대규모 시스템 설계 기초 - 9장 ( 웹 크롤러 설계 )

스터디로 하고 있는 가상 면접 사례로 배우는 대규모 시스템 설계 기초를 정리한 내용이다.

 

웹 크롤러는 로봇 또는 스파이더라고도 부른다. 검색 엔진에서 널리 쓰는 기술로, 웹에 새로 올라오거나 갱신된 콘텐츠를 찾아내는 것이 주된 목적이다. 여기서 콘텐츠는 웹 페이지일 수도 있고, 이미지나 비디오, 또는 PDF 파일일 수 도 있다. 웹 크롤러는 몇 개 웹페이지에서 시작하여 그 링크를 따라 나가면서 새로운 콘텐츠를 수집한다. 

 

크롤러는 다양하게 이용된다. 

• 검색 엔진 인덱싱
  • 크롤러의 가장 보편적인 용례다. 크롤러는 웹 페이지를 모아 검색 엔진을 위한 로컬 인덱스를 만든다. 예를 들어 Googlebot은 구글 검색 엔진이 사용하는 웹 크롤러다.
• 웹 아카이빙
  • 나중에 사용할 목적으로 장기보관하기 위해 웹에서 정보를 모으는 절차를 말한다. 
• 웹 마이닝
  • 웹 마이닝을 통해 인터넷에서 유용한 지식을 도출해 낼 수 있다.
• 웹 모니터링
  • 크롤러를 사용하면 인터넷에서 저작권이나 상표권이 침해되는 사례를 모니터링할 수 있다. 

웹 크롤러의 복잡도는 웹 크롤러가 처리해야 하는 데이터의 규모에 따라 달라진다. 따라서 설계할 웹 크롤러가 감당해야 하는 데이터의 규모와 기능들을 알아내야만 한다.

 

1단계 문제 이해 및 설계 범위 확정

웹 크롤러의 기본 알고리즘은 간단하다.

1. URL 집합이 입력으로 주어지면 해당 URL들이 가리키는 모든 웹 페이지를 다운로드한다.

2. 다운받은 웹 페이지에서 URL들을 추출한다.

3. 추출된 URL들을 다운로드할 URL 목록에 추가하고 위의 과정을 처음부터 반복한다.

 

실제로 웹 크롤러는 이렇게 간단하게 동작하지 않는다. 엄청난 규모 확장성을 갖는 웹 크롤러를 설계하는 것은 엄청나게 어려운 작업이다. 따라서 설계를 진행하기 전에 질문을 던져서 요구사항을 알아내고 설계 범위를 좁혀야한다.

 

1. 크롤러의 주된 용도가 무엇인지 물어보기 (검색 엔진 인덱스 생성용, 데이터 마이닝 혹은 다른 이유?)

EX) 검색 엔진 인덱스에 쓰인다.

 

2. 매달 얼마나 많은 웹 페이지를 수집해야 하는지 물어보기

EX) 10억 개의 웹 페이지를 수집해야 한다.

 

3. 새로 만들어진 웹 페이지나 수정된 웹 페이지도 고려해야 하는지 물어보기

EX) 그렇다

 

4. 수집한 웹 페이지는 저장해야 하는지 물어보기

EX) 5년간 저장해야한다.

 

5. 중복된 콘텐츠는 어떻게 해야하는지 물어보기

EX) 중복된 콘텐츠를 갖는 페이지는 무시해도 된다.

 

중요한 것은 이런 질문을 통해 요구사항을 알아내고 모호한 부분을 제거하는 것이다.

크롤러 기능 요구사항을 명확히 하는 것도 좋지만, 좋은 웹 크롤러가 만족시켜야 할 속성에 주의를 기울이는 것도 바람직하다.

 

• 규모 확장성
  • 웹은 거대하고 웹에는 수십억 개의 페이지가 존재한다. 따라서 병행성(parallelism)을 활용하면 보다 효과적으로 웹 크롤링을 할 수 있다.
• 안정성(robustness)
  • 웹은 함정으로 가득하다. 잘못 작성된 HTML, 아무 반응이 없는 서버, 장애, 악성 코드가 붙어 있는 링크 등이 그 좋은 예다. 크롤러는 이런 비정상적 입력이나 환경에 잘 대응할 수 있어야 한다.
• 예절(Politeness) 
  • 크롤러는 수집 대상 웹 사이트에 짧은 시간 동안 너무 많은 요청을 보내서는 안된다.
• 확장성
  
  • 새로운 형태의 콘텐츠를 지원하기가 쉬워야 한다. 예를 들어, 이미지 파일도 크롤링하고 싶을 때 이를 위해 전체 시스템을 새로 설계해야 한다면 곤란할 것이다.

