Kubernetes 아키텍처 설계서

진웅·2025년 7월 30일

K8S Basics

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문서명[프로젝트명] Kubernetes 아키텍처 설계서
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v1.0YYYY-MM-DD초기 작성[작성자명]

1. 개요 (Executive Summary)

1.1 프로젝트 배경

  • 목적: [시스템 구축 목적 및 배경 설명]
  • 범위: [프로젝트 적용 범위]
  • 기대효과: [도입을 통한 기대효과]

1.2 핵심 요구사항

  • 가용성: 99.9% 이상의 서비스 가용성 보장
  • 확장성: [예상 트래픽/사용자 수] 지원
  • 성능: [응답시간/처리량] 목표
  • 보안: [보안 요구사항]

1.3 주요 제약사항

  • 예산: [예산 제약사항]
  • 일정: [프로젝트 일정]
  • 기술: [기술적 제약사항]
  • 규정: [관련 규정 및 컴플라이언스]

2. 시스템 요구사항 분석

2.1 기능적 요구사항

2.1.1 핵심 기능

  • 기능 1: [상세 설명]
  • 기능 2: [상세 설명]
  • 기능 3: [상세 설명]

2.1.2 부가 기능

  • 관리 기능: [운영/관리 기능]
  • 모니터링: [모니터링 요구사항]
  • 백업/복구: [데이터 백업 및 복구]

2.2 비기능적 요구사항

2.2.1 성능 요구사항

항목목표값측정방법
응답시간< 200msAPI 응답시간
처리량10,000 TPS초당 트랜잭션
동시사용자50,000명동시 접속자

2.2.2 가용성 요구사항

  • 목표 가용성: 99.9% (연간 다운타임 < 8.76시간)
  • 복구시간: RTO < 30분, RPO < 5분
  • 장애 대응: 24/7 모니터링 및 대응

2.2.3 확장성 요구사항

  • 수평 확장: Pod 자동 스케일링
  • 수직 확장: 리소스 동적 할당
  • 용량 계획: 연간 50% 성장률 대응

3. 아키텍처 개요

3.1 전체 아키텍처 다이어그램

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        Internet                              │
└─────────────────────┬───────────────────────────────────────┘
                      │
┌─────────────────────▼───────────────────────────────────────┐
│                   CDN / WAF                                 │
└─────────────────────┬───────────────────────────────────────┘
                      │
┌─────────────────────▼───────────────────────────────────────┐
│                Load Balancer                                │
└─────────────────────┬───────────────────────────────────────┘
                      │
┌─────────────────────▼───────────────────────────────────────┐
│                Kubernetes Cluster                          │
│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐         │
│  │   Master    │  │   Worker    │  │   Worker    │         │
│  │   Node 1    │  │   Node 1    │  │   Node 2    │         │
│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────┘         │
└─────────────────────┬───────────────────────────────────────┘
                      │
┌─────────────────────▼───────────────────────────────────────┐
│              External Services                              │
│         (Database, Cache, Storage)                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

3.2 아키텍처 원칙

  • 마이크로서비스: 서비스별 독립적 배포 및 확장
  • 컨테이너 우선: 모든 워크로드의 컨테이너화
  • 클라우드 네이티브: 12-Factor App 원칙 준수
  • Infrastructure as Code: 모든 인프라의 코드화
  • 보안 우선: 보안이 기본으로 내장된 설계

4. Kubernetes 클러스터 설계

4.1 클러스터 구성

4.1.1 클러스터 사양

  • Kubernetes 버전: v1.28.x (최신 안정 버전)
  • 컨테이너 런타임: containerd
  • 네트워크 플러그인: Calico/Flannel
  • 스토리지: CSI 호환 스토리지

4.1.2 노드 구성

Master Node (Control Plane)
| 항목 | 사양 | 수량 |
|------|------|------|
| CPU | 4 Core | 3대 |
| Memory | 16GB | 3대 |
| Storage | 100GB SSD | 3대 |
| Network | 1Gbps | 3대 |

Worker Node
| 환경 | CPU | Memory | Storage | 수량 |
|------|-----|--------|---------|------|
| Production | 16 Core | 64GB | 500GB SSD | 6대 |
| Staging | 8 Core | 32GB | 200GB SSD | 3대 |
| Development | 4 Core | 16GB | 100GB SSD | 3대 |

