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마이크로 서비스 아키텍쳐와 컨테이너

조대협 (http://bcho.tistory.com)

모노리틱 아키텍처

마이크로 서비스 아키텍쳐를 이해하려면 먼저 이에 상반되는 모노리틱 아키텍쳐를 이해할 필요가 있다. 모노리틱 아키텍쳐는 전통적인 아키텍쳐 스타일로 애플리케이션이 하나의 서버에 배포 되고, 데이타 베이스도 마찬가지로 하나의 데이타 베이스에 모든 데이타를 저장하는 방식이다.


예전에 하나의 큰 서버를 놓고, 그 안에 하나의 애플리케이션으로 개발하는 방식인데, 수퍼돔과 같이 큰 머신을 하나 놓고, 오라클 데이타베이스에 모든 데이타를 저장하고, 애플리케이션 바이너리를 하나로 개발하는 방식이다. 중앙 관리된 구조에서 통제가 편리하고, 같은 솔루션을 사용한다는데 있어서 장점이 있다.

마이크로 서비스 아키텍처

마이크로 서비스 아키텍처 (Micro service architecture,이하 MSA)는 비지니스 기능 마다 애플리케이션 서버와 데이타 베이스 서버를 분리하는 방식이다.

아래 그림과 같이 상품 정보, 상품 리뷰, 상품 상세 정보 서비스를 각각 별도의 애플리케이션으로 나누고 데이타 베이스도 각각 나누는 방식이다.  


이렇게 서버를 나누는 이유는 몇가지가 있는다.

첫번째는 서비스를 개발하는 조직이 다른 경우, 각 조직에 서비스 기획,개발,운영에 대한 독립적인 권한을 부여함으로써, 각 서비스 개발을 할때 다른 서비스에 대한 의존성이 없이 빠르게 개발할 수 있게 하는 목적을 가진다.

두번째는 인프라의 변화에 의한 요인을 들 수 있는데, 기존에는 수억의 고성능 서버에 하나의 애플리케이션을 넣는 방식을 이용했다면 근래에는 x86 서버기반으로 상대적으로 저비용,저성능 서버를 더 많이 사용하는 방식을 이용하기 때문에 하나의 큰 애플리케이션을 만드는 것보다, 작은 애플리케이션으로 나눠서 여러 서버에 분산하는 것이 유리하기 때문이다.

모노리틱 아키텍쳐와 비교

모노리틱 아키텍쳐에 비해서, 마이크로 서비스 아키텍쳐는 앞에서 언급한바와 같이 서비스 개발에 대해서 독립성을 가짐으로써 개발의 속도를 높일 수 있는 장점이 있고, 이외에도 서비스별로 다른 기술을 사용할 수 있다는 장점이 있는데, 이는 서비스 특성에 따라서 적절한 기술을 사용할 수 있다는 것을 의미한다.


반드시 장점만 있는 것이 아니라, 단점도 있는데, 여러가지 기술을 혼용해서 사용하다 보니, 그 기술의 표준을 통제하기가 어렵다. 희귀한 기술로 개발을 진행한 서비스가 있을때 개발자가 팀을 떠나게 되면, 해당 서비스를 계속해서 유지하기 어려울 수 있고, 같은 기술을 사용하더라도 프레임웍이나 코드 표준화 개발 프로세스 표준화 등에서 어려움을 겪을 수 있다.

마이크로 서비스 아키텍쳐가 어려운점 중의 하나는 서비스가 증가될 수 록, 서비스간의 연계가 복잡해져서 장애가 발생했을때 어느 서비스에서 장애가 발생했는지 찾아서 조치하는 것이 어렵다는 것이다. 그래서 마이크로서비스에서는 특히 분산된 서비스간의 모니터링을 구현하는데 더 많은 노력을 기울여야 한다.

조직 구조

마이크로 서비스의 목적은 서비스를 작은 단위로 쪼겐 후에, 각 팀이 각 서비스에 대한 개발과 운영 전체에 대한 책임을 부여함으로써, 서비스 개발의 속도를 높이는데 있다. 그래서, 마이크로 서비스 아키텍쳐를 적용하는데 있어서 가장 중요한 것은 조직 구조이다.


소프트웨어 아키텍쳐와 조직문화에 대해서 재미있는 이론이 하나 있는데, 콘웨이의 법칙이다.  콘웨이의 법칙은 “소프트웨어 아키텍쳐는, 소프트웨어를 개발하는 팀의 구조를 따라간다" 라는 이론이다.

이를 재 해석하면 마이크로 서비스 아키텍쳐에서 서비스의 분류 단위는 이를 개발하는 팀의 단위가 된다.


