시스템 디자인: 소셜 네트워킹 서비스(SNS) - 전체 요약

소셜 네트워킹 서비스(SNS)는 사용자 간의 연결과 콘텐츠 공유를 중심으로 하는 복잡한 시스템입니다. 이 글에서는 먼저 SNS를 예로 들어 시스템 디자인의 각 단계를 간단히 살펴보고, 그 이후 하나씩 자세히 들여다 보는 시간을 가져볼 계획입니다.

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시스템 디자인

1. 요구 사항 명확화

기능적 요구 사항

• 사용자 프로필 관리: 사용자 등록, 로그인, 프로필 수정.
• 친구 또는 팔로우 기능: 다른 사용자와 연결하거나 팔로우할 수 있음.
• 게시물 생성 및 조회: 텍스트, 이미지, 동영상 등의 콘텐츠 업로드 및 타임라인 조회.
• 댓글 및 좋아요: 게시물에 대한 상호 작용.
• 알림 기능: 새로운 팔로워, 댓글, 좋아요 등에 대한 실시간 알림.
• 검색 기능: 사용자나 게시물을 검색할 수 있음.

비기능적 요구 사항

• 높은 가용성: 24/7 서비스 운영.
• 확장성: 사용자 증가에 따른 시스템 확장 가능성.
• 낮은 지연 시간: 빠른 응답 속도.
• 보안: 사용자 데이터 보호 및 인증 강화.
• 데이터 일관성: 데이터의 정확성과 최신 상태 유지.

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2. 용량 추정 및 확장성 고려

사용자 및 트래픽 예상

• 일일 활성 사용자(DAU): 100만 명.
• 동시 접속자 수: 최대 10만 명.
• 평균 요청 수: 사용자당 초당 2개의 요청.
• 피크 트래픽: 이벤트나 프로모션 시 트래픽이 2배 증가할 수 있음.

스토리지 요구 사항

• 사용자 데이터: 프로필 정보, 설정 (평균 1KB/user).
• 게시물 데이터: 텍스트(0.5KB), 이미지(100KB), 동영상(1MB).
• 연간 데이터 증가율: 100% 예상.

네트워크 대역폭

• 평균 대역폭 요구 사항: 트래픽 패턴과 콘텐츠 유형에 따라 계산.
• CDN 활용 고려: 미디어 콘텐츠 전달 효율성 향상.

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3. 고수준 설계 (High-Level Design)

주요 구성 요소

• 클라이언트 애플리케이션
  • 웹 브라우저, iOS/안드로이드 앱.
• 로드 밸런서
  • 트래픽을 웹 서버 및 애플리케이션 서버로 분산.
• 웹 서버
  • HTTP 요청 처리, 정적 콘텐츠 제공.
• 애플리케이션 서버
  • 비즈니스 로직 처리, API 엔드포인트 제공.
• 데이터베이스
  • 관계형 데이터베이스(SQL): 사용자 정보, 관계 데이터.
  • 비관계형 데이터베이스(NoSQL): 게시물, 피드 등.
• 캐싱 레이어
  • Redis 또는 Memcached를 사용하여 빈번한 조회 데이터 캐싱.
• 메시지 큐
  • Kafka 또는 RabbitMQ를 사용하여 비동기 작업 처리(예: 알림 전송).
• 콘텐츠 전송 네트워크(CDN)
  • 이미지, 동영상 등의 미디어 콘텐츠 전송 최적화.

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4. 데이터베이스 설계

데이터 모델링

• 사용자 테이블
  • 사용자 ID, 이름, 이메일, 비밀번호 해시, 프로필 사진 URL 등.
• 팔로우 관계 테이블
  • 팔로워 ID, 팔로우 대상 ID.
• 게시물 테이블
  • 게시물 ID, 작성자 ID, 콘텐츠, 미디어 URL, 생성 시간.
• 댓글 테이블
  • 댓글 ID, 게시물 ID, 작성자 ID, 내용, 생성 시간.
• 좋아요 테이블
  • 사용자 ID, 게시물 ID.

데이터베이스 선택

• SQL 데이터베이스
  • 사용자 정보, 관계 데이터는 트랜잭션과 JOIN 연산이 필요하므로 SQL 사용(MySQL, PostgreSQL).
• NoSQL 데이터베이스
  • 게시물 피드는 대량의 데이터 쓰기/읽기가 필요하므로 NoSQL 사용(Cassandra, MongoDB).

스키마 최적화

• 인덱스 설정
  • 자주 조회되는 컬럼에 인덱스 생성(예: 사용자 ID, 게시물 생성 시간).
• 샤딩 및 파티셔닝
  • 데이터베이스를 샤드로 분할하여 수평 확장 지원.

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5. API 및 통신 프로토콜 설계

API 엔드포인트 예시

• 인증 관련
  • POST /api/v1/signup: 사용자 등록.
  • POST /api/v1/login: 로그인.
• 사용자 관련
  • GET /api/v1/users/{id}: 사용자 프로필 조회.
  • PUT /api/v1/users/{id}: 프로필 수정.
• 팔로우 관련
  • POST /api/v1/users/{id}/follow: 사용자 팔로우.
  • DELETE /api/v1/users/{id}/unfollow: 팔로우 취소.
• 게시물 관련
  • POST /api/v1/posts: 게시물 생성.
  • GET /api/v1/posts/{id}: 게시물 조회.
  • GET /api/v1/posts/feed: 피드 조회.
• 댓글 및 좋아요
  • POST /api/v1/posts/{id}/comments: 댓글 작성.
  • POST /api/v1/posts/{id}/like: 좋아요 추가.