4.2 네임스페이스 설계

네임스페이스 구조:
├── kube-system          # 시스템 컴포넌트
├── kube-public          # 공용 리소스
├── monitoring           # 모니터링 스택
├── logging              # 로깅 스택
├── ingress-nginx        # Ingress Controller
├── cert-manager         # 인증서 관리
├── production          # 운영 환경
├── staging            # 스테이징 환경
├── development        # 개발 환경
└── backup             # 백업 관련

4.3 리소스 할당 정책

4.3.1 CPU/Memory 리소스

# Resource Quotas 예시
apiVersion: v1
kind: ResourceQuota
metadata:
  name: production-quota
  namespace: production
spec:
  hard:
    requests.cpu: "100"
    requests.memory: 200Gi
    limits.cpu: "200"
    limits.memory: 400Gi
    persistentvolumeclaims: "10"

4.3.2 스토리지 리소스

  • 고성능: SSD 기반 (데이터베이스, 캐시)
  • 표준: HDD 기반 (로그, 백업)
  • 동적 프로비저닝: CSI 드라이버를 통한 자동 할당

5. 네트워크 아키텍처

5.1 네트워크 토폴로지

External Network (Public)
    │
    ├── Load Balancer (L4/L7)
    │
    └── Kubernetes Cluster Network
        ├── Pod Network (10.244.0.0/16)
        ├── Service Network (10.96.0.0/12)
        └── Node Network (192.168.1.0/24)

5.2 Ingress 설계

5.2.1 Ingress Controller

  • 선택: NGINX Ingress Controller
  • HA 구성: 3개 인스턴스로 고가용성 구성
  • SSL 종료: cert-manager를 통한 자동 인증서 관리

5.2.2 도메인 및 라우팅

도메인 구조:
├── api.example.com          # API Gateway
├── app.example.com          # 프론트엔드
├── admin.example.com        # 관리자 페이지
└── monitoring.example.com   # 모니터링 대시보드

5.3 서비스 메시 (Service Mesh)

  • 도입 여부: [도입/미도입]
  • 선택 솔루션: Istio/Linkerd
  • 적용 범위: [적용할 네임스페이스/서비스]

6. 보안 아키텍처

6.1 보안 정책

6.1.1 인증 및 인가

  • 인증: OIDC 연동 (예: Keycloak, Auth0)
  • 인가: RBAC (Role-Based Access Control)
  • 서비스 간 인증: Service Account Token

6.1.2 네트워크 보안

  • Network Policies: Pod 간 통신 제어
  • Ingress 보안: WAF, DDoS 방어
  • 내부 통신: mTLS 적용

6.2 Pod Security Standards

# Pod Security Policy 예시
apiVersion: policy/v1beta1
kind: PodSecurityPolicy
metadata:
  name: restricted
spec:
  privileged: false
  allowPrivilegeEscalation: false
  requiredDropCapabilities:
    - ALL
  volumes:
    - 'configMap'
    - 'emptyDir'
    - 'projected'
    - 'secret'
    - 'downwardAPI'
    - 'persistentVolumeClaim'
  runAsUser:
    rule: 'MustRunAsNonRoot'
  seLinux:
    rule: 'RunAsAny'
  fsGroup:
    rule: 'RunAsAny'

6.3 시크릿 관리

  • 시크릿 암호화: etcd encryption at rest
  • 외부 시크릿 관리: HashiCorp Vault 연동
  • 이미지 보안: Container Registry 스캔

6.4 보안 스캔 및 모니터링

  • 취약점 스캔: Trivy, Falco
  • 컴플라이언스: CIS Kubernetes Benchmark
  • 보안 모니터링: SIEM 연동

7. 스토리지 아키텍처

7.1 스토리지 클래스 설계

스토리지 유형별 분류:
├── fast-ssd           # 고성능 (DB, 캐시)
│   ├── IOPS: 10,000+
│   └── 지연시간: < 1ms
├── standard-ssd       # 표준 (애플리케이션)
│   ├── IOPS: 3,000+
│   └── 지연시간: < 10ms
└── slow-hdd          # 보관용 (로그, 백업)
    ├── IOPS: 100+
    └── 비용 최적화

