로드 밸런싱, 그 속으로

beomdrive·2022년 12월 29일
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💡 해당 내용은 이전 블로그(Tistory)에서 이관한 글입니다.


로드 밸런싱을 알려면 우선 로드 밸런서에 대해서 알아보아야 합니다


로드 밸런서(Load Balancer)란?

  • 로드 밸런서는 트래픽을 분산하여 서버 한대에 요청이 집중되지 않게 하여 각 서버의 과부하를 방지해주는 역할을 해주는 장치 또는 기술입니다
  • 일반적으로 서버의 상단 네트워크에 위치합니다
    • 아래 예시와 같이 클라이언트에서 서버로부터의 요청은 로드 밸런서를 통해 각 서버로 전달됩니다

      이미지 출처: https://naver.me/xor8AbSO

로드 밸런서의 기본 기능

1. Health Check (상태 확인)

  • 각 서버가 정상적으로 살아있는지, 요청을 수행할 수 있는 지에 대한 상태를 체크하는 기능입니다
    • 각 서버들의 장애 여부를 판단하여, 정상적으로 동작중인 서버로만 트래픽을 보내줍니다
    • 주로 하드웨어로 많이쓰는 로드밸런서는 L4와 L7 로써 아래와 같은 방식으로 체크합니다
      • L4 체크 : TCP의 3-way handshaking 방식을 기반으로 각 포트의 상태를 체크합니다
      • L7 체크 : 애플리케이션 계층에서 체크하므로 실제 웹 페이지에 통신을 시도하여 상태를 체크합니다
    • 로드 밸런서 내부 설정을 통해 헬스 체크 방법을 변경할 수 있다고 합니다

2. NAT (Network Address Translation)

주로 여러 개의 호스트가 하나의 공인 IP 주소를 사용하여 인터넷에 접속하기 위해 사용되는 방식입니다

  • IP 주소를 변환해주는 기능입니다
  • 공인 IP는 한정적인 수량이므로 IP 주소를 절약할 수 있는 동시에, 하위 서버의 내부적인 IP를 숨길 수 있으므로 보안에도 효과적입니다
    • 즉 로드밸런서를 통해 외부 통신(요청, 응답)이 가능하므로 해당 기능을 사용할 수 있다고 생각됩니다

NAT의 종류

방식흐름설명
SNAT (Source NAT)내부 → 외부내부 사설 IP 주소를 외부의 공인 IP 주소로 변환하는 방식
DNAT (Destination NAT)외부 → 내부외부 공인 IP 주소를 내부의 사설 IP로 주소로 변환하는 방식

이미지 출처: https://www.stevenjlee.net/2020/07/11/이해하기-nat-network-address-translation-네트워크-주소-변환/


3. DSR (Direct Server Return or Direct Server Routing)

  • 서버에서 클라이언트로 되돌아갈 때, 네트워크 장비나 로드밸런서를 거치지 않고 목적지인 클라이언트로 바로 찾아가는 방식입니다
  • 서버 → 로드 밸런서로 가는 단계를 하나 줄여줌으로써 트래픽 부하를 줄여주는 장점이 있습니다

4. Tunneling

  • 인터넷 상에서 눈에 보이지 않는 통로를 만들어 통신할 수 있는 개념입니다
    • 즉 데이터 스트림을 가상의 파이프를 통해 전달시키는 기술입니다
  • 데이터를 캡슐화해서 연결된 상호 간에만 캡슐화된 패킷을 구별해 캡슐화를 해제할 수 있습니다
    • 말그대로 연결된 서버에서만 캡슐화된 데이터를 해제할 수 있는 기능입니다

5. 알고리즘에 따른 분산 처리

  • 이 부분에 대해서는 아래에서 자세히 알아보겠습니다

웹 서버 구조

  • 일반적인 웹 인프라 구조는 두가지로 이루어집니다
    1. Vertical Scale-Up
    2. Horizontal Scale-Out

