11.뉴스 피드 시스템 설계

대규모 시스템 설계 기초 11장을 요약한 내용입니다.

뉴스 피드(news feed)

뉴스 피드는 여러분의 홈 페이지 중앙에 지속적으로 업데이트되는 스토리들로, 사용자 상태 정보 업데이트, 사진, 비디오, 링크, 앱 활동, 그리고 여러분이 페이스북에서 팔로하는 사람들, 페이지, 또는 그룹으로부터 나오는 '좋아요'등을 포함한다.
- 페이스북 -

1단계: 문제 이해 및 설계 범위 확정

지원해야 하는 기능

모바일 앱, 웹 동시 지원
사용자는 뉴스 피드 페이지에 새로운 스토리를 올릴 수 있어야 하고, 친구들이 올리는 스토리를 볼 수도 있어야 함.
스토리 순서는 단순히 시간 흐름 역순
한 명의 사용자는 최대 5000명의 친구를 가질 수 있음
트래픽 규모는 매일 천만 명이 방문하는 것으로 가정(10 million DAU)
스토리에는 이미지나 비디오 등의 미디어 파일이 포함될 수 있음.

2단계: 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

뉴스 피드 시스템 설계안은 피드 발행(feed publishing)과 뉴스 피드 생성(news feed building) 두 가지 부분으로 나눈다.

피드 발생: 사용자가 스토리를 포스팅하면 해당 데이터를 캐시와 데이터배이스에 기록
뉴스 피드 생성: 뉴스 피드는 모든 친구의 포스팅을 시간 흐름 역순으로 모아서 만드는 것으로 가정

뉴스 피드 API

클라이언트가 서버와 통신하기 위해 사용하는 수단

HTTP 프로토콜 기반, 상태 정보 업데이트, 뉴스 피드 가져오기, 친구 추가 등의 다양한 작업을 수행하는 데 사용

피드 발행 API

새 스토리를 포스팅하기 위한 API. HTTP POST 형태로 요청을 전송

POST /v1/me/feed
body: 포스팅 내용에 해당
Authorization header: API 호출을 인증하기 위해 사용

피드 읽기 API

뉴스 피드를 가져오는 API

GET /v1/me/feed
Authorization header: API 호출을 인증하기 위해 사용

피드 발행

피드 발행 시스템의 개략적 형태

사용자: 모바일 앱이나 브라우저에서 새 포스팅을 올리는 주체
- POST /v1/me/feed API 사용
로드밸런서(load balancer): 트래픽을 웹 서버들로 분산
웹 서버: HTTP 요청을 내부 서비스로 중계하는 역할을 담당
포스팅 저장 서비스(post service): 새 포스팅을 DB와 캐시에 저장
포스팅 전송 서비스(fanout service): 새 포스팅을 친구의 뉴스 피드에 푸시. 뉴스 피드 데이터는 캐시에 보관하여 빠르게 읽어갈 수 있도록 한다.
알림 서비스(notification service): 친구들에게 새 포스팅이 올라왔음을 알리거나, 푸시 알림을 보내는 역할을 담당

뉴스 피드 생성

뉴스 피드 생성의 개략적인 설계

사용자: 뉴스 피드를 읽는 주체. POST /v1/me/feed API 이용
로드밸런서: 트래픽을 웹 서버들로 분산
웹 서버: 트래픽을 뉴스 피드 서비스로 전달
뉴스 피드 서비스(news feed service): 캐시에서 뉴스 피드를 가져오는 서비스
뉴스 피드 캐시(news feed cache): 뉴스 피드를 렌더링할 때 필요한 피드 ID 보관

3단계: 상세 설계

피드 발행 흐름의 상세 설계안

피드 발행 흐름 상세 설계

웹 서버

클라이언트와 통신뿐 아니라 인증이나 처리율 제한 등의 기능도 수행
올바른 인증 토큰을 Authorization 헤더에 넣고 API를 호출하는 사용자만 포스팅할 수 있도록 제한
특정 기간 동안 한 사용자가 올릴 수 있는 포스팅 수에 제한

포스팅 전송(fanout service) 서비스

어떤 사용자의 새 포스팅을 그 사용자와 친구 관계에 있는 모든 사용자에게 전달하는 과정 팬아웃에는 두 가지 모델이 존재

쓰기 시점에 팬 아웃(fanout-on-write, push model)
읽기 시점에 팬아웃(fanout-on-read, pull model)

쓰기 시점에 팬아웃하는 푸시 모델

새로운 포스팅을 기록하는 시점에 뉴스 피드를 갱신
포스팅이 완료되면 바로 해당 사용자의 캐시에 해당 포스팅을 기록
장점)
- 뉴스 피드가 실시간으로 갱신되며, 친구 목록에 있는 사용자에게 즉시 전송
- 새 포스팅이 기록되는 순간에 뉴스 피드가 이미 갱신되므로 뉴스 피드 로딩 시간 단축
단점)
- 친구가 많은 사용자의 경우 뉴스 피드 갱신에 많은 시간 소요(hotkey 문제 발생)
- 서비스를 자주 이용하지 않는 사용자 피드까지 갱신해야 하므로 컴퓨팅 자원 낭비

