시스템 디자인(System design)이란?

 백엔드 시스템 디자인은 웹 및 모바일 애플리케이션의 성능, 확장성, 안정성에 중요한 영향을 미칩니다. 이 글에서는 백엔드 시스템 설계의 주요 단계와 핵심 개념을 소개하고, 이를 실무에서 어떻게 적용할 수 있는지 설명합니다.

 

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본격적인 시스템 디자인

1. 요구 사항 명확화

시스템 디자인을 시작하기 전에 기능적 요구 사항과 비기능적 요구 사항을 명확히 하는 것이 필수적입니다. 이를 통해 설계 방향을 올바르게 설정할 수 있습니다.

2. 용량 추정 및 확장성 고려

시스템 설계를 시작하기 전에 예상 트래픽과 데이터 양을 추정하는 것은 매우 중요합니다. 시스템이 현재 요구사항뿐만 아니라 미래의 성장도 감당할 수 있어야 하기 때문입니다.

• 사용자 수: 예상 일일 사용자 수와 동시 접속자를 고려합니다.
• 트래픽: 초당 읽기/쓰기 요청 수와 트래픽 급증 시의 처리 능력을 계산합니다.
• 스토리지: 데이터 양을 추정하고, 데이터가 어떻게 증가할 것인지 평가합니다.
• 네트워크 대역폭: 트래픽 양에 따른 네트워크 사용량을 예측합니다.

3. 고수준 설계 (High-Level Design)

이 단계에서는 시스템의 주요 구성 요소를 정의하고, 각 요소가 어떻게 상호작용하는지를 설계합니다. 이를 위해 아래와 같은 요소를 포함할 수 있습니다.

• 클라이언트 애플리케이션: 웹 브라우저, 모바일 앱 등 사용자가 시스템과 상호작용하는 방식.
• 웹 서버: 클라이언트 요청을 처리하는 서버.
• 로드 밸런서: 트래픽을 여러 서버로 분산하여 부하를 줄이는 역할.
• 애플리케이션 서버: 비즈니스 로직을 처리하는 서버.
• 데이터베이스: 데이터를 저장하고 관리하는 시스템. (SQL 또는 NoSQL)
• 캐싱 레이어: 자주 조회되는 데이터를 빠르게 제공하여 시스템 부하를 줄임.
• 메시지 큐: 비동기 처리를 위한 메시지 전달 시스템.

4. 데이터베이스 설계

데이터베이스 설계는 시스템의 성능과 확장성에 큰 영향을 미칩니다. 데이터 모델링과 스키마 설계는 시스템이 요구하는 데이터의 구조에 맞춰 최적화되어야 합니다.

• 데이터 모델링: 시스템에서 다룰 주요 데이터 엔티티와 그 관계를 정의합니다. (예: 사용자, 주문, 상품)
• 데이터베이스 선택: 데이터의 구조와 접근 패턴에 따라 SQL 또는 NoSQL을 선택합니다.
• 데이터베이스 스키마 설계: 테이블, 인덱스, 관계 설정 등을 최적화하여 성능을 향상시킵니다.

5. API 및 통신 프로토콜 설계

API는 시스템의 각 구성 요소 간의 통신을 담당합니다. RESTful API, GraphQL, RPC 등의 방식 중에서 요구 사항에 맞는 방식을 선택합니다.

• API 엔드포인트 설계: 시스템의 각 기능을 API로 노출하여 클라이언트가 사용할 수 있도록 설계합니다.
• 통신 프로토콜 선택: HTTP, WebSocket, gRPC 등 클라이언트와 서버 간 통신 방식 선택.

6. 캐싱 전략

캐싱은 성능 최적화의 중요한 부분입니다. 자주 사용하는 데이터를 캐시 메모리에 저장하여 데이터베이스 요청 수를 줄이고 시스템 응답 속도를 향상시킵니다.

• 캐시 위치: 웹 서버 앞단에서 캐싱할지, 애플리케이션 내부에서 캐싱할지 결정합니다.
• 캐싱 시스템: Redis나 Memcached와 같은 인메모리 데이터베이스를 사용하여 캐시를 관리합니다.

7. 확장성 및 성능 최적화

백엔드 시스템은 트래픽과 데이터 양이 증가함에 따라 확장 가능해야 하며, 성능 저하 없이 동작해야 합니다.

• 수평적 확장 (Horizontal Scaling): 서버나 데이터베이스 인스턴스를 추가하여 처리 용량을 늘립니다.
• 수직적 확장 (Vertical Scaling): 기존 서버나 데이터베이스의 성능을 향상시켜 처리 능력을 높입니다.
• 로드 밸런싱: 트래픽을 여러 서버로 균등하게 분배하여 부하를 줄입니다.

8. 장애 처리 및 신뢰성

시스템이 장애 상황에서도 안정적으로 동작해야 하며, 장애로부터 빠르게 복구될 수 있어야 합니다.

• 단일 장애점(SPOF) 제거: 단일 구성 요소의 장애로 시스템 전체가 중단되지 않도록 설계합니다.
• 데이터 복제 및 백업: 데이터베이스 복제 및 주기적인 백업으로 데이터를 안전하게 보호합니다.
• 지리적 분산: 다양한 지역에 서버를 배치하여 장애 발생 시 대체 서버로 전환할 수 있도록 합니다.

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결론

백엔드 시스템 디자인은 요구 사항을 명확히 하고, 용량과 성능을 고려하여 각 구성 요소를 설계하는 과정입니다. 본 글에서 설명한 단계별 접근 방식을 바탕으로 실제 프로젝트나 인터뷰에서 유연하고 확장성 있는 시스템을 설계할 수 있기를 바랍니다.