포스팅에 사용된 그림은 책에서 제공하는 그림들 입니다.
1단계 문제 이해 및 설계 범위 확정
요구사항을 추려보자.
- 1:1 채팅과 그룹 채팅을 모두 지원해야 한다.
- 모바일앱과 웹앱을 모두 지원해야한다.
- 일별 능동 사용자수(DAU Daily Active User)는 5천만명을 처리할 수 있어야 한다.
- 그룹 채팅의 경우 인원제한은 100명까지 참가할 수 있어야 한다.
- 1:1 채팅, 그룹 채팅, 사용자 접속상태 표시를 지원해야 하며, 텍스트 메시지만 주고받을 수 있다.
- 메시지 길이의 제한은 100,000자 이하다.
- 종단 간 암호화는 일단 고려하지 않음.
- 채팅 이력은 영원히 보관해야 한다.
2단계 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기
채팅 시스템의 경우 클라이언트 끼리 서로 직접 통신하지 않는다. 클라이언트는 채팅 서비스와 통신한다.
일단, 기본 요구사항을 만족시키기 위해 필요한 기능을 살펴보자.
- 클라이언트들로부터 메시지 수신
- 메시지 수신자 결정 및 전달
- 수신자가 접속 상태가 아닌 경우에는 접속할 때까지 해당 메시지 보관
아래 그림에 클라이언트와 채팅 서비스사이의 관계를 요약한 그림을 보자
대부분의 클라이언트/서버 애플리케이션에서 요청을 보내는 것은 클라이언트인데, 채팅 시스템의 경우도 마찬가지다. 메시지 송신 클라이언트가 이 역할을 한다. 위 그림에서 송신 클라이언트는 수신 클라이언트에게 전달할 메시지를 채팅 서비스에 보낼 때, 오랜 세월 검증된 HTTP 프로토콜을 사용한다. 클라이언트는 채팅 서비스에 HTTP 프로토콜로 연결한 다음 메시지를 보내어 수신자에게 해당 메시지를 전달하라고 알린다. 채팅 서비스와의 접속에는 keep-alive 헤더를 사용하면 효율적인데, 클라이언트와 서버 사이의 연결을 끊지 않고 계속 유지할 수 있어서다. TCP 접속 과정에서 발생하는 핸드셰이크 횟수를 줄일 수 있음은 물론이다. HTTP는 메시지 전송 용도로는 괜찮은 ㅅ너택이며, 페이스북 같은 많은 대중적 채팅 프로그램이 초기에 HTTP를 사용했다.
HTTP는 클라이언트가 연결을 만드는 프로토콜이며, 서버에서 클라이언트로 임의 시점에 메시지를 보내는 데는 쉽게 쓰일 수 없다. 서버가 연결을 만드는 것처럼 동작할 수 있도록 많은 기법들이 제안되어 있는데
- 폴링
- 롱 폴링
- 웹소켓
등이 그런 기술이다.
폴링
아래 그림에 제시한 대로, 폴링은 클라이언트가 주기적으로 서버에게 새 메시지가 있느냐고 물어보는 방법이다. 폴링 비용은 폴링을 자주하면 할수록 올라간다. 답해줄 메시지가 없는 경우 서버 자원이 불필요하게 낭비된다는 문제도 있다.
롱 폴링
폴링은 여러 가지로 비효율적일 수 있어서 나온 기법이 롱폴링이다.
롱 폴링의 경우 클라이언트는 새 메시지가 반환되거나 타임아웃 될 때까지 연결을 유지한다.
클라이언트는 새 메시지를 받으면 기존 연결을 종료하고 서버에 새로운 요청을 보내어 모든 절차를 다시 시작한다. 이러한 방법은 다음과 같은 단점이 있다.
- 메시지를 보내는 클라이언트와 수신하는 클라이언트가 같은 채팅 서버에 접속하게 되지 않을 수도 있다. HTTP 서버들은 보통 무상태 서버다. 로드밸런싱을 위해 라운드 로빈 알고리즘을 사용하는 경우, 메시지를 받은 서버는 해당 메시지를 수신할 클라이언트와의 롱 폴링 연결을 가지고 있지 않은 서버일 수 있다.
