대규모 시스템 설계 기초 - 12장 채팅 시스템 설계

채팅 앱이라고 했을 때 사람들이 떠올리는 것은 제각각이다. 그러니 요구사항을 확실하게 해 두는 것이 중요하다. 

예를 들어 면접관이 생각하고 있는게 일대일 채팅 앱일 때 그룹 채팅 앱을 설계하면 곤란하다.

 

1단계 문제 이해 및 설계 범위 확정

어떤 채팅 앱을 설계하려는지 확실히 해 두는 것이 중요하다.

현재 시장에 나와있는 앱을 보면 페이스북 메신저, 위챗, 왓츠앱처럼 1:1 채팅에 집중하는 앱들이 있는가 하면 슬랙 같은 그룹 채팅에 중점을 둔 업무용 앱이나, 게임 채팅에 쓰이는 디스코드 같이 대규모 그룹의 소통과 응답지연이 낮은 음성 채팅에 집중하는 앱도 있다.

 

1. 1:1 채팅 앱인지 그룹 채팅 앱인지 물어보기

EX) 둘 다 지원할 수 있어야 한다.

 

2. 모바일 앱인지 웹 앱인지 물어보기

EX) 둘 다 

 

3. 처리해야 하는 트래픽 규모는 어느 정도인지 물어보기

EX) DAU 기준으로 5천만명을 처리할 수 있어야 한다.

 

4. 그룹 채팅의 경우 인원 제한이 있는지 물어보기

EX) 최대 100명까지 참가할 수 있다.

 

5. 중요 기능으로 추가로 어떤 것이 있는지 물어보기 (첨부 파일 지원 등)

EX) 1:1 채팅, 그룹 채팅, 사용자 접속 상태 표시를 지원해야 한다. 텍스트 메시지만 주고 받을 수 있다.

 

6. 메시지 길이에 제한이 있는지 물어보기

EX) 100,000자 이하여야 한다.

 

7. 종단 간 암호화를 지원해야하는지 물어보기

EX) 현재로썬 필요없지만 시간이 남는다면 논의해볼 수 있다.

 

8. 채팅 이력은 얼마나 오래 보관해야 하는지 물어보기

EX) 영원히

 

이번에는 페이스북 메신저와 유사한 채팅 앱을 설계해본다.

이 앱은 다음과 같은 기능을 갖는다.

• 응답지연이 낮은 일대일 채팅 기능
• 최대 100명까지 참여할 수 있는 그룹 채팅 기능
• 사용자의 접속상태 표시 기능
• 다양한 단말 지원. 하나의 계정으로 여러 단말에 동시 접속 지원
• 푸시 알림

 

2단계 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

이 문제에 대한 훌륭한 답을 도출하기 위해서는 클라이언트와 서버의 통신 방법에 대한 기본적인 지식을 갖추고 있어야만 한다. 채팅 시스템의 경우 클라이언트는 모바일 앱이거나 웹 애플리케이션이다. 클라이언트는 서로 직접 통신하지 않는다. 대신 각 클라이언트는 위에 나열한 모든 기능을 지원하는 채팅 서비스와 통신한다. 

 

가장 기본적인 기능을 생각해보면 다음과 같다.

• 클라이언트들로부터 메시지 수진
• 메시지 수신자 결정 및 전달
• 수신자가 접속 상태가 아닌 경우 접속할 때까지 해당 메시지 보관

채팅을 시작하려는 클라이언트는 네트워크 통신 프로토콜을 사용해 서비스에 접속한다. 따라서 채팅 서비스의 경우 어떤 통신 프로토콜을 사용할 것인가도 중요한 문제다. 대부분 클라리언트/서버 애플리케이션에서 요청을 보내는 것은 클라이언트인데 채팅 시스템도 마찬가지다. 

 

메시지 송신 클라이언트가 이 역할을 한다. 송신 클라이언트는 수신 클라이언트에게 전달할 메시질르 채팅 서비스에 보낼 때, HTTP 프로토콜을 사용한다. 채팅 서비스와의 접속에는 kepp-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 선택이며, 페이스북 같은 많은 대중적 채팅 프로그램이 초기에 HTTP 를 사용했다. 