읽기 시점에 팬아웃하는 풀 모델

피드를 읽어야 하는 시점에 뉴스 피드를 갱신. 요청 기반 모델(on-demand model)
사용자가 홈페이지나 타임라인을 로딩하는 시점에 새로운 포스트를 가져오게 된다.
장점)
- 비활성 사용자 또는 서비스에 거의 로그인하지 않는 사용자의 경우 이 모델이 유리(로그인하기까지 어떠한 컴퓨팅 자원도 소모하지 않음)
- 데이터를 친구 각각에 푸시하는 작업이 없으므로 hotkey 문제도 발생하지 않음
단점)
- 뉴스 피드를 읽는 데 많은 시간이 소요될 수 있음

두 가지 방법(쓰기 시점, 읽기 시점)을 결합하여 장점은 취하고 단점은 버리는 전략

뉴스 피드를 빠르게 가져올 수 있도록 하는 것은 중요하므로, 대부분의 사용자에 대해서는 푸시 모델을 사용
친구나 팔로어가 많은 사용자의 경우 팔로어로 하여금 해당 사용자의 포스팅을 필요할 때 가져가도록 하는 풀 모델 사용으로 시스템 과부하 방지
안정 해시(consistent hashing)을 통해 요청과 데이터를 보다 고르게 분산하여 hotkey 문제를 줄이기

두 모델을 결합한 팬아웃 서비스

(1) 그래프 DB에서 친구 ID 목록 가져오기.
- (그래프 DB는 친구 관계나 친구 추천을 관리하기 적합)
(2) 사용자 정보 캐시에서 친구 정보 가져오기.
- 사용자 설정에 따라 친구 가운데 일부 걸러내기(피드 업데이트 무시, 일부 사용자에게 공유 설정..)
(3) 친구 목록과 새 스토리의 포스팅 ID를 메시지 큐에 삽입
(4) 팬아웃 작업 서버가 메시지 큐에서 데이터를 꺼내어 뉴스 피드 데이터를 뉴스 피드 캐시에 삽입
- 뉴스 피드 캐시는 <포스팅ID, 사용자ID> 순서쌍을 보관하는 매핑 테이블
- 메모리 요구량이 지나치게 늘어나는 것을 방지하기 위해 사용자, 포스팅 ID만 저장
- 대부분 사용자가 보려 하는 것은 최신 스토리이므로 캐시 미스가 일어날 확률은 낮음

피드 읽기 흐름 상세 설계

이미지나 비디오 같은 미디어 콘텐츠는 CDN에 저장하여 빨리 읽어갈 수 있도록 세팅
(1) 사용자가 뉴스 피드를 읽으려는 요청 전송
- /v1/me/feed로 전송
(2) 로드밸런서가 요청을 웹 서버 가운데 하나로 전송
(3) 웹 서버는 피드를 가져오기 위해 뉴스 피드 서비스 호출
(4) 뉴스 피드 서비스는 뉴스 피드 캐시에서 포스팅 ID 목록 조회
(5) 뉴스 피드에 표시할 사용자 이름, 사진, 포스팅 콘텐츠, 이미지 등을 사용자 캐시와 포스팅 캐시에서 가져와 완전한 뉴스 피드 생성
(5) 생성된 뉴스 피드를 JSON 형태로 클라이언트에게 전송. 클라이언트는 해당 피드를 렌더링

캐시 구조

캐시는 뉴스 피드 시스템의 핵심 컴포넌트.

뉴스 피드: 뉴스 피드의 ID를 보관
콘첸츠: 포스팅 데이터를 보관 (인기 콘텐츠는 따로 보관)
소셜 그래프: 사용자 간 관계 정보를 보관
행동: 포스팅에 대한 사용자의 행위에 관한 정보를 보관 (좋아요, 답글 등.)
횟수: 좋아요, 응답 수, 팔로어 수, 팔로잉 수 등의 정보 보관

4단계: 마무리

추가로 다루면 좋을 만한 주제

데이터베이스 규모 확장

수직적 규모 확장 vs 수평적 규모 확장
SQL vs NoSQL
주-부(master-slave) 다중화
replica에 대한 읽기 연산
일관성 모델
데이터베이스 샤딩

논의해 보면 좋을 만한 주제

웹 계층을 무상태로 운영하기
가능한 한 많은 데이터를 캐시할 방법
여러 데이터 센터를 지원할 방법
메시지 큐를 사용하여 컴포넌트 사이의 결합도 낮추기
핵심 메트릭에 대한 모니터링
- 트래픽이 몰리는 시간대의 QPS(Queries per Second)
- 사용자가 뉴스 피드를 새로고침 할 때의 지연시간 등.

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