- 서버 입장에서는 클라이언트가 연결을 해제했는지 아닌지 알 방법이 없다.
- 여전히 비효율적이다. 메시지를 많이 받지 않는 클라이언트도 타임아웃이 일어날 때마다 주기적으로 서버에 다시 접속할 것이다.
웹소켓
웹소켓은 서버가 클라이언트에게 비동기 메시지를 보낼때 가장 널리 사용하는 기술이다. 아래그림을 봐보자.
웹소켓 연결은 클라이언트가 시작하낟. 한번 맺어진 연결은 항구적이며 양방향이다. 이 연결으 ㄴ처음에는 HTTP 연결이지만 특정 핸드셰이크 절차를 거쳐 웹소켓 연결로 업그레이드된다. 웹소켓은 일반적으로 방화벽이 있는 환경에서도 잘 동작한다. 80이나 443처럼 HTTP나 HTTPS 프로토콜이 사용하는 기본 포트번호를 그대로 쓰기 때문이다.
앞서 우리는 HTTP 프로토콜이 메시지를 보내려는 클라이언트에게 썩 괜찮은 프로토콜임을 설명해싿. 하지만 웹소켓은 이에 더해 양방향 메시지 전송까지 가능하게 하므로, 웹소켓 대신 HTTP를 굳이 고집할 이유는 없는 셈이다.
웹소켓을 사용하면 메시지를 보낼 때나 받을 떄 동일한 프로토콜을 사용할 수 있으므로 설계뿐 아니라 구현도 단순하고 직관적이다. 유의할 것은 웹소켓 연결은 항구적으로 유지되어야 하기 때문에 서버 측에서 연결 관리를 효율적으로 해야 한다는 것이다.
개략적 설계안
채팅 서비스는 웹소켓을 사용하기로 결정했지만 다른 부분(회원가입,로그인)부분과 같은 부분에선 굳이 웹소켓을 사용할 필요는 없다. 대부분의 기능은 일반적인 HTTP상에서 구현해도 된다.
지금부터 전체 시스템의 개략적 설계안을 살펴보자. 아래 그림처럼 채팅 시스템은 세 부분으로 나누어 볼 수 있다. 즉 무상태 서비스, 상태유지 서비스, 그리고 제3자 서비스 연동의 세 부분으로 나누어 볼 수 있다.
무상태 서비스
이 설계안에서 무상태 서비스는 로그인, 회원가입, 사용자 프로파일 표시 등을 처리하는 전통적인 요청/응답 서비스다. 무상태 서비스가 제공하는 기능은 웹사이트와 앱이 보편적으로 제공하는 기능이다.
무상태 서비스는 로드밸런서 뒤에 위치한다. 로드밸런서가 하는 일은 요청을 그 경로에 맞는 서비스로 정확하게 전달하는 것이다.
로드밸런서 뒤에 오는 서비스는 모놀리틱 서비스일 수도 있고 마이크로서비스 일 수도 있다. 이 서비스들 가운데 상당수가 시장에 완제품으로 나와 있어서 우리가 직접 구현하지 않아도 쉽게 사서 쓸 수 있다. 이들 가운데 나중에 좀 더 자세히 살펴볼 것은 ‘서비스 탐색’서비스다. 이 서비스는 클라이언트가 접속할 채팅 서버의 DNS 호스트명을 클라이언트에게 알려주는 역할을 한다.
상태 유지 서비스
본 설계안에서 유일하게 상태 유지가 필요한 서비스는 채팅 서비스다. 각 클라이언트가 채팅 서버와 독립적인 네트워크 연결을 유지해야 하기 때문이다. 클라이언트는 보통 서버가 살아 있는 한 다른 서버로 연결하지 않으므로, 앞서 간단히 설명한 서비스 탐색 서비스는 채팅 서비스와 긴밀히 협력하여 특정 서버에 부하가 몰리지 않도록 한다. 구체적인 내용은 나중에 다시 자세히 살펴볼 것이다.
제3자 서비스 연동
채팅 앱에서 가장 중요한 제3자 서비스는 푸시 알림이다. 새 메시지를 받았다면 설사 앱이 실행 중이지 않더라도 알림을 받아야 해서다. 따라서 푸시 알림 서비스와의 통합은 아주 중요하다.