1. Scale-up (스케일 업)

  • 서버 자체의 성능을 업그레이드 시켜주는 방식입니다
    • 즉 하나의 서버에 디스크를 추가하거나, CPU 혹은 메모리(Ram)를 업그레이드 시키는 등 한 서버 자체의 사양을 업그레이드 하는 방법을 말합니다

      이미지 출처: https://liasn.tistory.com/2

장점

  1. 추가적인 네트워크 연결이 필요 없으므로 인프라 설계가 쉽습니다
  2. 서버를 추가하는 방법이 아니므로 데이터 정합성 문제로부터 자유롭습니다

단점

  • 하나의 서버의 성능을 높이는 것엔 물리적인 한계가 발생할 수 밖에 없습니다
  • 서버 한대에 모든 부하가 집중되므로 장애 시, 해당 서버가 복구 되기 전까지는 서비스를 중단해야 하는 상황이 발생합니다

따라서 Scale-up의 방식은 한 대의 서버에서 모든 데이터를 처리하는 방식이므로, 데이터 갱신이 빈번하게 일어나는 데이터베이스 서버에 적합한 방식입니다


2. Scale-out (스케일 아웃)

  • 서버를 추가하여 확장하는 방식입니다
    • 즉 서버 한대에서 처리해야 할 트래픽을 여러대의 서버로 분산시키는 방식입니다
  • 일반적으로 비슷한 사양이나 덜 좋은 사양의 서버를 추가로 연결합니다
  • 해당 방식에서 부하를 균등하게 나눠주는 “로드밸런싱”이라는 기술이 필수적으로 적용되어야 합니다

이미지 출처: https://liasn.tistory.com/2

장점

  • 서비스 중 서버 한대가 다운되더라도 다른 서버로 서비스 제공이 가능합니다
  • 확장이 무제한으로 가능하므로 그때 그때 상황에 맞춰 서버를 유연하게 관리할 수 있습니다
    • 클라우드 서비스에서는 자원 사용량을 모니터링 하여 부하가 많을 경우 자동으로 서버를 증설(Scale-Out) 해주는 Auto Scaling 기능도 있습니다
  • 단일 서버에서 겪게 되는 병목 현상을 줄일 수 있습니다

단점

  • 여러 대의 서버로 돌아가기 때문에 데이터 정합성 문제가 발생할 수 있습니다
    • 따라서 데이터의 일관성을 유지하기 위한 인프라 설계 및 관리가 복잡하고 어렵습니다
  • 세션, 웹 이미지 등 서버에 저장되는 데이터를 어떤식으로 확장된 서버들에게도 공유해야할지 등에 대한 기술적인 한계가 존재합니다

따라서 Scale-out 방식은 대규모 서비스일 경우, 또는 모든 서버가 동일한 데이터를 가지고 있어야 하므로, 데이터 변화가 적은 웹 서버에 적합한 방식입니다


[정리] Scale-up vs Sclae-out

Scale-up (Vertical)Scale-out (Horizontal)
장점- 데이터 적합성 처리 불필요
- 관리 포인트 측면에서 관리가 쉬움
- 단일 서버이므로 손쉽게 성능 향상 가능
- 서버의 중단 없이 무제한 확장 가능
- 유연하게 관리할 수 있어 가용성 증가
- 부품에 의한 성능 향상의 한계가 없음
단점- 유연한 확장 불가능
- 확장하려면 서버를 중단해야 함
- 부품 업그레이드의 한계가 존재
- 단일 서버에서 장애 발생 시 서비스 불가
- 데이터 적합성 처리가 별도로 필요
- 관리 포인트 증가
- 트래픽 조정을 위한 로드 밸런싱 기술 필요
적합한 방식데이터 갱신이 빈번하게 일어나는 데이터베이스 서버에 적합한 방식대규모 서비스일 경우, 데이터 변화가 적은 웹 서버에 적합한 방식

따라서 이처럼 Scale-up 과 Scale-out의 각각의 장단점이 존재하므로 운영 중인 서비스에 맞게 합리적인 방식을 적용하는 것이 좋습니다


데이터 정합성 문제란?