 

하지만 메시지 수신 시나리오는 이것보다 복잡하다. HTTP는 클라이언트가 연결을 만드는 프로토콜이며, 서버에서 클라이언트로 임의 시점에 메시지를 보내는 데는 쉽게 쓰일 수 없다. 서버가 연결을 만드는 것처럼 동작할 수 있도록 하기 위해 많은 기법에 제안되어 왔는데 폴링(polling), 롱 폴링(long polling), 웹 소켓(WebSocket) 등이 그런 기술이다. 

 

폴링

폴링은 클라이언트가 주기적으로 서버에게 새 메시지가 있느냐고 물어보는 방법이다. 폴링 비용은 폴링을 자주하면 할수록 올라간다. 답해줄 메시지가 없는 경우에는 서버 자원이 불필요하게 낭비된다는 문제가 있다. 

 

롱폴링

롱 폴링의 경우 클라이언트는 새 메시지가 반환되거나 타임아웃 될 때까지 연결을 유지한다. 클라이언트는 새 메시지를 받으면 기존 연결을 종료하고 서버에 새로운 요청을 보내 모든 절차를 다시 시작한다. 

• 메시지를 보내는 클라이언트와 수신하는 클라이언트가 같은 채팅 서버에 접속하게 되지 않을 수 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 수 있는 방법이 없다.
• 여전히 비효율적이다. 메시지를 많이 받지 않는 클라이언트도 타임아웃이 일어날 때마다 주기적으로 서버에 다시 접속할 것이다.

 

웹소켓

웹소켓은 서버가 클라이언트에게 비동기 메시지를 보낼 때 가장 널리 사용하는 기술이다. 웹 소켓 연결은 클라이언트가 시작한다. 한번 맺어진 연결은 항구적이며 양방향이다. 이 연결은 처음에는 HTTP 연결이지만 특정 핸드셰이크 절차를 거쳐 웹소켓 연결로 업그레이드된다. 일단 연결이 만들어지고 나면 서버는 클라이언트에게 비동기적으로 메시지를 전송할 수 있다. 웹소켓은 일반적으로 방화벽이 있는 환경에서도 잘 동작한다. 80이나 443처럼 HTTP 혹은 HTTPS 프로토콜이 사용하는 기본 포트번호를 그대로 쓴다. 

 

웹소켓을 이용하면 메시지를 보낼 때나 받을 때 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 시스템은 세 부분으로 나누어 볼 수 있다. 무상태 서비스, 상태 유지 서비스, 제 3자 서비스 연동으로 나눠볼 수 있다.

 

무상태 서비스

무상태 서비스는 로그인, 회원가입, 사용자 프로파일 표시 등을 처리하는 전통적인 요청/응답 서비스다.

무상태 서비스는 로드밸런서 뒤에 위치한다. 로드밸런서가 하는 일은 요청을 그 경로에 맞는 서비스로 정확하게 전달하는 것이다. 로드밸런서 뒤에 오는 서비스는 모놀리틱 서비스일 수도 있고 마이크로서비스일 수도 있다. (서비스 탐색, 인증 서비스, 그룹 관리, 사용자 프로파일)

이들 가운데 좀 더 자세히 살펴볼 것은 서비스 탐색 서비스다. 이 서비스는 클라이언트가 접속할 채팅 서버의 DNS 호스트명을 클라이언트에게 알려주는 역할을 한다. 

 

상태 유지 서비스

여기서 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 연결을 변경하지 않는다. 앞서 설명한 서비스 탐색 서비스는 채팅 서비스와 긴밀히 협력하여 특정 서버에 부하가 몰리지 않도록 한다. 

 

제3자 서비스 연동

채팅 앱에서 가장 중요한 제3자 서비스 푸시 알ㄹ미이다. 새 메시지를 받았다면 설사 앱이 실행 중이 않더라도 알림을 받아야 한다. 따라서 푸시 알림 서비스와 통합은 아주 중요하다. 

 

규모 확장성

설계 중인 시스템의 경우처럼 대량의 트래픽을 처리해야 하는 경우에도 이론적으로 모든 사용자 연결을 최신 클라우드 서버 한대로 처리할 수 있기는 하다. 이때 따져봐야 할 것은 서버 한 대로 얼마나 많은 접속을 동시에 허용할 수 있느냐이다. 이번 장에서 다루는 시스템의 경우 동시 접속자가 1M이라고 가정할 건데, 접속당 10K의 서버 메모리가 필요하다고 보면 10GB 메모리만 있으면 모든 연결을 다 처리할 수 있다. 

