8장 URL 단축기 설계

가상 면접 사례로 배우는 대규모 시스템 설계 기초 – System Design Interview

개인적으로 URL 단축기를 만들어 쓰고 있는데
(공개할만한 수준은 아니기에 개인적인 용도로만 사용하고 있다.)
내가 만든 단축기의 경우, Firebase에서 제공하는 hosting에 Firebase의 database 기능을 이용해서 사용하고 있다보니 고려해야 할 부분이 적었다.
unique 한 id 생성에 대한 부분도 firebase 자체 기능을 이용해서 크게 신경 쓸 부분이 없었는데 이 책에서는 베이스부터 어떻게 설계해야 하는지에 대해서 설명해줘서 개인적으로 재밌게 보았다.

tinyurl 같은 url 단축기를 설계해보자.

1단계 문제 이해 및 설계 범위 확정

시스템 설계 면접 문제는 의도적으로 어떤 정해진 결말을 갖지 않도록 만들어진다 따라서 면접장에서 시스템을 성공적으로 설계해내려면 질문을 통해 모호함을 줄이고 요구사항을 알아내야 한다.

질문 예시

- 어떻게 동작해야하는지 예제를 보여주실 수 있을까요?
- 트래픽 규모는 어느정도 일까요?
- 단축 URL의 길이는 어느 정도여야 하나요?
- 단축 URL에 포함될 문자에 제한이 있습니까?
- 단축 URL을 시스템에서 지우거나 갱신할 수 있습니까?

이 시스템의 기본적 기능은 아래와 같다.

1. URL 단축 : 주어진 긴 URL을 훨씬 짧게 줄인다.
2. URL 리다이렉션(redirection): 축약된 URL로 HTTP 요청이 오면 원래 URL로 안내
3. 높은 가용성과 규모 확장성, 그리고 장애 감내가 요구됨

개략적 추정

- 쓰기 연산: 매일 1억 개의 단축 URL 생성
- 초당 쓰기 연산: 1억 / 24 / 3600 = 1160
- 읽기 연산: 읽기 연산과 쓰기 연산 비율은 10:1이라고 하자. 그 경우 읽기 연산은 초당 11,600회 발생한다(1160 x 10 = 11,600)
- URL 단축 서비스를 10년간 운영한다고 가정하면 1억 x 365 x 10 = 3650억 개의 레코드를 보관해야 한다.
- 축약 전 URL의 평균 길이는 100이라고 하자.
- 따라서 10년 동안 필요한 저장 용량 3650억 x 100바이트 = 36.5TB 이다.

* 위 개략적 추정은 질문을 통해 답변 받은것을 통해서 계산하는 것이며 계산이 끝나면 결과를 면접관과 점검하여 합의한 후에 진행하도록 하자.

2단계 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

API 엔드포인트

REST API로 설계하는걸 가정한다.

URL 단축기는 기본적으로 두 개의 엔드포인트를 필요로 한다.

1. URL 단축용 엔드포인트
POST /api/v1/data/shorten
인자: { longUrl: longURLstring }
반환: 단축 URL

2. URL 리다이렉션용 엔드포인트
GET /api/v1/shortUrl
반환: HTTP 리다이렉션 목적지가 될 원래 URL

URL 리다이렉션

이 책에서는 301, 302 응답 코드를 통한 리다이렉트 방법에 대해서 설명한다.

각각의 차이는 요약하면 다음과 같다.

301 Permanently Moved : 해당 URL에 대한 HTTP 요청의 처리 책임이 영구적으로 Location 헤더에 반환된 URL로 이전되었다는 응답이다. 영구적이기 때문에 브라우저는 이 응답을 캐시한다.
* Permanently : 영구적으로

302 Found : 해당 URL에 대한 HTTP 요청이 “일시적으로” Location 헤더가 지정하는 URL에 의해 처리되어야 한다는 응답이다. 따라서 클라이언트의 요청은 언제나 원래 URL을 거친 후 리다이렉션이 진행된다.

서버 부하를 줄이는 것이 중요하다면 301을, 트래픽 분석이 필요할 때는 302를 쓰는 것이 유리할 것이다.

URL 단축

단축 URL이 www.tinyurl.com/[hashValue] 같은 형태라고 해 보자. 결국 중요한 것은 긴 URL을 이 해시 값으로 대응시킬 해시 함수 fx를 찾는 일이 될 것이다.

해시 함수는 다음 요구사항을 만족해야 한다.

- 입력으로 주어지는 긴 URL이 다른 값이면 해시 값도 달라야 한다.
- 계산된 해시 값은 원래 입력으로 주어졌던 긴 URL로 복원될 수 있어야 한다.

3단계 상세설계

데이터 모델

<단축 URL, 원래 URL>의 순서쌍을 데이터베이스에 저장
* 책에는 관계형 데이터베이스로 이야기 하는데 굳이 관계형 데이터베이스여야 할까 싶다.

해시 함수

해시 함수는 원래 URL을 단축 URL로 변환하는데 쓰인다. 편의상 해시 함수가 계산하는 단축 URL값을 hashValue라고 지칭한다.

자릿수 정하기

URL 에 담길수 있는 영역은 숫자와 영문자이다. ([0-9, a-z, A-Z])
(책에서는 문제 이해 과정에서 먼저 짚고 넘어간다.)

따라서 사용할 수 있는 문자의 개수는 10 + 26 + 26 = 62개 이다.