위에서 계속 데이터 정합성 문제를 반복해서 말하고 있습니다

  • 데이터 정합성 문제란 데이터가 일관되지 않는 문제를 말합니다
    • Scale-out 방식에서 여러 대의 서버가 병렬적인 환경에서 돌아가므로, 각각의 모든 서버에 데이터를 일관되게 맞춰주는 방법이 필요합니다
  • 아래와 같은 말이 정합성이 훼손된 예시라고 볼 수 있습니다

데이터 정합성 문제를 해결하는 방법

  • Scale-out을 통한 웹 서비스 상의 대표적인 데이터 정합성 문제는 세션 불일치 문제입니다
    • 사용자가 로그인을 Server1에서 진행하여 세션을 Server1에 저장해놨는데, 다음 요청이 Server2를 통해 들어온다면 Server2에는 세션이 없어 다시 로그인해야 하는 문제가 생깁니다
  • 세션 정합성 이슈에 대한 해결책은 크게 3가지 입니다
    1. Sticky Session
    2. Session Clustering
    3. In-memory Database

🧐 바쁘시다면!내용 요약
Sticky Session- 세션을 최초로 생성한 서버로 요청이 고정되는 방식
- 세션 공유 필요 없으므로 정합성 이슈 해결
- 로드 밸런싱과 가용성 면에서 기능 저하
Session Clustering- 세션이 생성될 때마다 복제하여 나머지 서버에 동기화 작업
- 모든 서버의 세션이 존재하므로 적합성 이슈 해결
- 매번 세션 객체를 복제하는데 오버헤드 발생 위험
Session Storage- 세션 저장소를 분리하여 사용하는 방식
- 각 서버에 세션 저장소에 대한 정보만 입력하면 세션 공유 가능하므로 서버의 확장의 유연하게 대처 가능

1. Sticky Session (서버 고정 방식)

  • 세션을 가진 서버로만 요청을 전송하는 방식입니다
    • 첫 요청을 통해 한 서버에서 세션이 생성되었을 경우, 세션기간 동안 동일한 클라이언트의 요청은 로드 밸런서가 항상 같은 서버로만 전달하는 방식입니다

      이미지 출처: https://liasn.tistory.com/3

장점

  • 여러 서버들끼리 세션 데이터를 교환할 필요가 없습니다

단점

  • 특정 서버에 과부하가 걸릴 경우, 로드 밸런서는 이를 감지해 다른 서버로 트래픽을 다시 라우팅합니다 → 결국 세션 유실
    이미지 출처: https://hyuntaeknote.tistory.com/6

따라서 Sticky Session 방식은 세션의 데이터 적합성 문제는 해결할 수 있지만, Scale-out을 통한 트래픽 분산 효과와 서버 가용성을 제대로 사용할 수 없습니다


2. Session Clustering (Tomcat)

  • 여러 서버끼리 세션을 공유(동기화)하여 로드밸런서를 통한 요청이 어떤 서버로 전달되든 세션이 동일하게 유지되도록 하는 방식입니다
  • 구현 방식은 크게 두가지가 있습니다
    • DeltaManager : all-to-all 세션 복제 (4개 이하 클러스터)

    • BackupManager : primary-secondary 세션 복제 (4개 이상 클러스터)

      DeltaManager : all-to-all 세션 복제

    • 하나의 세션 저장소에 변경이 일어난다면, 변경된 사항을 다른 모든 세션 저장소에 적용해주는 방식입니다

    • Tomcat 문서에서는 4개보다 더 많은 노드를 가지는 대규모 클러스터 환경에는 적용하지 않는 것을 권장합니다

이미지 출처: https://hyuntaeknote.tistory.com/6

BackupManager : primary-secondary 세션 복제

  • 하나의 세션 저장소에서 세션이 생성되면 세컨드 저장소(백업)에만세션값 전체를 복제하고, 나머지 저장소에는 세션 key인 JSESSION ID만을 복제하여 all-to-all 방식보다 메모리 사용을 줄일수 있는 방식입니다