 

하지만 모든 것을 서버 한 대에 담은 설계안을 내밀면 면접에서 좋은 점수를 따기 어렵다. 하지만 서버만 한 대 갖는 설계안에서 출발하여 점차로 다듬어 나가는 것은 괜찮다. 유의할 점은 실시간으로 메시지를 주고받기 위해 클라이언트는 채팅 서버와 웹소켓 연결을 끊지 않고 유지한다는 것이다.

 

• 채팅 서버는 클라이언트 사이에 메시지를 중계하는 역할을 담당한다.
• 접속상태 서버는 사용자의 접속 여부를 관리한다.
• API 서버는 로그인, 회원가입, 프로파일 변경 등 그 외 나머지 전부를 처리한다.
• 알림 서버는 푸시 알림을 보낸다.
• 키-값 저장소에는 채팅 이력을 보관한다. 시스템에 접속한 사용자는 이전 채팅 이력을 전부 보게 된다.

저장소

DB를 어떤 것을 쓸거냐 하는 질문에서 중요하게 따져야 할 부분은 데이터의 유형과 읽기/쓰기 연산의 패턴이다.

채팅 시스템이 다루는 데이터는 보통 두 가지다.

 

첫 번째는 사용자 프로파일, 설정, 친구 목록처럼 일반적인 데이터다. 이런 데이터는 안정성을 보장하는 관계형 데이터베이스에 보관한다. 다중화와 샤딩은 이런 데이터의 가용성과 규모 확장성을 보증하기 위해 보편적으로 사용되는 기술이다. 

 

두 번째 유형의 데이터는 채팅 시스템에 고유한 데이터로, 바로 채팅 이력이다. 이 데이터를 어떻게 보관할지 결정하려면 읽기/쓰기 연산 패턴을 이해해야한다. 

• 채팅 이력 데이터의 양은 엄청나다. 페이스북 메신저나 왓츠앱은 매일 600억 개의 메시지를 처리한다.
• 이 데이터 가운데 빈번하게 사용되는 것은 주로 최근에 주고 받은 메시지다. 대부분의 사용자는 오래된 메시지는 들여다보지 않는다.
• 사용자는 대체로 최근에 주고받은 메시지 데이터만 보게 되는 것이 사실이나, 검색 기능을 이용하거나, 특정 사용자가 언급된 메시지를 보거나, 특정 메시지로 점프하거나 하여 무작위적인 데이터 접근을 하게 되는 일도 있다. 데이터 계층은 이런 기능도 지원해야 한다.
• 1:1채팅 앱의 경우 읽기:쓰기 비율은 대략 1:1 정도다.

이런 요구사항을 만족시키기 위해 본 설계안에서는 키-값 저장소를 추천한다.

• 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 무작위적 접근을 처리하는 비용이 늘어난다.
• 이미 많은 안정적인 채팅 시스템이 키-값 저장소를 채택하고 있다. 페이스북 메신저나 디스코드가 그 사례다. 페이스북 메신저는 HBase를 사용하고 있고 디스코드는 카산드라를 이용하고 있다.

데이터 모델

1:1 채팅을 위한 메시지 테이블

message
message_id	bigint
message_from	bigint
message_to	bigint
content	text
created_at	timestamp

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 수도 있기 때문이다. 

 

그룹 채팅을 위한 메시지 테이블

group message
channel_id	bigint
message_id	bigint
message_to	bigint
content	text
created_at	timestamp

(channel_id, message_id)의 복합키를 기본 키로 사용한다. 여기서 채널은 채팅 그룹과 같은 뜻이다. chennal_id는 파티션 키로도 사용할 것인데, 그룹 채팅에 적용될 모든 질의는 특정 채널을 대상으로 할 것이기 때문이다.

 

메시지 ID

message_id는 메시지들의 순서도 표현할 수 있어야 한다. 그러기 위해서 다음과 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.

RDBMS에서는 auto_increment가 대안이 될 수 있지만 NoSQL은 보통 해당 기능을 제공하지 않는다. 