7.2 데이터 백업 전략

  • 백업 주기: 매일 자동 백업
  • 보관 기간: 30일 (법적 요구사항 준수)
  • 복구 테스트: 월 1회 복구 시나리오 테스트

7.3 영구 볼륨 관리

  • 동적 프로비저닝: CSI 드라이버 사용
  • 볼륨 확장: 온라인 확장 지원
  • 스냅샷: 자동 스냅샷 생성

8. 애플리케이션 아키텍처

8.1 마이크로서비스 구성

애플리케이션 서비스 구조:
├── API Gateway
│   └── 라우팅, 인증, 율제한
├── User Service
│   └── 사용자 관리
├── Product Service
│   └── 상품 관리
├── Order Service
│   └── 주문 처리
├── Payment Service
│   └── 결제 처리
└── Notification Service
    └── 알림 발송

8.2 서비스 간 통신

  • 동기 통신: REST API, gRPC
  • 비동기 통신: Message Queue (RabbitMQ, Kafka)
  • 서비스 디스커버리: Kubernetes Service

8.3 데이터베이스 설계

  • Primary DB: PostgreSQL Cluster
  • Cache: Redis Cluster
  • Search: Elasticsearch
  • Message Queue: Apache Kafka

8.4 배포 전략

  • Rolling Update: 무중단 배포
  • Blue-Green: 중요 서비스 대상
  • Canary: 신규 기능 점진적 배포
  • Feature Flag: 기능 토글링

9. 모니터링 및 관찰성

9.1 모니터링 스택

9.1.1 메트릭 수집

  • Prometheus: 메트릭 수집 및 저장
  • Grafana: 시각화 대시보드
  • AlertManager: 알림 관리

9.1.2 로깅

  • FluentBit: 로그 수집
  • Elasticsearch: 로그 저장
  • Kibana: 로그 분석

9.1.3 분산 추적

  • Jaeger: 분산 트레이싱
  • OpenTelemetry: 관찰성 데이터 수집

9.2 핵심 모니터링 메트릭

9.2.1 인프라 메트릭

  • 클러스터: CPU, Memory, Disk, Network 사용률
  • 노드: 상태, 리소스 사용률
  • Pod: 상태, 재시작 횟수, 리소스 사용률

9.2.2 애플리케이션 메트릭

  • 성능: 응답시간, 에러율, 처리량
  • 비즈니스: 사용자 수, 트랜잭션 수, 매출

9.3 알림 규칙

알림 우선순위:
├── Critical (P1)    # 즉시 대응 (5분 이내)
├── High (P2)        # 긴급 대응 (30분 이내)
├── Medium (P3)      # 일반 대응 (4시간 이내)
└── Low (P4)         # 계획된 대응 (24시간 이내)

10. 운영 및 관리

10.1 DevOps 파이프라인

10.1.1 CI/CD 도구

  • Git: 소스코드 관리 (GitLab/GitHub)
  • CI: GitLab CI/Jenkins
  • CD: ArgoCD/Flux
  • Registry: Harbor/Docker Hub

10.1.2 배포 프로세스

graph LR
    A[Code Commit] --> B[Build]
    B --> C[Test]
    C --> D[Security Scan]
    D --> E[Deploy to Dev]
    E --> F[Integration Test]
    F --> G[Deploy to Staging]
    G --> H[User Acceptance Test]
    H --> I[Deploy to Production]

10.2 운영 절차

10.2.1 일상 운영

  • 헬스체크: 자동화된 상태 점검
  • 리소스 모니터링: 임계치 기반 알림
  • 백업 확인: 일일 백업 상태 점검

10.2.2 장애 대응

  1. 감지: 모니터링 시스템 알림
  2. 분석: 로그 및 메트릭 분석
  3. 조치: 즉시 복구 작업
  4. 복구: 서비스 정상화
  5. 보고: 장애 보고서 작성

10.3 용량 관리

  • 리소스 사용률 추적: 70% 임계치
  • 확장 계획: 사전 용량 증설
  • 비용 최적화: 미사용 리소스 정리

11. 재해복구 및 비즈니스 연속성

11.1 재해복구 전략

11.1.1 목표 지표

  • RPO (Recovery Point Objective): 5분
  • RTO (Recovery Time Objective): 30분
  • 최대 허용 다운타임: 8.76시간/년