  • 4개 이상의 대규모 클러스터에서 사용하기 용이한 방식입니다

    이미지 출처: https://hyuntaeknote.tistory.com/6

  • 하지만 자주 일어나진 않겠지만 세션 ID만 가지고 있는 서버로 요청이 들어올 경우에는
    Primary 서버에 세션 키를 통해 세션 객체를 받아와야 하는 작업이 발생하는 단점이 있습니다
  • 하지만 세션 ID만 가지고 있는 서버로(Primary, Secondary가 아닌) 요청이 들어올 경우에는 Primary 서버에 세션 키를 통해 세션 객체를 받아와야 하는 작업이 발생하는 단점이 있습니다

3. In-memory Database

  • 위 방식은 모두 서버가 상태(데이터: 세션)를 가지고 있기 때문에 사용되는 방식입니다

  • 따라서 Scale-out에 장점을 온전히 얻지 못하는 단점이 있습니다 (세션 적합성을 맞춰주기 위해)

  • 세션 데이터를 각 서버들이 갖고있지 않고 외부로 분리하는 방식으로 Scale-out의 장점을 극대화하면서, 대용량 트래픽에 대응해 효율적이고 유연하게 확장시킬 수 있는 방식이 In-memory Database 방식입니다

    이미지 출처: https://liasn.tistory.com/3

장점

  • 세션을 별도의 저장소로 관리함으로써 데이터 적합성 문제 해결
  • 임의적으로 라우팅을 고정할 필요 없어 효과적인 로드밸런싱에 유리 (Sticky Session 단점 해결)
  • 세션 정보의 복제 과정이 필요 없어 효율적인 메모리 관리 (Session Clustering 단점 해결)
  • 세션 저장소의 정보만 있으면 바로 세션 공유가 가능하기에 서버 확장 등의 유연한 서버 관리에 용이

In-memory DB 종류

  • 세션 스토리지의 종류로는 대표적으로 Redis와 Memcached가 사용됩니다
RedisMemcached
장점- 다양한 자료구조 지원
- 데이터 백업 및 복구 가능
- 다양한 Eviction 결정 방식을 통해 메모리 공간 확보
- Spring 공식 지원
- 일반적으로 Read 성능이 더 좋음
- Multi-Thread 제공
- 효율적인 메모리 할당 방식을 통한 메모리 파편화 최소화
- LRU 한 가지 방식만으로 메모리 공간 확보
- 일반적으로 Write 성능이 더 좋음

해당 장단점을 고려하여 서비스에 맞는 기술을 선택하면 됩니다


💡 자 이제 전반적인 개념은 모두 익혔으니 로드밸런싱을 제대로 알아봅시다!

로드 밸런싱이란? (Load Balancing)

Load(서버가 받는 요청, 부하) + Balancing(분산)

  • Scale-out 방식에서 로드 밸런서를 통해 클라이언트로부터 올라오는 모든 요청(부하)을 분산해주는 기술입니다
  • 로드 밸런싱의 알고리즘 중 5가지에 대해서 간략하게 알아보겠습니다

로드 밸런싱 알고리즘

  1. 라운드로빈 방식 (Round Robin Method)
    • 서버에 들어온 요청 순서대로 돌아가면서 각 서버에 배정하는 방식입니다
    • 하위 서버들이 동일한 스펙을 갖고 있고, 서버와의 연결이 오래 지속되지 않는 경우에 활용하기 적합한 방식입니다
  2. 가중 라운드로빈 방식 (Weighted Round Robin Method)
    • 각 하위 서버들마다 가중치를 매겨, 가중치가 높은 서버에 요청을 우선적으로 배분하는 방식입니다
      • 즉 로드밸런서가 하위 서버의 성능을 고려하여 트래픽의 양을 조절해줍니다
    • 주로 각 서버들의 트래픽 처리 능력이 다른 경우에 사용되는 방식입니다
  3. IP 해시 방식 (IP Hash Method)
    • 클라이언트의 IP 주소를 특정 서버로 매핑(해싱)하여 요청을 처리하는 방식입니다
    • 이 방식은 사용자가 항상 동일한 서버로 연결되는 것을 보장합니다
  4. 최소 연결 방식 (Least Connection Method)
    • 요청이 들어온 시점에서 가장 연결상태가 적어 여유로운 서버에 우선적으로 트래픽은 배분하는 방식입니다
    • 하위 서버들이 로드밸런서에게 현재 감당하고 있는 트래픽의 양과 연결중인 커넥션 수에 대한 정보를 공유하고, 해당 정보를 통해 전달 서버를 결정합니다
    • 서버의 연결이 자주 길어지거나, 각 서버에 분배된 트래픽들이 일정하지 않은 경우에 적합합니다
  5. 최소 리스폰타임 (Least Response Time Method)
    • 서버의 현재 연결 상태와 응답시간을 모두 고려하여, 가장 응답시간이 짧은 서버로 트래픽을 우선적으로 할당하는 방식입니다
    • 각 하위 서버들의 가용한 리소스와 성능, 처리중인 데이터 양 등이 다를 경우에 적합합니다