두 번째 방법은 스노플레이크 같은 전역적 64-bit 순서 번호 생성기를 이용하는 것이다. 

마지막 방법은 지역적 순서 번호 생성기를 이용하는 것이다. 여기서 지역적이라 함은, ID의 유일성은 같은 그룹 안에서만 보증하면 충분하다는 것이다.  이 방법이 통하는 이유는 메시지 사이의 순서는 같은 채널, 혹은 같은 1:1 채팅 세션 안에서만 유지되면 충분하기 때문이다. 

 

3단계 상세 설계

채팅 시스템의 경우 서비스 탐색, 메시지 전달 흐름, 그리고 사용자 접속 상태를 표시하는 방법 정도가 자세히 살펴볼 만한 부분이다.

 

서비스 탐색

서비스 탐색의 주된 역할은 클라이어트에게 적절한 채팅 서버를 추가하는 것이다. 여기에는 클라이언트의 위치나, 서버의 용량 등이 영향을 미친다. 그리고 이런 것을 주로 하는 오픈 소스로는 아파치 주키퍼가 있다. 모든 채팅 서버를 등록해놓으면 클라이언트의 요청에 따라 적절하게 서버를 골라준다. 

 

메시지 흐름

채팅 시스템에 있어 종단 간 메시지 흐름을 이해하는 것은 흥미로운 주제다.

 

1:1 채팅 메시지 처리 흐름

1. 사용자 A가 채팅 서버 1로 메시지 전송

2. 채팅 서버 1은 ID 생성기를 사용해 해당 메시지의 ID 결정

3. 채팅 서버 1은 해당 메시지를 메시지 동기화 큐로 전송

4. 메시지가 키-값 저장소에 보관됨

5. (a) 사용자 B가 접속 중인 경우 메시지는 사용자 B가 접속 중인 채팅 서버로 전송됨

(b) 사용자 B가 접속 중이 아니라면 푸시 알림 메시지를 푸시 알림 서버로 보냄

6. 채팅 서버2는 메시지를 사용자 B에게 전송, 사용자 B와 채팅 서버 2 사이에는 웹소켓 연결이 있는 상태이므로 그것을 이용

 

여러 단말 사이의 메시지 동기화

여러 단말이 있을 때 각각 채팅 서버와 웹소켓 세션을 맺게 되며 각각의 단말은 cur_max_message_id라는 값을 가진다.

새로운 메시지는 수신자 ID와 현재 로그인한 사용자 ID와 같고 cur_max_message_id보다 큰 ID를 가지는 값이다. 

이를 키-값 저장소에 저장한다.

 

소규모 그룹 채팅

소규모 그룹 채팅에서 사용자 A,B,C가 있다고 생각하면 사용자 A가 B와 C에게 메시지를 보내면 A가 보낸 메시지는 채팅 서버를 통해 B와 C의 메시지 큐로 전송이 된다. 메시지 큐는 메시지 수신함 같은 역할을 한다. 메시지 큐만 확인하면 되니까 동기화 플로가 단순하고 그룹이 크지 않으면 메시지를 수신자별로 복사해서 큐에 넣는 작업의 비용은 그다지 크지 않다. 

 

접속상태 표시

접속상태 서버를 통해 사용자의 상태를 관리한다. 

 

사용자 로그인 부분

클라이언트와 실시간 서비스 사이에 웹 소켓 연결이 맺어지고 나면 접속 상태 서버는 A의 상태와 last_active_at 타임스탬프 값을 키-값 저장소에 보관한다. 

 

로그아웃

사용자가 로그아웃을 하면 API가 접속 상태 서버에 정보를 전달해주고 키-값 저장소에 유저 상태 정보를 offline으로 변경한다. 

 

접속 장애

- 장애에 대응하는 간단한 방법은 장애가 난 사용자를 오프라인으로 표시하고 복구가 되면 온라인으로 다시 표시하는 것이다.

-> 접속이 끊기는 일이 빈번한 경우 이를 계속 반복적으로 적용하는 것은 무리

heartbeat 검사를 통해 문제 해결 가능하다. 이는 온라인 상태의 클라이언트를 확인하기 위해 접속 상태 서버는 클라이언트에서 heartbeat 이벤트를 주기적으로 받고 x초 이내에 받게 되면 온라인 상태로 유지하게 만들 수 있다.