영상 같은 정적 콘텐츠를 유저와 가까운 곳에서 빠르게 전달합니다.
7. 무상태(Stateless) 웹 계층
웹 서버를 수평적으로 확장하려면 상태 정보를 서버에서 제거해야 합니다. 세션 데이터를 DB나 Redis 같은 공유 저장소에 보관하여 어떤 웹 서버든 요청을 처리할 수 있게 만듭니다.
8. 데이터 센터 (Data Center)
지리적으로 떨어진 여러 곳에 데이터 센터를 구축하여 가용성을 높이고 유저에게 더 빠른 응답을 제공합니다. (지리적 라우팅)
9. 메시지 큐 (Message Queue)
메시지 큐는 서비스 간의 결합도를 낮추고, 비동기 처리를 가능하게 하는 핵심 컴포넌트입니다.
- 비동기 처리: 시간이 오래 걸리는 작업(예: 이메일 발송, 이미지 프로세싱)을 큐에 던져두고, 웹 서버는 즉시 응답을 반환할 수 있습니다.
- 서버 간 결합도 완화(Decoupling): 생산자(Producer)는 메시지를 발행하고, 소비자(Consumer)는 이를 받아 처리하므로 두 서비스가 서로를 직접 몰라도 작동합니다.
- 안정성: 트래픽이 갑자기 몰려도 메시지 큐가 버퍼 역할을 해주어 소비자 서버가 죽지 않고 차례대로 일을 처리할 수 있게 돕습니다.
10. 로그, 메트릭 그리고 자동화
시스템이 커지면 모니터링은 필수입니다.
- 로그: 오류 추적
- 메트릭: 시스템 성능 수치화
- 자동화: CI/CD를 통한 안정적인 배포
11. 데이터베이스의 규모 확장 (Sharding)
DB의 부하를 나누기 위해 샤딩(Sharding)을 도입합니다. 데이터를 여러 서버에 분산 저장하여 개별 DB의 크기를 줄이는 방식입니다.
12. 백만 사용자, 그리고 그 이상
결국 대규모 시스템 설계는 반복적인 개선 과정입니다. 무상태 계층, 다중화, 캐시, 그리고 샤딩까지 도입된다면 백만 명 이상의 사용자도 거뜬히 감당할 수 있는 구조가 됩니다.
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