로드 밸런싱의 구현 방법

  • 로드 밸런싱은 하드웨어 구현, 소프트웨어 구현으로 나눠집니다

하드웨어 구현방법

  • 하드웨어를 통한 로드밸런싱 구현 방법에는 대표적으로 L4와 L7의 로드밸런서가 사용됩니다
  • L4 로드밸런서와 L7 로드밸런서의 차이는 아래의 표로 확인해보겠습니다

이미지 출처: 가비아 - 로드밸런서(Load Balancer)의 개념과 특징

  • 간단하게 L4와 L7 장비의 차이는 트래픽 분산을 할 때 그 로드밸런서가 어떤 메타 데이터의 어느 수준(범위)까지 분석해서 분산할지를 가장 큰 차이점으로 두는 것 같습니다
  • 또한 두 장비에 대한 속도적인 비교는 둘 다 장비 자체가 워낙 빠르기 때문에 비교 대상에는 포함되지 않습니다 (마이너한 기준)
  • 위의 내용에 추가로 L7 로드 밸런서는 특정한 패턴을 지닌 바이러스를 감지해 네트워크를 보호하는 기능이 있으므로, DDoS 같은 비정상적인 트래픽을 필터링하는 기능이 있어 네트워크 보안에 유리합니다

소프트웨어 구현방법

  • 하드웨어인 L4, L7 로드밸런서를 대신하여 reverse proxy 형태인 NginX, HAProxy 등의 로드 밸런서 애플리케이션을 활용하여 소프트웨어적으로도 구현할 수 있습니다
  • 하드웨어보다 성능적인 면은 떨어지지만 단순히 로직(?)만 구현하면 되므로 비용적으로 유리하다는 장점이 있습니다
    • 또한 Scale-out 방식에서 config 설정 파일만 수정하면 바로 적용시킬 수 있기 때문에 유연하고 쉬운 서버 관리가 가능합니다

마무리

굉장히 많은 내용을 통해 로드밸런싱에 대해서 알아보았습니다

결국은 트래픽을 효과적으로 분산하는 방법을 통해 대량의 트래픽을 감당하기 위한 방법인데요

마지막으로 한가지의 의문이 있습니다


로드 밸런서 자체가 문제가 있다면?

  • 로드 밸런서 자체를 이중화하지 않은 단일 서버 상태라면 해당 장비 or 서버에 장애가 일어난다면 하위 서버는 모두 요청을 전달받지 못해 전체 서비스가 다운됩니다
  • 이 현상을 SPOF (Single Point of Failure)라고 부릅니다
  • 따라서 로드밸런서 자체에도 Scale-Out을 해줌으로써 이중화를 통한 안전성을 확보해야 합니다
    • 로드밸런서의 확장은 일반적으로 Master-Slave 방식으로 구성됩니다
    • 평시에는 Master가 로드밸런서의 역할을 주로 수행하고 여분으로 Slave를 갖고있습니다
    • Master에 장애 발생 시 여분인 Slave가 Master를 바로 위임받아 로드밸런서 역할을 바로 수행함으로써 서비스가 중단되지 않게 구성해주어야 합니다

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