[가상 면접 사례로 배우는 대규모 시스템 설계 기초] 11. 뉴스 피드 시스템 설계

1. 개요

• 11장에서는 뉴스 피드 시스템 설계 문제를 다룬다.

1.1. 뉴스 피드 란?

• 페이스북의 도움말 페이지에서는 뉴스 피드를 다음과 같이 설명하고 있다.
• 홈 페이지 중앙에 지속적으로 업데이트되는 스토리들
• 사용자 상태 정보 업데이트, 사진, 비디오, 링크, 앱 활동(app activity), 팔로워, 팔로우, 페이지, 좋아요 등을 포함

2. 문제 이해 및 설계 범위 확정

2.1. 시스템 요구사항

• 사용자는 뉴스 피드 페이지에 새로운 스토리를 올릴 수 있어야 하고, 친구들이 올리는 스토리를 볼 수도 있어야 한다.

• 뉴스 피드는 시간 흐름 역순으로 표시된다.

• 한 명의 사용자는 최대 5,000명의 친구를 가질 수 있다.

• 매일 천만 명이 서비스를 방문한다.

• 피드에는 이미지나 비디오 등의 미디어 파일도 포함될 수 있다.

3. 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

• 지금부터 살펴볼 설계안은 두 가지 부분으로 나뉘어 있다.
1. 피드 발행:
• 사용자가 스토리를 포스팅하면 해당 데이터를 캐시와 데이터베이스에 기록한다.
• 새 포스팅은 친구의 뉴스 피드에 전송한다.
2. 뉴스 피드 생성:
• 뉴스 피드는 모든 친구의 포스팅을 시간 흐름 역순으로 모아서 만든다고 가정한다.

3.1. 뉴스 피드 API

• 뉴스 피드 API는 클라이언트가 서버와 통신하기 위해 사용하는 수단이다. (HTTP 기반)

POST /v1/me/feed

• 새 스토리를 포스팅하기 위한 API

• 인자:
• 바디(body): 포스팅 내용
• Authorization 헤더: API 호출을 인증하기 위해 사용

GET /v1/me/feed

• 뉴스 피드를 가져오는 API

• 인자:
• Authorization 헤더: API 호출을 인증하기 위해 사용

3.2. 피드 발행

• 사용자: 모바일 앱이나 브라우저에서 새 포스팅을 올리는 주체

• 로드밸런서: 트래픽을 웹 서버들로 분산

• 웹 서버: HTTP 요청을 내부 서비스로 중계하는 역할을 담당

• 포스팅 저장 서비스(post service): 새 포스팅을 데이터베이스와 캐시에 저장

• 포스팅 전송 서비스(fanout service): 새 포스팅을 친구의 뉴스 피드에 푸시(push)하여, 뉴스 피드 데이터를 빠르게 읽어갈 수 있도록 함.

• 알림 서비스(notification service): 친구들에게 새 포스팅이 올라왔음을 알리거나, 푸시 알림을 보내는 역할

3.3. 뉴스 피드 생성

• 뉴스 피드 서비스(news feed service): 캐시에서 뉴스 피드를 가져오는 서비스

• 뉴스 피드 캐시(news feed cache): 뉴스 피드를 렌더링할 때 필요한 피드 ID를 보관

4. 상세 설계

4.1. 피드 발행

• 대부분의 컴포넌트는 개략적 설계안에서 다룬 정도로 충분할 것이라, 웹 서버와 포스팅 전송 서비스(fanout service)에 초점을 맞추어서 살펴보자.

• 클라이언트와 통신할 뿐 아니라 인증이나 처리율 제한 등의 기능도 수행한다.

• 인증: 올바른 인증 토큰을 Authorization 헤더에 넣고 API를 호출하는 사용자만 포스팅 수행 가능하도록 하는 역할

• 처리율 제한: 스팸을 막고 유해한 콘텐츠가 자주 올라오는 것을 방지하기 위해서 특정 기간 동안 한 사용자가 올릴 수 있는 포스팅 수를 제한

• 포스팅 전송(팬아웃)은 어떤 사용자의 새 포스팅을 그 사용자와 친구 관계에 있는 모든 사용자에게 전달하는 과정이다.

• 팬아웃에는 두 가지 모델이 존재한다.
1. 쓰기 시점에 팬아웃(fanout-on-write)하는 모델
2. 읽기 시점에 팬아웃(fanout-on-read)하는 모델

• 새로운 포스팅을 기록하는 시점에 뉴스 피드를 갱신하는 방법

• 다시 말해, 포스팅이 완료되면 바로 해당 사용자의 캐시에 해당 포스팅을 기록(pre-computed)하는 것이다.

• 장점
• 빠른 조회: 뉴스 피드를 읽는 데 드는 시간이 짧아진다.

• 단점
• 핫키(hotkey) 문제: 친구가 많은 사용자의 경우 친구 목록을 가져오고 그 목록에 있는 사용자 모두의 뉴스 피드를 갱싱하는 데 많은 시간이 소요될 수 있다.
• 자원 낭비: 서비스를 자주 이용하지 않는 사용자의 피드까지 갱신해야 하므로 컴퓨팅 자원이 낭비된다.