11.1.2 백업 전략

  • 데이터 백업: 일 1회 전체, 실시간 증분
  • 설정 백업: Git 기반 Infrastructure as Code
  • 이미지 백업: 컨테이너 레지스트리 복제

11.2 멀티 클러스터 구성

클러스터 구성:
├── Primary Cluster    # 주 클러스터 (Active)
│   └── 지역: Seoul
├── DR Cluster        # 재해복구 클러스터 (Standby)
│   └── 지역: Busan
└── Edge Cluster      # 엣지 클러스터 (Cache)
    └── 지역: Global CDN

11.3 복구 절차

  1. 장애 감지: 자동 모니터링
  2. 페일오버: 자동/수동 전환
  3. 데이터 동기화: 최신 백업 복원
  4. 서비스 재시작: 건강성 확인
  5. 트래픽 전환: DNS/로드밸런서 업데이트

12. 성능 및 용량 계획

12.1 성능 목표

12.1.1 응답시간 목표

서비스 유형목표 응답시간측정 방법
API 조회< 100msP95 기준
API 등록/수정< 500msP95 기준
웹 페이지< 2초Page Load Time
파일 업로드< 10초100MB 기준

12.1.2 처리량 목표

  • 일반 API: 10,000 RPS
  • 인증 API: 5,000 RPS
  • 파일 업로드: 1,000 RPS
  • 동시 사용자: 50,000명

12.2 용량 계획

12.2.1 리소스 증가 예측

연도별 증가 예측:
2024년:
  - 사용자: 100,000명
  - 데이터: 1TB
  - 트래픽: 1,000 RPS
2025년:
  - 사용자: 200,000명 (+100%)
  - 데이터: 3TB (+200%)  
  - 트래픽: 2,000 RPS (+100%)
2026년:
  - 사용자: 350,000명 (+75%)
  - 데이터: 6TB (+100%)
  - 트래픽: 3,500 RPS (+75%)

12.2.2 스케일링 전략

  • 수평 확장: HPA/VPA를 통한 자동 스케일링
  • 클러스터 확장: Cluster Autoscaler
  • 멀티 클러스터: 지역별 클러스터 확장

13. 비용 분석

13.1 비용 구조

13.1.1 인프라 비용 (월간)

항목수량단가월 비용
Master Node3대$200$600
Worker Node12대$500$6,000
Load Balancer2대$100$200
Storage10TB$10/TB$100
Network--$300
총 인프라 비용$7,200

13.1.2 운영 비용 (월간)

항목비용
모니터링 도구$500
보안 도구$300
백업 서비스$200
기술 지원$1,000
총 운영 비용$2,000

13.2 비용 최적화 방안

  • 리소스 최적화: 미사용 리소스 정리
  • Reserved Instance: 장기 할인 계약
  • Spot Instance: 개발/테스트 환경 활용
  • 자동 스케일링: 필요 시에만 확장

14. 위험 관리

14.1 기술적 위험

위험 요소발생 확률영향도대응 방안
단일 장애점중간높음이중화 구성
성능 저하높음중간모니터링 강화
보안 침해낮음높음보안 정책 강화
데이터 손실낮음매우높음백업 전략

14.2 운영적 위험

위험 요소발생 확률영향도대응 방안
인력 부족중간높음교육 및 충원
기술 종속성높음중간다중 벤더 전략
비용 초과중간중간비용 모니터링

14.3 비즈니스 위험

  • 규제 변경: 컴플라이언스 지속 모니터링
  • 시장 변화: 아키텍처 유연성 확보
  • 경쟁사 대응: 기술 혁신 지속

15. 마이그레이션 계획

15.1 현재 상태 분석

  • 기존 시스템: [현재 시스템 현황]
  • 데이터 규모: [데이터 크기 및 복잡성]
  • 의존성: [시스템 간 의존성 분석]