규모 확장성
트래픽 규모가 얼마 되지 않을 때는 위처럼 서버 한대로 구현할 수 있다. 하지만, 트래픽 규모가 많은 대규모 시스템인 경우, 이론적으로는 서버 한대로 처리할 수 있기는 하지만, 서버 한 대로 얼마나 많은 접속을 동시에 허용할 수 있는지 따져보아야 한다. 동시 접속자가 1M이라고 가정할 때, 접속당 10K 메모리가 필요하다면 10GB 메모리만 있으면 모든 연결을 다 처리할 수 있을 것이다.
하지만 서버 한 대에 담은 설계는 별로 좋지 않은 방법인데, 여러가지 이유가 있지만 SPOF도 단점중 하나이다.
위 그림에서 유의할 것은 실시간으로 메시지를 주고받기 위해서는 클라이언트는 채팅 서버와 웹소켓 연결을 끊지 않고 유지해야 한다는 것이다.
- 채팅 서버는 클라이언트 사이에 메시지를 중계하는 역할을 담당
- 접속상태 서버는 사용자의 접속 여부를 관리
- API 서버는 로그인, 회원가입, 프로파일 변경 등 그 외 나머지 전부를 처리
- 알림 서버는 푸시 알림을 보냄
- 키-값 저장소에는 채팅 이력을 보관한다. 시스템에 접속한 사용자는 이전 채팅 이력을 전부 보게 될 것이다.
저장소
데이터 계층을 올바르게 만드는 데는 노력이 필요하다. 중요한 것은 어떤 데이터베이스를 쓰느냐다. 관계형 데이터베이스를 쓸 것인가 아니면 NoSQL을 채택할 것인가? 이 질문에 대한 올바른 답을 하기 위해 중요하게 따져야 할 것은, 데이터의 유형과 읽기/쓰기 연산의 패턴이다.
채팅 시스템이 다루는 데이터는 보통 두 가지다.
- 사용자 프로파일, 설정, 친구 목록처럼 일반적인 데이터
- 이런 데이터는 안정성을 보장하는 관계형 데이터베이스에 보관한다. 다중화와 샤딩은 이런 데이터의 가용성과 규모 확장성을 보증하기 위해 보편적으로 사용되는 기술이다.
- 채팅 시스템에 고유한 데이터로, 바로 채팅 이력 데이터
- 이 데이터를 어떻게 보관할지 결정하려면 읽기/쓰기 연산 패턴을 이해해야 한다.
- 채팅 이력 데이터의 양은 엄청나다. 페이스북 메신저나 왓츠앱은 매일 600억 개의 메시지를 처리한다.
- 이 데이터 가운데 빈번하게 사용되는 것은 주로 최근에 주고받은 메시지다. 대부분의 사용자는 오래된 메시지는 들여다보지 않는다.
- 사용자는 대체로 최근에 주고받은 메시지 데이터만 보게 되는 것이 사실이나, 검색 기능을 이요하거나, 특정 사용자가 언급된 메시지를 보거나, 특정 메시지로 점프하거나 하여 무작위적인 데이터 접근을 하게 되는 일도 있다. 데이터 계층은 이런 기능도 지원해야 한다.
- 1:1 채팅 앱의 경우 읽기:쓰기 비율은 대략 1:1 정도다.
이 모든 기능을 지원할 데이터베이스를 고르는 것은 아주 중요한 일이다. 본 설계안의 경우에는 키-값 저장소를 추천할 것인데, 다음과 같은 이유가 있다.
- 키-값 저장소는 수평적 규모확장이 쉽다.
- 키-값 저장소는 데이터 접근 지연시간이 낮다.
- 관계형 데이터베이스는 데이터 가운데 롱 테일에 해당하는 부분을 잘 처리하지 못하는 경향이 있다. 인덱스가 커지면 데이터에 대한 무작위 접근을 처리하는 비용이 늘어난다.
- 이미 많은 안정적인 채팅 시스템이 키-값 저장소를 채택하고 있다. 페이스북 메신저나 디스코드 메신저가 그 사례다. 페이스북 메신저는 HBase를 사용하고 디스코드는 카산드라를 이용하고 있다.