아무리 아키텍쳐를 논리적으로 잘 설계해서 서비스별로 나눴다하더라도, 팀의 구조와 맞지 않으면, 결국에는 아키텍쳐가 무너진다. 예전에 시스템을 설계할때, 미국,캐나다,인도,한국팀으로 팀을 나눠서 일한적이 있었다. 마이크로 서비스 아키텍쳐를 도입했었는데, 개발을 진행함에 따라서 서비스 컴포넌트의 기능이 처음 설계대로 진행되지 않고 한쪽으로 몰리는 현상이 발생하게 되었다. 한국에 기획이 있었기 때문에 비지니스에 연계된 결정은 대부분 한국에서 나오게 되었고 많은 커뮤니케이션이 필요하였기 때문에, 한국팀이 상대적으로 비지니스에 연계된 중요 컴포넌트를 많이 맏게 되었다. 미국과 캐나다는 기술이 상대적으로 좋았기 때문에 기술 난이도가 높은 기능들이 미국과 캐나다 서비스로 몰리게 되었고, 시간대가 같기 때문에 커뮤니케이션이 활발하게 일어났고 결과적으로 미국과 캐나다 서비스는 타이트하게 서로 맞물리는 구조가 되었다.

인도의 경우 시간대가 다르고 커뮤니케이션의 어려움 때문에 한번 커뮤니케이션하는데 시간이 많이 소요되었고 그로 인해서 상대적으로 덜 중요한 기능이 인도팀으로 점점 배정되었다.


사례에서 볼 수 있듯이, 마이크로 서비스 아키텍쳐 설계에서 가장 중요한 점은 기술적으로 아키텍쳐를 잘 설계하는 것이 아니라, 팀의 구조를 아키텍쳐에 맞는 구조로 만들고, 그 안에 원할한 커뮤니케이션 환경을 만들어주는 것이 가장 중요하다.  

조직문화

팀을 분할해서 독립성을 부여해서 개발의 속도를 높일려면 단순하게 팀만을 분할해서는 불가능하다. 각 팀이 맏은 컴포넌트 또는 서비스에 개발에 대한 독립적인 책임을 부여하려면 권한도 같이 부여해야 한다.

기존의 모노리틱 시스템의 개발팀을 운영하는 구조가 중앙 조직이 의사 결정을 하고 전체 프로젝트를 진행하는 중앙 집중형 거버넌스 모델이었다면, 마이크로 서비스 아키텍쳐는 설계와 프로젝트 진행 각각에 대한 의사 결정을 각 서비스 팀에 내리는 분산형 거버넌스 구조가 바람직하다. 중앙팀에서 의사 결정을 받고 그에 따라 개발을 진행하면 커뮤니케이션 오버헤드가 발생하고 그로 인하여 빠른 개발이 어렵기 때문에 그 권한을 개발 주체에게 분산하는 모델이다.


의사 결정 권한을 각 팀에게 분산하려면 각 팀이 의사 결정을 할 수 있는 능력이 있는 팀 구조가 되어야 한다.

팀내에서 의사 결정을 하고 스스로 서비스를 개발할 수 있는 능력을 갖춰야 하는데, 이를 위해서는 기획,개발, 테스트 및 운영등 모든 역할이 한 팀안에 있어야 한다. 팀의 크기는 보통 5~8명 정도가 적절한데, 이를 2-피자팀이라고도 이야기 한다. (2개의 피자로 팀원들이 모두 먹을 수 있는 정도의 팀의 크기) 이 인원을 넘어서면 커뮤니케이션이 어려워지고 작으면 제대로 된 서비스를 개발하기 어렵기 때문에 이 정도 팀의 크기를 추천한다.


DEVOPS

Devops는 운영과 개발을 한팀에서 하는 모델을 말하는데, 팀이 개발과 운영을 모두 담당함으로써 개발과 운영 사이에서 오는 간극을 해결하고 개발된 시스템을 빠르게 배포하고, 운영 과정에서 얻은 노하우를 개발에 반영해서 시장의 요구 사항에 빠르게 반응 하는데 그 목적을 둔다.

개발과 운영을 한팀에서 담당함에도 불구하고,  Devops 엔지니어, SRE (Site Reliability engineer)등과 같이 기존의 운영팀이 하던 일을 하는 역할이 여전히 남아 있는데, 그렇다면 Devops로 넘어왔음에도 불구하고 이러한 역할이 계속 남아 있는 이유와 정확한 역할은 무엇일까?


앞에서도 언급했듯이 Devops는 개발팀이 개발/배포/운영을 모두 담당하는 셀프 서비스 모델이다. 셀프 서비스를 하기 위해서는 인프라가 플랫폼화 되어 있어야 한다. 개발팀이 직접 데이타 센터에 가서 서버를 설치하고 OS를 설치하고 네트워크 구성을 하기는 어렵고, 온라인으로 서버를 설치하고 네트워크를 구성할 수 있어야 하고, 무엇보다 쉬워야 한다. 인프라 구성뿐 아니라 그위에 소프트웨어를 쉽게 빌드 및  배포하고 운영 중인 시스템에 대한 모니터링이 가능해야 하는데, 이러한 인프라를 일일이 구성하기는 어렵기 때문에 플랫폼화가 되어 있어야 하는데, Devops 엔지니어의 역할은 이러한 플랫폼을 만드는 역할이 된다.



위의 그림과 같이 Devops 팀은, 시스템을 실행할 수 있는 런타임 인프라를 개발 배포하고, 런타임 시스템에 대한 모니터링과 로깅을 제공하며, 이 시스템에 자동으로 배포할 수 있는 CI/CD 플랫폼을 구축한다.