15.2 마이그레이션 전략

15.2.1 단계별 마이그레이션

Phase 1: 인프라 구축
  - Kubernetes 클러스터 구축
  - 기본 컴포넌트 설치
  - 네트워크 구성

Phase 2: 개발/테스트 환경
  - 개발 환경 마이그레이션
  - CI/CD 파이프라인 구축
  - 테스트 자동화

Phase 3: 스테이징 환경
  - 운영과 동일한 환경 구축
  - 성능 테스트
  - 장애 복구 테스트

Phase 4: 운영 환경
  - Blue-Green 배포
  - 트래픽 점진적 전환
  - 모니터링 및 최적화

15.3 롤백 계획

  • 롤백 조건: 명확한 롤백 기준 정의
  • 롤백 절차: 자동화된 롤백 프로세스
  • 데이터 백업: 마이그레이션 전 완전 백업

16. 교육 및 역량 개발

16.1 팀 역량 현황

  • 현재 기술 수준: [팀원별 Kubernetes 숙련도]
  • 필요 역량: [프로젝트 수행에 필요한 기술]
  • 격차 분석: [부족한 역량 식별]

16.2 교육 계획

16.2.1 기술 교육

교육 과정대상자기간목표
Kubernetes 기초개발팀1주기본 개념 이해
Container 운영운영팀2주컨테이너 관리
DevOps 도구전체팀1주CI/CD 활용
보안 관리보안팀1주보안 정책 수립

16.2.2 운영 교육

  • 장애 대응 훈련: 월 1회 모의 훈련
  • 모니터링 도구: 대시보드 활용법
  • 문제 해결: 트러블슈팅 가이드

17. 성공 지표 및 KPI

17.1 기술적 KPI

17.1.1 가용성 지표

  • 서비스 가용성: 99.9% 이상
  • 평균 복구 시간: 30분 이내
  • 장애 없는 배포: 95% 이상

17.1.2 성능 지표

  • 응답 시간: P95 < 200ms
  • 처리량: 목표 대비 100% 달성
  • 리소스 효율성: CPU/Memory 70% 이하

17.2 운영적 KPI

  • 배포 빈도: 주 2회 이상
  • 배포 성공률: 95% 이상
  • 모니터링 커버리지: 90% 이상
  • 장애 예방률: 80% 이상

17.3 비즈니스 KPI

  • 비용 절감: 기존 대비 30% 절감
  • 개발 생산성: 50% 향상
  • 서비스 신뢰성: 고객 만족도 90% 이상

18. 결론 및 권고사항

18.1 주요 결론

이 Kubernetes 아키텍처 설계는 다음과 같은 목표를 달성하기 위해 수립되었습니다:

  • 확장성: 마이크로서비스 아키텍처를 통한 서비스별 독립적 확장
  • 안정성: 고가용성 구성 및 장애 복구 체계 구축
  • 보안성: 다층 보안 체계 및 Zero Trust 원칙 적용
  • 운영성: 자동화된 모니터링 및 관리 체계 구축

18.2 권고사항

18.2.1 즉시 실행

  • Kubernetes 클러스터 구축 및 기본 설정
  • 모니터링 시스템 구축
  • CI/CD 파이프라인 구축
  • 보안 정책 수립 및 적용

18.2.2 단계적 실행

  • 마이크로서비스 전환
  • 서비스 메시 도입
  • 멀티 클러스터 구성
  • 고급 모니터링 기능 추가

18.2.3 지속적 개선

  • 성능 최적화
  • 비용 최적화
  • 새로운 기술 도입 검토
  • 팀 역량 지속 개발

18.3 다음 단계

  1. 설계 검토: 이해관계자 검토 및 승인
  2. 상세 설계: 각 컴포넌트별 상세 설계
  3. 구현 계획: 단계별 구현 일정 수립
  4. 팀 구성: 프로젝트 수행 팀 구성
  5. 실행: 계획에 따른 단계별 실행

부록

A. 용어 정의

  • Kubernetes: 컨테이너 오케스트레이션 플랫폼
  • Pod: Kubernetes의 최소 배포 단위
  • Service: Pod 그룹에 대한 네트워크 추상화
  • Ingress: 클러스터 외부에서 내부 서비스로의 HTTP/HTTPS 라우팅
  • ConfigMap: 설정 데이터를 저장하는 리소스
  • Secret: 민감한 정보를 저장하는 리소스

B. 참고 문서

C. 도구 및 솔루션 비교

C.1 컨테이너 런타임 비교

항목DockercontainerdCRI-O
성능보통우수우수
보안보통좋음매우좋음
호환성높음높음높음

C.2 서비스 메시 비교

항목IstioLinkerdConsul Connect
기능풍부단순중간
성능보통우수좋음
학습곡선높음낮음중간

문서 끝

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