데이터 모델
키-값 저장소를 데이터 계층 기술로 사용하기로 했으니, 메시지 데이터를 어떻게 보관할 것인지 자세히 살펴보자.
1:1 채팅을 위한 메시지 테이블
아래 표 1:1 채팅을 지원하기 위한 메시지 테이블의 사례다. 이 테이블의 기본 키는 message_id로, 메시지 순서를 쉽게 정할 수 있도록 하는 역할도 담당한다. created_at을 사용하여 메시지 순서를 정할 수는 없는데, 서로 다른 두 메시지가 동시에 만들어질 수 도 있기 때문이다.
그룹 채팅을 위한 메시지 테이블
아래 표는 그룹 채팅을 위한 메시지 테이블의 사례다. channel_id, message_id의 복합키를 기본키로 사용한다. channel_id는 파티션 키로도 사용할 것인데, 그룹 채팅에 적용될 모든 질의는 특정 채널을 대상으로 할 것이기 때문이다.
메시지 ID
message_id는 생성될 때 아래와 같은 속성을 만족해야 한다.
- message_id의 값은 고유해야 한다
- ID 값은 정렬 가능해야 하며 시간 순서와 일치해야 한다. 즉, 새로운 ID는 이전 ID보다 큰 값이어야 한다.
이 두 조건을 어떻게 만족시킬 것인가? RDBMS라면 auto_increment가 대안이 될 수 있겠지만 NoSQL은 보통 해당 기능을 제공하지 않는다.
두 번째 방법은 스노플레이크 같은 전역적 64-bit 순서 번호(sequence number)생성기를 이용하는 것이다.
마지막 방법은 지역적 순서 번호 생성기를 이용하는 것이다. 여기서 지역적이라 함은, ID의 유일성은 같은 그룹 안에서만 보증하면 충분하다 라는 것이다. 이 방법이 통하는 이유는 메시지 사이의 순서는 같은 채널, 혹은 같은 1:1 채팅 세션 안에서만 유지되면 충분하기 때문이다. 전역적 ID 생성기에 비해 구현하기 쉬운 접근법이다.
3단계 상세 설계
개략적 설계안에 포함된 컴포넌트 중
서비스 탐색, 메시지 전달 흐름, 그리고 사용자 접속 상태를 표시 하는 방법 정도를 자세하게 알아보자.
서비스 탐색
서비스 탐색 기능의 주된 역할은 클라이언트에게 가장 적합한 채팅 서버를 추천하는 것이다.
이때 사용되는 기준으로는 클라이언트의 위치, 서버의 용량 등이 있다.
서비스 탐색 기능을 구현하는 데 널리 쓰이는 오픈 소스 솔루션으로는 아파치 주키퍼 같은 것이 있다. 사용 가능한 모든 채팅 서버를 여기 등록시켜 두고, 클라이언트가 접속을 시도하면 사전에 정한 기준에 따라 최적의 채팅 서버를 골라 주면 된다.
- 사용자 A가 시스템에 로그인을 시도한다.
- 로드밸런서가 로그인 요청을 API 서버들 가운데 하나로 보낸다.
- API 서버가 사용자 인증을 처리하고 나면 서비스 탐색 기능이 동작하여 해당 사용자를 서비스할 최적의 채팅 서버를 찾는다.
- 사용자 A는 채팅 서버 2와 웹소켓 연결을 맺는다.
메시지 흐름
채팅 시스템에 있어서 종단 간 메시지 흐름을 이해하는 것은 흥미로운 주제다.
1:1 채팅 메시지의 처리 흐름과 여러 단말 간 메시지 동기화 과정을 살펴본 다음, 그룹 채팅 메시지의 처리 흐름도 살펴보자.
1:1 채팅 메시지 처리 흐름
아래그림은 1:1 채팅에서 사용자 A가B에게 보낸 메시지가 어떤 경로로 처리되는지 보여준다.