 

개략적 규모 추정

• 매달 10억 개의 웹 페이지를 다운로드 한다.
• QPS = 10억 / 30일 / 24시간 / 3600초 = 대략 400 page / sec
• 최대 (Peak) QPS = 2 X QPS = 800 page/sec
• 웹 페이지의 평균 크기는 500k라고 가정
• 10억 페이지 x 500k = 500 TB /month. 
• 1개월치 데이터를 보관하는 데는 500 TB, 5년간 보관한다고 가정하면 결국 500TB X 12개월 X 5년  = 30PB의 저장용량이 필요하다.

2단계 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

시작 URL 집합

시작 URL 집합은 웹 크롤러가 크롤링을 시작하는 출발점이다. 전체 웹을 크롤링해야 하는 경우 시작 URL을 고를 때 좀 더 창의적일 필요가 있다. 크롤러가 가능한 많은 링크를 탐색할 수 있도록 하는 URL을 고르는 것이 바람직하다. 일반적으로는 전체 URL 공간을 작은 부분집합으로 나누는 전략을 쓴다. 또 다른 방법은 주제별로 다른 시작 URL을 사용하는 것이다. 예를 들어 URL 공간을 쇼핑, 스포츠, 건강 등등의 주제별로 세분화하고 그 각각에 다른 시작 URL을 쓰는 것이다.

 

미수집 URL 저장소

대부분의 현대적 웹 크롤러는 크롤링 상태를 (1) 다운로드 할 URL, 그리고 (2) 다운로드된 URL 두 가지로 나눠 관리한다. 이 중 '다운로드 할 URL'을 저장 관리하는 컴포넌트를 미수집 URL 저장소라 부른다. 이는 FIFO 큐라고 생각하면 된다. 

 

HTML 다운로더

HTML 다운로더는 인터넷에서 웹 페이지를 다운로드하는 컴포넌트다. 다운로드할 페이지의 URL은 미수집 URL 저장소가 제공한다. 

 

도메인 이름 변환기 

웹 페이지를 다운받으려면 URL을 IP 주소로 변환하는 절차가 필요하다. HTML 다운로더는 도메인 이름 변환기를 사용하여 URL에 대응되는 IP 주소를 알아낸다. 

 

콘텐츠 파서

웹 페이지를 다운로드하면 파싱과 검증 절차를 거쳐야한다. 이상한 웹 페이지는 문제를 일으킬 수 있는데다 저장 공간만 낭비하게 도기ㅣ 때문이다. 크롤링 서버 안에 콘텐츠 파서를 구현하면 크롤링 과정이 느려지게 될 수 있으므로 독립된 컴포넌트로 구성함.

 

콘텐츠 저장소

콘텐츠 저장소는 HTML 문서를 보관하는 시스템이다. 저장소를 구현하는 데 쓰일 기술을 고를 때는 저장할 데이터의 유형, 크기, 저장소 접근 빈도, 데이터의 유효 기간 등을 종합적으로 고려해야 한다. 

• 데이터 양이 너무 많으므로 대부분의 콘텐츠는 디스크에 저장한다.
• 인기 있는 콘텐츠는 메모리에 두어 접근 지연시간을 줄일 것이다.

URL 추출기

URL 추출기는 HTML 페이지를 파싱하여 링크들을 골라내는 역할을 한다. 

 

URL 필터

URL 필터는 특정한 콘텐츠 타입이나 파일 확장자를 갖는 URL, 접속 시 오류가 발생하는 URL, 접근 제외 목록에 포함된 URL 등을 크롤링 대상에서 배제하는 역할을 한다.

 

URL 저장소

URL 저장소는 이미 방문한 URL을 보관하는 저장소다. 

 

웹 크롤러 작업 흐름

1. 시작 URL들을 미수집 URL 저장소에 저장한다. 

2. HTML 다운로더는 미수집 URL 저장소에서 URL 목록을 가져온다.

3. HTML 다운로더는 도메인 이름 변환기를 사용하여 URL의 IP 주소를 알아내고, 해당 IP 주소로 접속하여 웹 페이지를 다운받는다.

4. 콘텐츠 파서는 다운된 HTML 페이지를 파싱하여 올바른 형식을 갖춘 페이지인지 검증한다.

5. 콘텐츠 파싱과 검증이 끝나면 중복 콘텐츠인지 확인한느 절차를 개시한다.

6. 중복 콘텐츠인지 확인하기 위해서, 해당 페이지가 이미 저장소에 있는지 본다.

• 이미 저장소에 있는 콘텐츠인 경우에는 처리하지 않고 버린다.
• 저장소에 없는 콘텐츠인 경우에는 저장소에 저장한 뒤 URL 추출기로 전달한다.