이렇게 개발된 플랫폼에 개발팀은 개발된 시스템을 스스로 배포하고 운영하는 모델이다.

이러한 모델은 구글의 SRE (Site Reliability Engineering)에서 좋은 사례를 찾아볼 수 있는데, SRE 엔지니어는 시스템이 개발된 후에, 인프라 시스템에 대한 플랫폼화 작업을 수행하고, 이 플랫폼이 완성되어 안정화 될때까지 지속적인 지원을 하며, 플랫폼에 대한 안정화 작업이 끝나면 플랫폼의 운영을 개발팀에 맏기고 다른 프로젝트를 위한 플랫폼 작업을 하는 방식이다.

컨테이너

이러한 플랫폼을 지원하기 위해서는 벤더 종속적이지 않고, 개발자가 손쉽게 운영 및 접근할 수 있는 인프라 관리 기술이 필요한데, 이런 기술로 많이 언급되는 기술이 컨테이너이다.




가상머신 (VM)의 경우에는 하이퍼바이저의 종류에 따라서, 호환이 되지 않는 경우가 있고, 무엇보다 가상 머신 이미지의 사이즈가 매우 크기 때문에 (수백~기가 이상) 손쉽게 이식하기가 쉽지 않다.

또한 하드웨어 계층 부터 가상화 하기 때문에 실행하는데 컨테이너에 비해서 상대적으로 많은 자원이 소요된다.

컨테이너의 경우 가상 머신을 사용하지 않고 호스트 OS의 커널에서 바로 실행이 된다. 실행되는 컨테이너의 OS가 호스트 OS와 다른 경우, 이 다른 부분 (알파)만을 컨테이너에서 추가로 패키징하여 실행이 된다.

예를 들어 호스트 이미지에 기능이 A,B,C가 있고, 컨테이너는 A,B,C,D가 필요하다면, 컨테이너에는 다른 부분인 D만 묶어서 패키징 하는 개념이다.  그래서 가상머신에 비해서 크기가 훨씬 작고 가상화 계층을 거치지 않기 때문에 훨씬 효율적이라고 말할 수 있다.

컨테이너 관리 솔루션

컨테이너를 소규모로 사용한다면 물리 서버를 직접 지정해서 배포하면 되지만, 대규모로 컨테이너를 운영하고자 할때는 어떤 서버에 컨테이너를 배치해야 하는 가에 대한 문제가 생긴다.


예를 들어 16 CPU, 32 GB 메모리 머신들에 컨테이너를 배포할때 컨테이너 사이즈가 2 CPU, 3 CPU, 8 CPU등 다양할 수 있기 때문에, 자원을 최대한 최적으로 사용하기 위해서 적절한 위치에 배포해야 하고, 애플리케이션 특성들에 따라서, 같은 물리 서버에 배포가 되어야 하거나 또는 가용성을 위해서 일부러 다른 물리서버에 배포되어야 하는 일이 있다. 이렇게 컨테이너를 적절한 서버에 배포해주는 역할을 스케쥴링이라고 한다.



이렇게 컨테이너 스케쥴링을 해주는 솔루션으로는 Kubernetes, Mesosphere, OpenStack 등 다양한 솔루션이 난립해서 혼돈이었는데, 작년말 (2017년말)을 기점으로 해서 쿠버네티스가 de-facto 표준으로 되어가는 형국이다. 아래 트랜드 그래프에서 보면 알 수 있듯이 쿠버네티스의 트랜드가 지속적으로 올라가서 가장 높은 것을 확인할 수 있다.



또한 주요 클라우드 벤더인 아마존,구글,애저 모두 컨테이너 관리 환경을 쿠버네티스를 지원하는 정책으로 변화된것은 물론이고 IBM이나 시스코와 같은 온프렘(on-premise) 솔루션 업체들도 경쟁적으로 쿠버네티스를 지원하고 있다.

가상 머신위의 컨테이너

보통 이런 컨테이너 환경을 운영할때 베어메탈 (하드웨어)위에 바로 컨테이너 솔루션을 올리지 않고, 가상화 환경을 올린 후에, 그 위에 컨테이너 환경을 올리는 경우가 많다.


베어메탈 위에 바로 컨테이너 환경을 올리면 성능적 이점도 있고, 계층도 줄어들어 관리도 편리한데, 왜 가상화 계층을 한번 더 두는 것일까? 이유는 컨테이너 환경을 조금더 유연하게 사용할 수 있기 때문이다. 먼저 가상 머신을 이용해서 컨테이너 환경을 isolation할 수 있고, 가상화를 통해서 자원의 수를 더 늘려서 이를 잘게 쪼게서 사용이 가능하다. 예를 들어 설명하면, 8 CPU 머신을 쿠버네티스로 관리 운영하면, 8 CPU로밖에 사용할 수 없지만, 가상화 환경을 중간에 끼면, 8 CPU를 가상화 해서 2배일 경우 16 CPU로, 8배일 경우 64 CPU로 가상화 하여 좀 더 자원을 잘게 나눠서 사용이 가능하다.