독서/가상 면접 사례로 배우는 대규모 시스템 설계 기초

14장. 유튜브 설계

yoon_seon 2023. 12. 30. 21:31

1단계. 문제 이해 및 설계 범위 확정

아래와 같은 기능을 갖는 비디오 스트리밍 서비스 설계에 초점을 맞춘다.

빠른 비디오 업로드
원활한 비디오 재생
재생 품질 선택 기능
낮은 인프라 비용
높은 가용성과 규모 확장성, 안정성
지원 클라이언트 : 모바일 앱, 웹브라우저, 스마트 TV

개략적 규모 추정

일간 능동 사용자(DAU: Daily Active User)수는 5백만(5million)
한 사용자는 하루에 평균 5개의 비디오를 시청
10%의 사용자가 하루에 1비디오 업로드
비디오 평균 크기는 300MB
비디오 저장을 위해 매일 새로 요구되는 저장 용량 = 5백만 x 10% x 300MB = 150TB
CDN비용클라우드 CDN을 통해 비 디오를 서비스할 경우 CDN에서 나가는 데이터의 양에 따라 과금한다.아마존의 클라우드프론트(CloudFront)를 CDN 솔루션으로 사용할 경우, 100% 트래픽이 미국에서 발생한다고 가정하면 1GB당 $0.02의 요금 이 발생한다. 문제를 단순화하기 위해 비디오 스트리밍 비용 만 따지도록 하겠다.
따라서 매일 발생하는 요금은 5백만 x 5비디오 x 0.3GB x $0.02 = $150,000 이다.

2단계. 개략적 설계안 제시 및 동의 구하기

규모 확장이 쉬운 BLOB 저장소나 CDN을 만드는 것은 지극히 복잡할 뿐 아니라 많은 비용이 드는 일이다.

넷플릭스나 페이스북 같은 큰 회사도 모든 것을 스스로 구축하지는 않는다. 넷플릭스는 아마존의 클라우드 서비스를 사용하고, 페이스북은 아카마이(Akamai)의 CDN을 이용한다.

개략적으로 보면 이 시스템은 다음 세 개 컴포넌트로 구성된다.

단말(client): 컴퓨터, 모바일 폰, 스마트 TV를 통해서 유튜브를 시청할 수 있다.
CDN: 비디오는 CDN에 저장힌다. 재생 버튼을 누르면 CDN으로부터 스트리밍이 이루어진다.
API 서버: 비디오 스트리밍을 제외한 모든 요청은 API 서버가 처리한다.

다음 두 영역을 개략적으로 설계한다.

비디오 업로드 절차
비디오 스트리밍 절차

비디오 업로드 절차

다음은 비디오 업로드 절차의 개략적 설계안이다.

사용자: 컴퓨터나 모바일 폰, 혹은 스마트 TV를 통해 유튜브를 시청하는 이용자다.
로드밸런서(load balancer): API 서버 각각으로 고르게 요청을 분산하는 역할을 담당한다.
API 서버: 비디오 스트리밍을 제외한 다른 모든 요청을 처리한다. 메타데이터 데이터베이스(metadata db): 비디오의 메타데이터를 보관한다.
메타데이터 캐시(metadata cache): 성능을 높이기 위해 비디오 메타데이터 와 사용자 객체 (user object)는 캐시 한다.
원본 저장소(original storage): 원본 비디오를 보관할 대형 이진 파일 저장소 (BLOB, 즉 Binary Large Object storage) 시스템이다.
- BLOB 저장소 : 이진 데이터를 하나의 개체로 보관하는 데이터베이스 관리 시스템
트랜스코딩 서버(transcoding server): 비디오 트랜스코딩은 비디오 인코딩 이라 부르기도 하는 절차로, 비디오의 포맷(MPEG, HLS 등)을 변환하는 절차다. 단말이나 대역폭 요구사항에 맞는 최적의 비디오 스트림을 제공하기 위해 필요하다.
트랜스코딩 비디오 저장소(transcoded storage): 트랜스코딩이 완료된 비디오를 저장하는 BLOB 저장소다.
CDN: 비디오를 캐시하는 역할을 담당한다. 사용자가 재생 버튼을 누르면 비디오 스트리밍은 CDN을 통해 이루어진다.
트랜스코딩 완료 큐 : 비디오 트랜스코딩 완료 이벤트들을 보관할 메시지 큐다.
트랜스코딩 완료 핸들러 : 크랜스코딩 완료 큐에서 이벤트 데이터를 꺼내어 메타데이터 캐시와 데이터베이스를 갱신할 작업 서버들이다.