7. URL 추출기는 해당 HTML 페이지에서 링크를 골라낸다.

8. 골라낸 링크를 URL 필터로 전달한다.

9. 필터링이 끝나고 남은 URL만 중복 URL 판별 단계로 전달한다.

10. 이미 처리한 URL인지 확인하기 위하여, URL 저장소에 보관된 URL인지 살핀다. 이미 저장소에 있는 URL은 버린다.

11. 저장소에 없는 URL은 URL 저장소에 저장할 뿐 아니라 미수집 URL 저장소에도 전달한다.

 

3단계 상세 설계

DFS(Depth-First Search)를 쓸 것인가, BFS(Breath-First Search)를 쓸 것인가?

웹은 유향 그래프(directed graph)와 같다. 페이지는 노드이고, 하이퍼링크는 에지라고 보면 된다. 크롤링 프로세스는 이 유향 그래프를 에지를 따라 탐색하는 과정이다. DFS, BFS는 이 그래프 탐색에 널리 사용되는 두 가지 알고리즘이다. 하지만 DFS는 좋은 선택이 아닐 가능성이 높다. 그래프 크기가 클 경우 어느 정도로 깊숙이 가게 될지 가늠하기 어려워서이다.

 

따라서 웹 크롤러는 보통 BFS을 사용한다. BFS는 FIFO 큐를 사용하는 알고리즘이다. 이 큐의 한쪽으로는 탐색할 URL을 집어넣고, 다른 한쪽으로는 꺼내기만 한다. 

 

이 구현법에는 두 가지 문제점이 있다.

1. 한 페이지에서 나오는 링크의 상당수는 같은 서버로 되돌아간다. 결국 크롤러는 같은 호스트에 속한 많은 링크를 다운받느라 바빠지게 되는데, 이때 링크들을 병렬로 처리하게 된다면 수 많은 요청으로 과부하에 걸리게 될 것이며 이런 크롤러는 보통 예의 없는 크롤러로 간주된다.

2. 표준적 BFS 알고리즘은 URL 간에 우선순위를 두지 않는다. 처리 순서에 있어 모든 페이지를 공평하게 대우한다는 뜻이다. 하지만 모든 웹 페이지가 같은 수준의 품질, 같은 수준의 중요성을 갖지 않는다. 그러니 페이지 순위, 사용자 트래픽의 양, 업데이트 빈도 등 여러가지 척도에 비추어 처리 우선순위를 구별하는 것이 바람직하다.

 

미수집 URL 저장소

미수집 URL 저장소를 활용하면 이런 문제를 좀 쉽게 해결할 수 있다. URL 저장소는 다운로드할 URL을 보관하는 장소다. 이 저장소를 잘 구현하면 예의를 갖춘 크롤러, URL 사이의 우선 순위와 신선도를 구별하는 크롤러를 구현할 수 있다. 

 

예의

웹 크롤러는 수집 대상 서버로 짧은 시간 안에 너무 많은 요청을 보내는 것을 삼가야 한다. 

예의 바른 크롤러를 만드는 데 있어서 지켜야 할 한 가지 원칙은 동일 웹 사이트에 대해서는 한 번에 한 페이지만 요청한다는 것이다. 이 요구사항을 만족시키려면 웹 사이트의 호스트명과 다운로드를 수행하는 작업 스레드 사이의 관곌르 유지하면 된다. 즉 각 다운로드 스레드는 별도의 FIFO 큐를 가지고 있어서 핻아 큐에서 꺼낸 URL만 다운로드한다. 

 

• 큐 라우터 : 같은 호스트에 속한 URL은 언제나 같은 큐로 가도록 보장하는 역할을 한다. 
• 매핑 테이블 : 호스트 이름과 큐 사이의 관계를 보관하는 테이블
• FIFO 큐 : 같은 호스트에 속한 URl은 언제나 같은 큐에 보관된다.
• 큐 선택기 : 큐 선택기는 큐들을 순회하면서 큐에서 URl을 꺼내서 해당 큐에서 나온 URL을 다운로드하도록 지정된 작업 스레드에 전달하는 역할을 한다.
• 작업 스레드 : 작업 스레드는 전달된 URL을 다운로드하는 작업을 수행한다. 전달된 URL은 순차적으로 처리될 것이며, 작업들 사이에는 일정한 지연시간을 둘 수 있다.

신선도

웹 페이지는 수시로 추가되고, 삭제되고, 변경된다. 따라서 데이터의 신선함을 유지하기 위해서는 이미 다운로드한 페이지라고 해도 주기적으로 재수집할 필요가 있다. 그러나 모든 URL을 재수집하는 것은 많은 시간과 자원이 필요한 작업이다. 따라서 이를 최적화하기 위해 다음과 같은 방법이 있다.

