System Design이란?

인스타 릴스를 스크롤하거나, 유튜브 알고리즘에 이끌려다니거나, 쿠팡에서 쇼핑할 때 그 뒤에서는 어떤 일들이 벌어지고 있을까요?

각 서비스들은 클릭이나 새로고침 같은 간단한 사용자의 액션에도 서로 연결되어 있는 구성 요소들이 계속 작동하면서 사용자에게는 별일 없는 듯한 깔끔한 UX를 제공해주곤 합니다.

이런 서비스의 뒷편에는 System Design이라는 큰 개념이 자리 잡고 있습니다.

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1. System Design이란?

• 시스템 설계(System Design)은 시스템의 여러 요소가 어떻게 상호 작용해서 기능적인 요구사항(무엇을 해야 하는지)과 비기능적인 요구사항(얼마나 잘 해야 하는지)을 모두 충족하는지를 정의하는 프로세스입니다.
• 여기서 가장 중요한 건 확장성, 안정성, 성능 및 비용의 발란스(?)을 맞추는 아키텍처 설계에 대한 결정을 내리는 것이라고 볼 수 있습니다.

실제 사례를 통한 비유 (높은 건물을 설계할 때)

제가 높은 빌딩을 설계하는 건축가라고 상상해 보겠습니다.
처음부터 바로 벽돌을 쌓을 수는 없으니, 설계를 위한 간단한 가정부터 해야 합니다.

- 몇 층짜리 건물을 지을까?
- 몇 명까지 들어갈 수 있어야 할까?
- 이 건물은 어떤 토지 위에 지어질까?
- 내진 성능은 어느 정도 되어야 하지?

이런 요구 사항들이 명확해지면 기초나 기둥, 전기 배선, 엘리베이터 등을 포함한 모든 것이 어떻게 구현되어야 하는지 보여주는 설계도를 작성하게 됩니다.

또 배관 시스템이 전기 배선에는 어떤 영향을 미칠 수 있는지와 같이 여러 시스템이 어떻게 상호 작용하는지도 고려해야 합니다. 향후 확장을 위한 계획(확장성)을 세우고 예상치 못한 문제가 발생하면 건물이 어떻게 대처할지(내결함성)도 생각해야 합니다.

• 위 비유를 SW에서 생각하면 다음과 같은 고려 사항들이 생길 것 같습니다.

1. 아키텍처 - 시스템의 전체적인 구조를 생각. 시스템을 모놀리식 구조로? MSA로? 또는 이벤트 기반 시스템(EDA)으로?
2. 인터페이스 - 이러한 구조 안에서 구성 요소들이 서로 통신하는 방식(예: REST API, gRPC)을 생각
3. 데이터 - 데이터가 저장, 관리, 접근 및 일관성을 유지하는 방법을 생각
4. 구성 요소/모듈 - 데이터베이스, 서버, 로드 밸런서, 캐시, 메시지 큐 및 API 등을 생각

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2. System Design에서의 10가지 주요 질문

• 시스템 설계는 크게 보면 다음 10가지 질문에 답하는 것을 중심으로 이루어지게 됩니다.

1. 확장성 - 시스템이 많은 수의 사용자 또는 요청을 동시에 어떻게 처리할까?
2. 지연 시간 및 성능 - 응답 시간을 줄이고 부하 상태에서도 낮은 지연 시간 성능을 보장하려면 어떻게 해야 할까?
3. 통신 - 시스템의 여러 구성 요소는 서로 어떻게 상호 작용할까?
4. 데이터 관리 - 데이터를 효율적으로 저장, 검색 및 관리하는 방법은 무엇일까?
5. 내결함성 및 신뢰성 - 시스템의 일부가 고장나거나 접근할 수 없게 되면 어떻게 될까?
6. 보안 - 무단 접근, 데이터 유출, 서비스 거부 공격과 같은 위협으로부터 시스템을 어떻게 보호할 수 있을까?
7. 유지보수성 및 확장성 - 시스템을 유지 관리, 모니터링, 디버깅하고 시간이 지남에 따라 발전시키는 것이 얼마나 쉽게 설계되어있을까?
8. 비용 효율성 - 성능과 인프라 비용 사이의 균형을 어떻게 맞출 수 있을까?
9. 관찰 가능성 및 모니터링 - 운영 환경에서 시스템 상태를 모니터링하고 문제를 진단하는 방법은 무엇일까?
10. 법규 준수 및 개인정보 보호 - 관련 법률 및 규정(예: GDPR, HIPAA)을 준수하고 있을까?

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3. 시스템의 주요 구성 요소

시스템 구성 요소

1. 클라이언트/프론트엔드 - 사용자가 직접 상호 작용하는 시스템(예: 웹 브라우저, 모바일 앱)입니다. 정보를 표시하고, 사용자의 입력 값들을 수집하고, 백엔드와의 통신을 담당하곤 합니다.
2. 서버/백엔드 - 시스템의 핵심 기능들을 처리합니다. 들어오는 요청을 처리하고, 비즈니스 로직을 실행하고, 데이터베이스나 서비스와 상호 작용하고, 클라이언트에 응답을 보냅니다.
3. 데이터베이스/저장소 - 데이터를 저장하고 관리하는 역할을 합니다. 애플리케이션의 요구 사항에 따라 관계형 데이터베이스(SQL), 비관계형 저장소(NoSQL), 인메모리 캐시 또는 분산 객체 저장 시스템 등 다양한 형태로 가져갈 수 있습니다.
4. 네트워킹 계층 - 이 계층에는 시스템의 여러 요소 간의 안정적이고 효율적인 상호 작용을 보장하는 로드 밸런서, API 및 통신 프로토콜과 같은 구성 요소가 포함됩니다.
5. 타사 서비스 - 시스템의 기능을 확장하는 외부 API 또는 플랫폼입니다. 일반적인 예로는 결제 처리 서비스, 이메일 또는 SMS 알림 서비스, 인증 제공 업체, 분석 도구나 클라우드 기반 AI 서비스 등이 있습니다.