통신 프로토콜

• HTTP/HTTPS
  • RESTful API를 위한 표준 프로토콜.
• WebSocket
  • 실시간 알림 및 채팅 기능을 위한 양방향 통신 지원.
• gRPC (선택 사항)
  • 마이크로서비스 간의 고성능 통신을 위해 고려 가능.

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6. 캐싱 전략

캐시할 데이터 식별

• 사용자 프로필 데이터
  • 빈번히 조회되지만 변경 빈도는 낮음.
• 게시물 피드
  • 사용자별로 캐싱하여 빠른 피드 로딩 제공.
• 인기 게시물 및 트렌드
  • 전체 사용자에게 공통적으로 제공되는 데이터 캐싱.

캐싱 레이어 구현

• 인메모리 캐시
  • Redis를 사용하여 키-값 형태로 데이터 저장.
• 캐시 무효화 정책
  • 데이터 변경 시 해당 캐시를 업데이트 또는 삭제.
• TTL 설정
  • 캐시된 데이터의 유효 기간(Time To Live)을 설정하여 최신 상태 유지.

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7. 확장성 및 성능 최적화

수평적 확장

• 애플리케이션 서버 확장
  • 서버 인스턴스 추가 및 로드 밸런서로 트래픽 분산.
• 데이터베이스 확장
  • 읽기 전용 복제본 추가.
  • 샤딩을 통해 데이터 분산 저장.

수직적 확장

• 서버 업그레이드
  • CPU, 메모리, 스토리지 등의 리소스 증설.

로드 밸런싱

• HTTP 로드 밸런서
  • Nginx, HAProxy 등을 사용하여 웹 서버 앞단에서 트래픽 분산.
• 데이터베이스 로드 밸런싱
  • 읽기/쓰기 요청을 마스터/슬레이브 노드로 분산.

콘텐츠 전송 최적화

• CDN 사용
  • 전 세계적으로 분산된 서버를 통해 미디어 콘텐츠 전송 지연 감소.
• 이미지 및 동영상 최적화
  • 파일 압축, 해상도 조절 등을 통해 대역폭 절약.

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8. 장애 처리 및 신뢰성

단일 장애점(SPOF) 제거

• 이중화 구성
  • 모든 주요 구성 요소에 대해 이중 서버 설정.
• 자동 페일오버
  • 장애 발생 시 자동으로 대기 서버로 전환.

데이터 복제 및 백업

• 실시간 데이터 복제
  • 데이터베이스의 마스터-슬레이브 구조로 실시간 복제.
• 주기적인 백업
  • 스냅샷 및 로그를 활용하여 데이터 백업.

모니터링 및 알림

• 시스템 모니터링
  • Prometheus, Grafana 등을 사용하여 시스템 성능 모니터링.
• 로그 관리
  • ELK 스택 등을 활용하여 로그 수집 및 분석.
• 알림 시스템
  • 장애 또는 성능 저하 시 자동으로 알림 전송.

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9. 보안 및 개인정보 보호

인증 및 권한 부여

• JWT 또는 OAuth2 사용
  • 안전한 토큰 기반 인증 시스템 구현.
• 비밀번호 암호화
  • BCrypt 또는 Argon2를 사용하여 비밀번호 해시화.

데이터 전송 보안

• HTTPS 적용
  • SSL/TLS를 통해 데이터 전송 암호화.

접근 제어

• API 게이트웨이
  • 요청에 대한 인증 및 권한 검사.
• 방화벽 및 네트워크 보안 그룹
  • 외부 공격으로부터 시스템 보호.

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10. 최종 검토 및 개선

성능 테스트

• 부하 테스트
  • JMeter 등을 사용하여 시스템의 최대 처리량 확인.
• 스트레스 테스트
  • 시스템 한계를 파악하고 병목 현상 발견.

코드 및 아키텍처 리뷰

• 동료 검토
  • 개발 팀원들과 코드 및 설계 리뷰.
• 전문가 자문
  • 보안 전문가, 데이터베이스 관리자 등과의 협업.

지속적인 개선

• 사용자 피드백 수집
  • 서비스 개선을 위한 사용자 의견 반영.
• 로그 분석
  • 사용자 행동 패턴을 파악하여 성능 최적화.

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결론

소셜 네트워킹 서비스의 시스템 디자인은 복잡하고 다양한 요소를 고려해야 하는 작업입니다. 위의 단계별 가이드를 통해 요구 사항 분석부터 보안, 확장성, 신뢰성까지 전반적인 설계 과정을 살펴보았습니다. 실제로 시스템을 구축할 때는 비즈니스 요구 사항과 기술적 제약 조건을 모두 고려하여 유연하고 확장성 있는 아키텍처를 설계하는 것이 중요합니다.