• 웹 페이지의 변경 이력 활용
• 우선순위를 활용하여, 중요한 페이지는 좀 더 자주 재수집

HTML 다운로더 

HTML 다운로더는 HTTP 프로토콜을 통해 웹 페이지를 내려 받는다. 

 

Robots.txt (로봇 제외 프로토콜) 

웹 사이트가 크롤러와 소통하는 표준 방법이다. 이 파일에는 크롤러가 수집해도 되는 페이지 목록이 들어 있다. 따라서 웹 사이트를 긁어 가기 전에 크롤러는 해당 파일에 나열된 규칙을 먼저 확인해야 한다.

Robots.txt 파일을 거푸 다운로드하는 것을 피하기 위해 이 파일을 주기적으로 다시 다운받아 캐시에 보관할 것이다. 

 

HTML 다운로더를 설계할 때는 성능최적화도 아주 중요하다.

 

1. 분산 크롤링

성능을 높이기 위해 크롤링 작업을 여러 서버에 분산하는 방법이다. 각 서버는 여러 스레드를 돌려 다운로드 작업을 처리한다. 이 구성을 위해 URL 공간은 작은 단위로 분할하여, 각 서버는 그중 일부의 다운로드를 담당한다. 

 

2. 도메인 이름 변환 결과 캐시

도메인 이름 변환기는 크롤러 성능의 병목 중 하나인데 이는 DNS 요청을 보내고 결과를 받는 작업의 동기적 특성 때문이다. DNS 요청의 결고라르 받기 전까지는 다음 작업을 진행할 수 없는 것이다. DNS 요청이처리되는 데는 보통 10ms에서 200ms까지 소요된다. 크롤러 스레드 가운데 어느 하라도 이 작업을 하고 있으면 다른 스레드의 DNS 요청은 전부 블록된다. 따라서 DNS 조회 결과로 얻어진 도메인 이름과 IP 주소 사이에 관계를 캐시에 보관해 놓고 크론 잡 등을 돌려 주기적으로 갱신하도록 해 놓으면 성능을 높일 수 있다.

 

3. 지역성

크롤링 작업을 수행하는 서버를 지역별로 분산하는 방법

크롤링 서버가 크롤링 대상 서버와 지역적으로 가까우면 페이지 다운로드 시간이 줄어들 것이다. 

 

4. 짧은 타임아웃

어떤 웹 서버는 응답이 느리거나 아예 응답하지 않는다. 이런 경우에 대기 시간이 길어지면 좋지 않으므로, 최대 얼마나 기다릴지를 미리 정해 두는 것이다. 이 시간 동안 서버가 응답하지 않으면 크롤러는 해당 페이지 다운로드를 중지하고 다음 페이지로 넘어간다.

 

안정성

최적화된 성능뿐 아니라 안정성도 다운로더 설계 시 중요하게 고려해야 할 부분이다. 시스템 안정성을 향상시키기 위한 방법은 다음과 같다.

 

• 안정 해시(consistent hashing)
  • 다운로더 서버들에 부하를 분산할 때 적용 가능한 기술이다. 이 기술을 이용하면 다운로더 서버를 쉽게 추가하고 삭제할 수 있다.
• 크롤링 상태 및 수집 데이터
  • 장애가 발생할 경우에도 쉽게 복구할 수 있도록 크롤링 상태와 수집된 데이터를 지속적 저장장치에 기록해 두는 것이 바람직하다. 
• 예외 처리
  • 대규모 시스템에서 에러는 불가피할 뿐 아니라 흔하게 벌어지는 일이다. 예외가 발생해도 전체 시스템이 중단되는 일 없이 그 작업을 우아하게 이어나갈 수 있어야 한다.
• 데이터 검증
  • 시스템 오류를 방지하기 위한 중요 수단 가운데 하나이다.

 

추가로 논의해볼만한 것

• 서버 측 렌더링 
  • 많은 웹 사이트가 자바스크립트, AJAX 등의 기술을 사용해서 링크를 즉석해서 만들어 낸다. 그러니 웹 페이지를 그냥 있는 그대로 다운받아서 파싱해보면 그렇게 동적으로 생성되는 링크는 발견할 수 없다. 이 문제는 페이지를 파싱하기 전에 서버 측 렌더링을 적용하면 해결할 수 있다.
• 원치 않는 페이지 필터링
  
  • 저장 공간 등 크롤링에 소요되는 자원은 유한하기 때문에 스팸 방지 컴포넌트를 두어 품질이 조악하거나 스팸성인 페이지를 걸러내도록 하면 좋다.
• 데이터베이스 다중화 및 샤딩 
• 수평적 규모 확장성
• 가용성, 일관성, 안정성
• 데이터 분석 솔루션