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4. System Design의 프로세스

• System Design는 요구 사항을 이해하는 것부터 시작해서 세부적인 설계도를 완성하는 단계적인 과정입니다.

1단계 - 요구사항 수집 단계

• 모든 설계는 대화에서부터 시작됩니다. 다이어그램을 그리거나 기술을 선택하기 전에 시스템이 수행해야 할 기능을 이해하는 데 집중하는 게 중요합니다.
  • 기능 요구사항(핵심 기능이나 Workflow)은 뭐가 있을까?
  • 사용자는 누구이며, 초기 및 최종적으로 예상되는 사용자 수는 얼마나 될까?
  • 기능 외 요구사항(확장성, 가용성, 지연 시간, 일관성)은 무엇일까?
  • 제약 조건(예: 특정 기술, 예산 또는 규정 준수)이 있나?
  • 예상되는 데이터 사용량과 트래픽 패턴은 어떻게 될까?

2단계 - 대략적인 추정 단계

• 다음은 시스템의 규모를 추정해 보는 단계입니다. 대략적인 수치를 통해서 설계 목표를 가늠할 수 있습니다.
  • 데이터 크기(저장 공간 요구 사항)
  • 대역폭 요구 사항
  • 필요한 서버 또는 인스턴스 수
  • 초당 쿼리 수(QPS) 또는 초당 요청 수(RPS)
• 이런 값들이 설계에서 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있고, 설계가 현실적인 목표에 기반을 두고 있는지 확인하는 데 유용할 수 있습니다.

3단계 - High-level 설계 단계 (HLD)

• 이제 구축해야 할 시스템과 필요한 규모를 이해했으니, 시스템의 구성 요소와 그 구성 요소들이 어떻게 상호 작용하는지 시각화하는 단계로 넘어가보겠습니다.
  • 주요 모듈 및 서비스
  • 외부 종속성(예: 타사 API, 외부 데이터베이스)
  • 이 사이의 데이터 흐름
• 이 단계에서는 시스템의 전체적인 모습을 보여주는 시스템 아키텍처를 그려보면 됩니다.

4단계 - 데이터 모델/API 설계

• 위 아키텍처가 명확해지면 데이터와 인터페이스에 더 집중할 시간이 됩니다.
  • 적절한 DB 유형(관계형, NoSQL, 시계열 등)을 선택
  • 스키마, 테이블 및 관계(ERD)를 정의
  • 서비스 간 상호 작용을 위한 API를 설계 (예: POST, GET 요청)

5단계 - 상세 설계/심층 분석

• 각 구성 요소에 딥다이브 하는 시간입니다.
  • 내부 로직, 캐싱 및 동시성 처리, 복제, 파티셔닝 및 내결함성 설계
  • 스케일링 전략은 어떻게 할 것인지? (수평적 스케일링 vs 수직적 스케일링)
• 또한 이 부분에서는 가용성, 신뢰성 및 지연 시간과 같은 비기능적 요구사항(NFR)을 다뤄야 합니다.
• 다시 말해, 시스템이 무엇을 하는지에서 시스템이 어떻게 하는지로 넘어가는 것입니다.

6단계 - 병목 현상 및 트레이드 오프 파악

• 완벽한 시스템이라는 건 존재할 수 없고, 그래서 모든 선택에는 장단점이 있습니다.
  • 시스템에 과부하가 걸렸을 때 어떤 부분에서 문제가 발생할 수 있을까?
  • 캐싱이나 복제가 부하를 줄이는 데 도움이 될 수 있을까?
  • 가용성을 높이기 위해 최종 일관성을 선택하는 것이 괜찮을까?
  • 단일 실패 지점이 어디일까?
• 훌륭한 시스템 설계는 트레이드 오프를 없애는 것이 아니라, 트레이드 오프를 명확히 드러내고 근거를 세우는 것입니다.

7단계 - 검토, 설명 및 반복

• 마지막으로 설계 결정 사항을 확실히 설명할 수 있어야 합니다. 특정 선택을 한 이유와 그게 요구 사항을 어떻게 충족하는지 설명해야 합니다.
• 피드백에 열린 마음을 갖고, 약점을 보완하고, 설계를 다듬어볼 수 있습니다.
• 처음부터 모든 것을 완벽하게 할 필요는 없습니다. 중요한 건 새로운 통찰력이나 제약 조건들을 발견하면서 설계를 조정하고, 다듬고, 발전시키는 능력입니다.

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5. 마무리

• 시스템 설계는 신뢰성, 확장성, 유지보수성이 뛰어난 소프트웨어를 구축하는 데 있어 가장 중요한 것 중 하나입니다.
• 소규모 웹 서비스을 설계하든 대규모 분산 플랫폼을 설계하든, 시스템 설계 원칙을 이해하면 더 나은 아키텍처 결정을 내릴 수 있고, 적절한 기술을 선택하고, 성능을 자신 있게 최적화할 수도 있습니다.

위 내용은 https://algomaster.io/ 의 내용을 학습하며 저의 나름대로 정리한 내용입니다.