- 사용자 A가 채팅 서버 1로 메시지 전송
- 채팅 서버 1은 ID 생성기를 사용해 해당 메시지의 ID결정
- 채팅 서버 1은 해당 메시지를 메시지 동기화 큐로 전송
- 메시지가 키-값 저장소에 보관됨
- (a) 사용자 B가 접속 중인 경우 메시지는 사용자 B가 접속 중인 채팅 서버로 전송됨 (b) 사용자 B가 접속중이 아니라면 푸시 알림 메시지를 푸시 알림 서버로 보냄
- 채팅 서버2는 메시지를 사용자 B에게 전송. 사용자 B와 채팅 서버 2사이에는 웹소켓 연결이 있는 상태이므로 그것을 이용
여러 단말 사이의 메시지 동기화
여러 개 단말을 사용하는 사람은 많다. 지금부터 여러 단말 사이에 메시지 동기화는 어떻게 하는지 설명할 것이다. 아래그림은 한 사례다.
위 그림에서 사용자는 전화기와 랩톱 두개의 단말을 이용하고 있다.
사용자가 전화기에서 채팅 앱에 로그인한 결과로 채팅 서버 1과 해당 단말 사이에 웹소켓 연결이 만들어져 있고, 랩톱에서 로그인한 결과로 역시 별도 웹소켓이 채팅 서버 1에 연결되어 있는 상황이다.
각 단말은 cur_max_message_id라는 변수를 유지하는데, 해당 단말에서 관측된 가장 최신 메시지의 ID를 추적하는 용도이다. 아래 두 조건을 만족하는 메시지는 새 메시지로 간주한다.
- 수신자 ID가 현재 로그인한 사용자 ID와 같다.
- 키-값 저장소에 보관된 메시지로서, 그 ID가 cur_max_message_id보다 크다.
cur_max_message_id는 단말마다 별도로 유지 관리하면 되는 값이라 키-값 저장소에서 새 메시지를 가져오는 동기화 작업도 쉽게 구현할 수 있다.
소규모 그룹 채팅에서의 메시지 흐름
1:1 채팅에 비해 그룹 채팅에서의 메시지 흐름은 조금 더 복잡하다. 아래 그림들을 보자.
위 그림을 보면, 사용자 A가 메시지를 보내면 사용자 B와C의 메시지 동기화 큐에 복사된다.
이 큐를 사용자 각각에 할당된 메시지 수신함으로 생각해도 무방할 것이다.
이 설계안은 소규모 그룹 채팅에 적합한데, 이유는 아래와 같다.
- 새로운 메시지가 왔는지 자기 큐만 보면 되니까 메시지 동기화 흐름이 단순함
- 그룹이 크지 않으면 메시지를 수신자별로 복사해서 큐에 넣는 작업의 비용이 문제가 되지 않음
위챗이 이런 접근법을 쓰고 있으며, 그룹의 크기는 500명으로 제한하고 있다. 하지만 많은 사용자를 지원해야 하는 경우 이러한 접근은 바람직하지 않을 것이다.
지금 설명한 메시지 흐름을 수신자 관점에서 살펴보면, 따라서 메시지 동기화 큐는 아래 그림과 같이 여러 사용자로부터 오는 메시지를 받을 수 있어야 한다.
접속상태 표시
접속상태 표시는 상당수 채팅 애플리케이션의 핵심 기능중 하나이다. 접속상태를 표시하기 위해서는 무엇이 필요한지 살펴보자.
개략적 설계안에서는 접속상태 서버를 통해 사용자의 상태를 관리한다고 했는데, 접속상태 서버는 클라이언트와 웹소켓으로 통신하는 실시간 서비스의 일부라는 점에 유의하자. 사용자의 상태가 바뀌는 시나리오는 몇 가지가 있는데 하나씩 살펴보자.
사용자 로그인
클라이언트와 실시간 서비스 사이에 웹소켓 연결이 맺어지고 나면 접속상태 서버는 A의 상태와 last_active_at 타입스탬프 값을 키-값 저장소에 보관한다. 이 절차가 끝나고 나면 사용자는 접속 중인 것으로 표시될 것이다.
로그아웃
사용자 로그아웃은 아래그림과 같은 절차를 거친다. 키-값 저장소에 보관된 사용자 상태가 online에서 offline으로 바뀌게 된다는 점을 유의하자. 이 절차가 끝나고 나면 UI상에서 사용자의 상태는 접속 중이 아닌 것으로 표시될 것이다.