비디오 업로드는 다음 두 프로세스가 병렬적으로 수행된다고 보면 된다.

a. 비디오 업로드

b. 비디오 메타데이터 갱신, 메타데이터에는 비디오 URL, 크기, 해상도, 포멧, 사용자 정보가 포함된다.

프로세스a. 비디오 업로드

비디오를 원본 저장소에 업로드한다.
트랜스코딩 서버는 원본 저장소에서 해당 비디오를 가져와 트랜스코딩을 시작한다.
트랜스코딩이 완료되면 아래 두 절차가 병렬적으로 수행된다.
1. 완료된 비디오를 트랜스코딩 비디오 저장소로 업로드한다.
2. 트랜스코딩 완료 이벤트를 트랜스코딩 완료 큐에 넣는다.
  1. 트랜스코딩이 끝난 비디오를 CDN에 올린다.
  2. 완료 핸들러가 이벤트 데이터를 큐에서 꺼낸다.
  3. 3b.1.a, 3b.1.b. 완료 핸들러가 메타데이터 데이터베이스와 캐시를 갱신한다.
API 서버가 단말에게 비디오 업로드가 끝나서 스트리밍 준비가 되었음을 알린다.

프로세스 b: 메타데이터 갱신

원본 저장소에 파일이 업로드되는 동안, 단말은 병렬적으로 비디오 메타데이 터 갱신 요청을 API 서버에 보낸다. 이 요청에 포함된 메타데이터에는 파일 이름, 크기, 포맷 등의 정보가 들어 있다. API 서버는 이 정보로 메타데 이터 캐시와 데이터베이스를 업데이트한다.

비디오 스트리밍 절차

비디오 스트리밍이 이루어지는 절차를 논하기에 앞서 먼저 스트리밍 프로토콜 이라는 중요한 개념을 알아두어야 한다.

스트리밍 프로토콜은 비디오 스트리밍을 위해 데이터를 전송할 때 쓰이는 표준화된 통신방법이다.

널리 사용되는 스트리밍 프로토콜은 외울 필요는 없으나, 다만 기억해야 하는 것은 프로토콜마다 지원해야하는 비디오 인코딩이 다르고 플레이어도 다르다는 것이다.
따라서 비디오 스트리밍 서비스를 설계할 때는 서비스의 용례에 맞는 프로토콜을 잘 골라야 한다.

비디오는 CDN에서 바로 스트리밍 된다. 사용자의 단말에 가장 가까운 CDN 에지 서버가 비디오 전송을 담당할 것이다. 따라서 전송지연은 아주 낮다.

3단계. 상세 설계

비디오 업로드를 담당하는 부분과 비디오 스트리밍을 담당하는 부분을 최적화 방안과 오류 처리 메커니즘에 대해 알아보자.

비디오 트랜스코딩

비디오를 생성하면, 단말은 해당 비디오를 특정 포맷으로 저장한다. 이 비디오가 다른 단말에서도 문제없이 재생되려면, 다른 단말과 호환되는 비트레이트와 포맷으로 저장 되어야 한다.

비트레이트 : 비디오를 구성하는 비트가 얼마나 빨리 처리되어야 하는지를 나타내는 단위

비트레이트가 높은 비디오는 일반적으로 고화질 비디오며 비트레이트가 높은 비디오 스트림을 정상 재생하려면 보다 높은 성능의 자원이 필요하고, 인터넷 회선 속도도 빨라야 한다.