우리는 3650억개의 레코드를 보관할 수 있도록 하는 것을 고려해야 하기 때문에 몇 자리의 문자가 필요한지 계산해보면 다음과 같다.

따라서 7자리로 3.5조 개의 URL을 커버할 수 있다.

해시후 충돌 해소

잘 알려진 해시 함수 (CRC32, MD5, SHA-1 등) 를 이용한다.

다만 이러한 해시 함수를 사용하면 자릿수가 길기 때문에 필요한 만큼만 잘라서 쓴다.

이렇게 될 경우 중복이 발생될 가능성이 높아지는데, 이를 해결하기 위해 중복이 발생되었을 경우 사전에 정한 문자열을 해시값에 덧붙인 후 다시 해시 함수를 거치게 한다.

블룸 필터를 사용하면 중복 확인을 위해 DB 재조회를 하는 오버헤드를 줄일 수 있다.

base-62 변환

62진법은 수를 표현하기 위해 총 62개의 문자를 사용하는 진법이다.

0은 0으로, 9는 9로, 10은 a로, 11은 b로, … 35는 z로, 36은 A로 … 61은 Z로 대응시켜 표현하도록 한다.

따라서 62진법에서 ‘a’ 는 10을, ‘Z’ 는 61을 나타낸다. 

* base64 는 여기서 ‘+’ 와 ‘/’ 가 추가된 형태이다.
https://ko.wikipedia.org/wiki/베이스64
base64가 있는데 굳이 base62를 쓰는 이유는 ‘/’ 가 들어가면 url이 꼬이기 때문이다.

두 접근법 비교

URL 단축기 상세 설계

URL 단축기는 시스템의 핵심 컴포넌트이므로, 그 처리 흐름이 논리적으로는 단순해야 하고 기능적으로는 언제나 동작하는 상태로 유지되어야 한다.

본 책에서는 62진법(base62) 변환 기법을 사용해 설계한다.

1. 입력으로 긴 URL을 받는다.
2. 데이터베이스에 해당 URL이 있는지 검사한다.
3. 데이터베이스에 있다면 해당 URL에 대한 단축 URL을 만든 적이 있다는 것이다. 따라서 데이터베이스에서 해당 단축 URL을 가져와서 클라이언트에게 반환한다.
4. 데이터베이스에 없는 경우에는 해당 URL은 새로 접수된 것이므로 유일한 ID를 생성한다. 이 ID는 데이터베이스의 기본 키로 사용된다.
5. 62진법 변환을 적용, ID를 단축 URL로 만든다.
6. ID, 단축 URL, 원래 URL로 새 데이터베이스 레코드를 만든 후 단축 URL을 클라이언트에 전달한다.

* ID는 전역적 유일성이 보장되어야 한다. 7장의 내용을 참고하자. 

URL 리다이렉션 상세 설계

쓰기보다 읽기를 더 자주하는 시스템이라, 캐시에 저장하여 성능을 높였다.

로드밸런서의 동작 흐름은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 사용자가 단축 URL을 클릭한다.
2. 로드밸런서가 해당 클릭으로 발생한 요청을 웹 서버에 전달한다.
3. 단축 URL이 이미 캐시에 있는 경우에는 원래 URL을 바로 꺼내서 클라이언트에게 전달한다.
4. 캐시에 해당 단축 URL이 없는 경우에는 데이터베이스에서 꺼낸다. 데이터베이스에 없다면 아마 사용자가 잘못된 단축 URL을 입력한 경우일 것이다.
5. 데이터베이스에서 꺼낸 URL을 캐시에 넣은 후 사용자에게 반환한다.

4단계 마무리

설계를 마친 후에도 시간이 좀 남는다면 다음과 같은 것을 면접관과 이야기 할 수 있을 것이다.

- 처리율 제한 장치: 4장 참고

- 웹 서버의 규모 확장: 본 설계에 포함된 웹 계층은 무상태 계층이므로, 웹 서버를 자유로이 증설하거나 삭제할 수 있다.

- 데이터베이스의 규모 확장: 데이터베이스를 다중화하거나 샤딩하여 규모 확장성을 달성할 수 있다.

- 분석 솔루션: 성공적인 비즈니스를 위해서는 데이터가 중요하다. URL 단축기에 데이터 분석 솔루션을 통합해두면 어떤 링크를 얼마나 많은 사용자가 클릭했는지, 언제 주로 클릭했는지 등 중요한 정보를 알아낼 수 있을 것이다.

- 가용성, 데이터 일관성, 안정성

정리하면서 든 생각

* 개인적으로는 ID가 있는데 단축 URL도 컬럼으로 둬야하는가에 대한 생각이 들었다.

책에서 든 예시는 다음과 같았다.

여기서 shortURL에 들어갈 값은 62진법으로 계산된 ID 이고, 이 값은 uuid와 다르게 랜덤한 것 이 아니라 순차적인 값이다.

1. 그럼 shortURL이 ID 컬럼으로 사용해서 백엔드에서 62진법으로 1씩 올려서 DB에 저장

2. 아니면 ID와 longURL 만 DB에 저장하고 백엔드에서 ID를 62진법으로 계산해서 클라이언트에게 전달.

이렇게 한다면

- 컬럼은 2개로 줄어들게 되지만 백엔드(or 클라이언트) 단에서 매번 base62 처리를 해줘야 하는게 더 코스트가 큰가? 처리를 마친 것을 캐시 서버에 넣는다면?

이라는 추가적인 생각이 또 들었다. 

fin.