• 피드를 읽어야 하는 시점에 뉴스 피드를 갱신하는 방법 (on-demand)

• 사용자가 본인 홈페이지나 타임라인을 로딩하는 시점에 새로운 포스트를 가져오게 된다.

• 장점
• 효율적인 자원 사용: 비활성화된 사용자, 또는 서비스에 거의 로그인하지 않는 사용자의 경우에는 이 모델이 유리하다. 로그인하기까지는 어떤 컴퓨팅 자원도 소모하지 않아서다.
• 핫키(hotkey) 문제 방지: 데이터를 친구 각각에 푸시하는 작업이 필요 없으므로 핫키 문제도 생기지 않는다.

• 단점
• 성능 문제: 뉴스 피드를 읽는 데 많은 시간이 소요될 수 있다.

• 본 책에서는 이 두가지 방법을 결합하여 장점은 취하고 단점은 버리는 전략을 취한다.
• 대부분의 사용자에 대해서는 푸시 모델을 사용한다.
• 팔로어가 아주 많은 사용자의 경우에는 팔로어로 하여금 해당 사용자의 포스팅을 필요할 때 가져가도록 하는 풀 모델을 사용한다.

• 또한, 안정 해시(consistent hashing)을 통해 요청과 데이터를 보다 고르게 분산하여 핫키 문제를 줄인다.

• 위 그림은 설계안 가운데 팬아웃 서비스에 관한 부분만 따로 떼어냈다. 지금부터 이 부분을 더 자세히 살펴보자.

• 팬아웃 서비스는 다음과 같이 동작한다.
1. 그래프 데이터베이스에서 친구 ID 목록을 가져온다.
2. 사용자 정보 캐시에서 친구들의 정보를 가져온다.
• 친구 중 누군가의 피드 업데이트를 무시하기로 설정(mute)하거나,
• 새로 포스팅된 스토리가 일부 사용자에게만 공유되도록 설정된 경우를 처리
3. 친구 목록과 새 스토리의 포스팅 ID를 메시지 큐에 넣는다.
4. 팬아웃 작업 서버가 메시지 큐에서 데이터를 꺼내어 뉴스 피드 데이터를 뉴스 피드 캐시에 넣는다.
• 뉴스 피드 캐시는 <포스팅 ID, 사용자 ID>의 순서쌍을 보관하는 매핑 테이블
• 이때 주의할 점은 ID만 저장한다. 정보 전체를 모두 저장하게 되면 메모리 요구량이 지나치게 늘어날 수 있기 때문이다.
• 또한 메모리 크기를 적정 수준으로 유지하기 위해서, 이 캐시의 크기에 제한을 두며, 해당 값은 조정이 가능하도록 한다. 어떤 사용자가 뉴스 피드에 올라온 수천 개의 스토리를 전부 훑어보는 일이 벌어질 확률은 지극히 낮기 때문이다.

4.2. 피드 조회

• 이미지나 비디오와 같은 미디어 콘텐츠는 CDN에 저장하여 빨리 읽어갈 수 있도록 한다.

• 클라이언트가 뉴스 피드를 어떻게 읽어가는지 단계별로 살펴보자.
1. 사용자가 뉴스 피드를 읽으려는 요청을 보낸다. (GET /v1/me/feed)
2. 로드밸런서가 요청을 웹 서버 가운데 하나로 보낸다.
3. 웹 서버는 피드를 가져오기 위해 뉴스 피드 서비스를 호출한다.
4. 뉴스 피드 서비스는 뉴스 피드 캐시에서 포스팅 ID 목록을 가져온다.
5. 뉴스 피드에 표시할 사용자 이름, 사용자 사진, 포스팅 콘텐츠, 이미지 등을 사용자 캐시와 포스팅 캐시에서 가져와 완전한 뉴스 피드를 만든다.
6. 생성된 뉴스 피드를 JSON 형태로 클라이언트에게 보낸다. 클라이언트는 해당 피드를 렌더링한다.

4.3. 캐시 구조

• 캐시는 뉴스 피드 시스템의 핵심 컴포넌트다.

• 본 설계안의 경우에는 위 그림과 같이 캐시를 다섯 계층으로 나눈다.
• 뉴스 피드: 뉴스 피드의 ID를 보관한다.
• 콘텐츠: 포스팅 데이터를 보관한다. 인기 콘텐츠는 따로 보관한다.
• 소셜 그래프: 사용자 간 관계 정보를 보관한다.
• 행동(action): 포스팅에 대한 사용자의 행위에 관한 정보를 보관한다. 포스팅에 대한 ‘좋아요’, 답글 등이 이에 해당한다.
• 횟수(counter): ‘좋아요’ 횟수, 응답 수, 팔로어 수, 팔로잉 수 등의 정보를 보관한다.

5. 마무리

• 지금까지 뉴스 피드 시스템을 설계하면서, 뉴스 피드 발행과 생성의 두 부분으로 구성되어 있다.

• 다른 설계 면접 문제와 마찬가지로, 이번 문제에도 정답은 없다.

• 회사마다 독특한 제약이나 요구조건이 있기 때문에, 시스템을 설계할 때는 그런 점을 고려해야만 한다.

• 설계를 진행하고 기술을 선택할 때는 그 배경에 어떤 타협적 결정들(trade-off)이 있었는지 잘 이해하고 설명할 수 있어야 한다.