비디오 트랜스코딩은 다음과 같은 이유로 중요하다.

가공되지 않은 비디오는 저장 공간을 많이 차지한다.
상당수 단말과 브라우저는 특정 종류의 비디오 포맷만 지원한다. 따라서 호환성 문제를 해결하려면 하나의 비디오를 여러 포맷으로 인코딩해 두는 것이 바람직하다.
사용자에게 끊김 없는 고화질 비디오 재생을 보장하려면, 네트워크 대역폭이 충분하지 않은 사용자에게는 저화질 비디오, 충분한 사용자에게는 고화질 비디오를 보내는 것이 바람직 하다.
모바일 경우 비디오가 끊김 없이 재생되도록 하기 위해 비디오 화질을 자동으로 변경하거나 수동으로 변경할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

인코딩 포맷

컨테이너 : 컨테이너 포맷은 .avi, .mov, .mp4 같은 파일 확장자를 보면 알 수 있다.
코덱 : 비디오 화질은 보존하면서 파일 크기를 줄일 목적으로 고안된 압축 및 압축 해제 알고리즘이다.

유향 비순환 그래프(DAG) 모델

비디오를 트랜스코딩하는 것은 컴퓨팅 자원을 많이 소모할 뿐 아니라 시간도 많이 드는 작업이다.

콘텐츠 창작자는 각자 자기만의 비디오 프로세싱 요구사항을 가지고 있다.

비디오 위에 워터마크를 표시하고 싶어한다던지, 섬네일 이미지를 직접 만들어 쓰고싶다던지, 고화질 비디오만 선호 할 수도 있다.

이처럼 각기 다른 유형의 비디오 프로세싱 파이프라인을 지원하는 한편 처리 과정의 병렬성을 높이기 위해서는 적절한 수준의 추상화를 도입하여 클라이언트 프로그래머로 하여금 실행할 작업을 손수 정의할 수 있도록 해야한다.

다음은 비디오 트랜스코딩을 위해 본 설계안이 채택한 DAG 모델이다.

원본 비디오는 비디오, 오디오, 메타데이터 세 부분으로 나뉘어 처리한다.

비디오 부분에 적용되는 작업은 다음과 같다.

검사 : 좋은 품질의 비디오인지 확인하는 작업이다.
비디오 인코딩 : 비디오를 다양한 해상도, 코덱, 비트레이트 조합으로 인코딩하는 작업이다.

섬네일 : 사용자가 업로드한 이미지나 비디오에서 자동 추출된 이미지로 섬네일을 만드는 작업이다.
워터마크 : 비디오에 대한 식별정보를 이미지 위에 오버레이 형태로 표시하는 작업이다.

비디오 트랜스코딩 아키텍처

본 설계안에서는 클라우드 서비스를 활용한 비디오 트랜스코딩 아키텍처를 다음과 같이 정의하였다.

이 아키텍처는 다섯 개의 주요 컴포넌트로 구성된다.

전처리기
DAG 스케줄러
자원 관리자
작업 실행 서버
임시 저장소

전처리기

전처리기가 하는 일을 다음 세 가지이다.

비디오 분할 : 비디오 스트림을 특정 순서로 배열된 프레임 그룹인 GOP라고 불리는 단위로 쪼갠다. 하나의 GOP는 독립적으로 재생 가능하며 길이는 보통 몇 초이다. 오래된 단말이나 브라우저에서는 GOP 단위의 비디오 분할을 지원하지 않는데, 이 경우 전처리기가 비디오 분할을 대신한다.
DAG 생성 : 클라이언트 프로그래머가 작성한 설정 파일에 따라 DAG를 만들어낸다.
데이터 캐시 : 전처리기는 분할된 비디오의 캐시이기도 하다. 안정성을 높이기 위해 전처리기는 GOP와 메타 데이터를 임시 저장소에 저장한다. 비디오 인코딩이 실패하면 시스템은 이렇게 보관된 데이터를 활용해 인코딩을 재개한다.