접속 장애
인터넷을 통한 연결이 항상 안정적이지 않을 수도 있기 때문에 인터넷이 불안정한 상황도 대응할 수 있게 설계를 해야한다. 사용자의 인터넷 연결이 끊어지면 클라이언트와 서버 사이에 맺어진 웹소켓 같은 지속성 연결도 끊어진다. 간단한 방법으로는 연결이 끊어지면 사용자를 오프라인 상태로 표시하고 연결이 복구되면 다시 온라인 상태로 변경하는 것이다.
하지만 짧은 시간 동안 인터넷 연결이 끊어졌다 복구되는 일은 흔하다. (차를 타고 터널을 지나는 상황) 이런 일이 벌어질 때마다 접속 상태를 변경한다면 너무 지나친 일 일것이고, 사용자 경험 측면에서도 바람직하지 않을 것이다.
아래 설계에서는 박동 검사를 통해 이 문제를 해결 할 것이다. 즉, 온라인 상태의 클라이언트로 하여금 주기적으로 박동 이벤트를 접속상태 서버로 보내도록 하고, 마지막 이벤트를 받은 지 x초 이내에 또 다른 박동 이벤트 메시지를 받으면 해당 사용자의 접속상태를 계속 온라인으로 유지하는 것이다.
아래 그림의 예제에 등장하는 클라이언트는 박동 이벤트를 매 5초마다 서버로 보내고 있다. 이 이벤트를 3번 보낸후, x=30초 동안 아무런 메시지를 보내지 않아서 오프라인 상태로 변경되었다.
상태 정보의 전송
사용자A와 친구관계에 있는 사용자들은 어떻게 해당 사용자의 상태 변화를 알 수 있을까? 아래 그림은 그 원리를 보여준다. 상태정보 서버는 발행-구독 모델을 사용하는데, 즉 각각의 친구관계마다 채널을 하나씩 두는 것이다. 만약 사용자 A의 접속상태가 변경되었다면 A-B, A-C, A-D채털에 쓴다.
이 방안은 그룹 크기가 작을 때는 효과적이다. 위챗은 크기 상한을 500으로 제한하고 있어서 이와 유사한 접근법을 사용할 수 있었다. 그룹 크기가 더 커지면 이런 식으로 접속상태 변화를 알려서는 비용이나 시간이 많이 들게 된다.
큰 규모의 그룹채팅에서 접속상태 변화를 지원하려면, 그룹 채팅에 입장하는 순간에만 상태정보를 읽어오게 하거나, 친구 리스트에 있는 사용자의 접속상태를 갱신하고 싶으면 수동으로 하도록 유도하는게 좋다.
4단계 마무리
1:1 채팅과 그룹 채팅을 전부 지원하는 채팅 시스템의 아키텍처를 살펴보았는데, 클라이언트와 서버 사이의 실시간 통신을 가능하도록 웹소켓을 사용했으며 실시간 메시징을 지원하는
- 채팅서버
- 접속상태 서버
- 푸시 알림 서버
- 채팅 이력을 보관할 키-값 저장소
- 이외의 나머지 기능을 구현하는 데 쓰일 API서버
추가적으로 생각해 볼 수 있는 내용
- 채팅 앱을 확장하여 사진이나 비디오 등의 미디어를 지원하도록 하는 방법
- 종단 간 암호화: 왓츠앱은 메시지 전송에 있어 종단 간 암호화를 지원한다. 이는 즉, 메시지 발신인과 수신자 이외에는 아무도 메시지 내용을 볼 수 없다는 뜻이다.
- 캐시: 클라이언트에 이미 읽은 메시지를 캐시해 두면 서버와 주고받는 데이터 양을 줄일 수 있다.
- 로딩 속도 개선: 슬랙은 사용자의 데이터, 채널 등을 지역적으로 분산하는 네트워크를 구축하여 앱 로딩 속도를 개선했다.
- 오류 처리
- 채팅 서버 오류: 채팅 서버 하나에 수십만 사용자가 접속해 있는 상황에서, 서버 하나가 죽으면 서비스 탐색 기능이 동작하여 클라이언트에게 새로운 서버를 배정하고 다시 접속할 수 있도록 해야 한다.
- 메시지 재전송: 재시도나 큐는 메시지의 안정적 전송을 보장하기 위해 흔히 사용되는 기법이다.