DAG 스케줄러

DAG 스케줄러는 DAG 그래프를 몇 개의 단계로 분할한 다음 그 각각을 자원 관리자의 작업 큐에 집어넣는다.

위 그림은 하나의 DAG 그래프를 2개 작업 단계로 쪼갠 사례다.

첫 번째 단계는 비디오, 오디오, 메타데이터를 분리하단다.
두 번째 단계는 해당 비디오 파일을 인코딩하고 섬네일을 추출하며, 오디오 파일 또한 인코딩한다.

자원 관리자

자원 관리자는 자원 배분을 효과적으로 수행하는 역할을 담당하며 다음과 같이 세 개의 큐와 작업 스케줄러로 구성된다.

작업 큐 : 실행할 작업이 보관된 우선순위 큐
작업서버 큐 : 작업 서버의 가용 상태 정보가 보관되어 있는 우선순위 큐
실행 큐 : 현재 실행 중인 작업 및 작업 서버 정보가 보관되어 있는 큐
작업 스케줄러 : 최적의 작업 / 서버 조합을 골라, 해당 작업 서버가 작업을 수행하도록 지시하는 역할을 담당한다.

작업 관리자는 다음과 같이 동작한다.

작업 관리자는 작업 큐에서 가장 높은 우선순위의 작업을 꺼낸다.
작업 관리자는 해당 작업을 실행하기 적합한 작업 서버를 고른다.
작업 스케줄러는 해당 작업 서버에게 작업 실행을 지시한다.
작업 스케줄러는 해당 작업이 어떤 서버에게 할당되었는지에 관한 정보를 실행 큐에 넣는다.
작업 스케줄러는 작업이 완료되면 해당 작업을 실행 큐에서 제거한다.

작업 서버

작업 서버는 DAG에 정의된 작업을 수행한다. 작업 종류에 따라 작업 서버도 구분하여 관리한다.

임시 저장소

임시 저장소구현에는 여러 저장소 시스템을 활용할 수 있다.

어떤 시스템을 선택할 것이냐? → 저장할 데이터의 유형, 크기, 이용 빈도, 데이터 유효기간 등에 따라 달라진다.

메타데이터는 작업 서버가 빈번히 참조하는 정보이기에 메모리에 캐시해 두면 좋을 것이다. 그러나 비디오/오디오 데이터는 BLOB 저장소에 두는 것이 바람직하다.

인코딩된 오디오

인코딩 된 비디오는 인코딩 파이프라인의 결과물이다.

시스템 최적화

속도
안정성
비용

속도 최적화

비디오 병렬 업로드
- 비디오 전부를 한 번의 업로드로 올리는 것은 비효율적이다. 하나의 비디오는 작은 GOP로 분할하고 병렬적으로 업로드하면 일부가 실패하더라도 빠르게 업로드를 재개할 수 있다.
업로드 센터를 사용자 근거리에 지정
- 업로드 센터를 여러개 두고 지역적으로 가까운 업로드 센터로 보낸다.
모든 절차를 병렬화
- 느슨하게 결합된 시스템을 만들어서 병렬성을 높힌다. → 메시지 큐를 도입한다.
- 메세지 큐를 도입한다면?
  1. 인코딩 모듈은 다운로드 모듈의 작업이 끝나기를 기다려야했지만 더 이상 그럴 필요가 없다. 메시지 큐에 보관된 이벤트 각각을 인코딩 모듈은 병렬적으로 처리할 수 있다.

안정성 최적화

미리 사인된 업로드 URL
- 허가받은 사용자만이 올바른 장소에 비디오를 업로드할 수 있도록 하기 위해 미리 사인된 업로드 URL을 이용한다.

비용 최적화

CDN은 비싸다. 데이터 크기가 크면 클수록 더하다.

다음은 비용을 최적화 하는 방안이다.

인기 비디오는 CDN을 통해 재생하고 다른 비디오는 비디오 서버를 통해 재생하도록 한다.
인기가 별로 없는 비디오는 인코딩 할 필요가 없을 수 있다. 짧은 비디오는 필요할 때 인코딩하여 재생할 수 있다.
어떤 비디오는 특정 지역에서만 인기가 높다. 이런 비디오는 다른 지역에 옮길 필요가 없다.
CDN을 직접 구축하고 인터넷 서비스 제공자와 제휴한다.

이 모든 최적화는 콘텐츠의 인기도, 이용 패턴, 비디오 크기 등의 데이터에 근거한 것으로 최적화를 시도하기 전에 시청 패턴을 분석하는 것은 중요하다.

오류처리

시스템 오류는 대형 시스템에서 불가피하기 때문에 장애를 잘 감내하는 시스템을 만들려면 이런 오류를 우아하게 처리하고 빠르게 회복해야한다.

시스템 오류에는 두 가지 종류가 있다.

회복 가능한 오류 :
- 특정 비디오 세그먼트를 트랜스코딩하다 실패했다든가 하는 오류는 회복 가능한 오류에 속한다. 이러한 오류는 몇 번 재시도 하면 해결된다. 하지만 계속해서 실패하고 복구가 어렵다 판단되면 클라이언트에게 적절한 오류 코드를 반환해야 한다.
회복 불가능한 오류 :
- 비디오 포맷이 잘못되었다거나하는 회복 불가능한 오류가 발견되면 시스템은 해당 비디오에 대한 작업을 중단하고 클라이언트에게 적절한 오류 코드를 반환해야한다.

시스템 컴포넌트 각각에 발생할 수 있는 오류에 대한 전형적 해결 방법은 다음과 같다.

업로드 오류: 몇회 재시도한다.
비디오 분할 오류: 낡은 버전의 클라이언트가 GOP 경계에 따라 비디오를 분할하지 못하는 경우라면 전체 비디오를 서버로 전송하고 서버가 해당 비디오 분할을 처리하도록 한다.
트랜스코딩 오류: 재시도한다.
전처리 오류: DAG 그래프를 재생성한다.
DAG 스케줄러 오류: 작업을 다시 스케줄링한다.
자원 관리자 큐에 장애 발생: 사본(replica)을 이용한다.
작업 서버 장애: 다른 서버에서 해당 작업을 재시도한다.
API 서버 장애: API 서버는 무상태 서버이므로 신규 요청은 다른 API 서버로 우회될것이다.
메타데이터 캐시 서버 장애: 데이터는 다중화되어 있으므로 다른 노드에서 데이터를 여전히 가져올 수 있을 것이다. 장애가 난 캐시 서버는 새로운 것으로 교체한다.
메타데이터 데이터베이스 서버 장애:
- 주 서버가 죽었다면 부 서버 가운데 하나를 주 서버로 교체한다.
- 부 서버가 죽었다면 다른 부 서버를 통해 읽기 연산을 처리하고 죽은 서버는 새것으로 교체한다.

4단계. 마무리

추가로 고려해 볼 수 있는 사항

API 계층의 규모 확장성 확보 방안 : API 서버는 무상태 서버이므로 수평적 규모 확장이 가능하다.
데이터베이스 계층의 규모 확장성 확보 방안 : 다중화, 샤딩을 고려해볼 수 있다.
라이브 스트리밍 : 이번 장에서 설계한 시스템은 라이브 스트리밍용으로 설계한 것은 아니지만 라이브 스트리밍 시스템과 비-라이브 스트리밍 시스템 둘 다 비디오 업로드, 인코딩, 스트리밍이 필요하다는 점에서는 같다. 가장 중요한 차이는 다음과 같다.
- 라이브 스트리밍의 경우에는 응답지연이 더 낮아야한다. → 스트리밍 프로토콜 서정에 유의해야 한다.
- 라이브 스트리밍의 경우 작은 단위의 데이터를 실시간으로 빨리 처리해야 하기 때문에 병렬화 필요성은 떨어진다.
- 라이브 스트리밍의 경우 오류 처리 방법을 달리 해야한다. 너무 많은 시간이 걸리는 방안은 사용하지 어렵다.