[IT 인프라] Ch3 3계층형 시스템 (웹 데이터, 가상화)

📚 <그림으로 공부하는 IT 인프라 구조> 를 읽고 그 내용을 정리하였습니다 

3계층형 아키텍처

3계층형 아키텍처에 대한 구성요소를 살펴보면 위와 같다.

웹 서버, AP 서버, DB 서버로 이루어져 있다.

이 세 대의 서버는 스위치를 경유해서 연결돼 있다.

 

각각의 서버를 확대해서 보면 CPU, 메모리, 디스크, NIC/HBA 같은 하드웨어 부품이 나열돼 있다.

 

이제부터 OS를 이해하는 데 있어서 필수 개념이라고 할 수 있는 프로세스와 스레드, 커널에 대해 알아보자.

 

프로세스와 스레드

프로세스 및 스레드는 프로그램 실행 파일 자체가 아니라 OS상에서 실행돼서 어느 정도 독립성을 가지고 동작하는 것이다.

프로세스와 스레드가 활동하기 위해서는 메모리 공간이 필요하다. 이것은 커널에 의해 메모리상에 확보된다.

 

프로세스 시작 시에 벌어지는 순서는 다음과 같다.

1. 프로그램은 서버 내부의 디스크상에 설치된다.
2. 시작 의뢰가 있으면 커널이 프로세스를 작성한다. 또한, 요청 분량만큼만 메모리 공간을 할당한다.
3. OS상에서 프로세스가 시작돼서 사용자 요청을 받을 수 있게 된다.

 

프로세스와 스레드의 메모리 공간 차이

• 웹 서버
  
  • 하나의 프로세스가 동작하고 있으면 내부에서는 메모리 공간을 점유하는 스레드 하나가 동작하고 있다.
• AP 서버
  • 메모리 공간을 가지는 것이 '프로세스'. JVM도 프로세스로, 내부에서 수많은 스레드가 동작하고 있다.
  • 각 스레드는 메모리 공간을 공유하고 있다. 스레드 시작 시에 신규 메모리 공간은 필요 없지만, 다른 스레드에 이상이 발생하면 영향을 받는다.

 

웹 서버와 달리, AP 서버는 스레드가 하나의 메모리 공간을 공유하고 있는 것을 볼 수 있다.

이것이 프로세스와 스레드의 큰 차이점이다.

 

프로세스는 전용 메모리 공간을 이용해서 동작한다.

스레드는 다른 스레드와 메모리 공간을 공유하고 있는 운명 공동체다.

 

여기서 알 수 있는 점은, 프로세스는 독자 메모리 공간을 가지기 때문에 생성 시 CPU 부하가 스레드와 비교해 높아진다는 것이다.

 

* 단, 프로세스가 메모리 공간을 공유할 수 없는 것은 아니다. 오라클 DB의 경우 여러 프로세스가 '공유 메모리 공간'을 상호 이용할 수 있게 되어 있다.

 

OS 커널

커널이 OS의 본질이며, 나머지는 그저 덤일 뿐이라고 해도 과언이 아닐 정도로 커널은 심장이자 뇌이며 척수이다.

커널 자체가 OS의 '인프라'라고 생각하면 된다.

가장 중요한 책임은 '뒤에서 무슨 일이 벌어지는지 은폐하면서도 편리한 인터페이스를 제공하는 것'이다.

 

커널의 역할 중 5가지에 대해 알아보자.

 

1. 시스템 콜 인터페이스

프로세스/스레드에서 커널로 연결되는 인터페이스이다. 애플리케이션이 OS를 통해서 어떤 처리를 하고 싶으면 시스템 콜이라고 하는 명령을 이용해서 커널에 명령을 내린다. 이때 명령이 인터페이스를 통해서 전달된다.

 

2. 프로세스 관리

언제, 어떤 프로세스가 어느 정도의 CPU 코어를 이용할 수 있는지, 처리 우선순위를 어떻게 결정할 것인지 등을 관리하는 것이 이 기능의 역할이다.

 

3. 메모리 관리

메모리 영역을 관리한다. 프로세스 관리는 CPU 코어를 고려했지만, 메모리 관리에서는 물리 메모리 공간의 최대치를 고려한다. 

 

4. 파일 시스템 관리

파일 시스템은 OS 기능의 하나로서 물리 디스크에 제공된 데이터를 관리하는 기능이다. 파일 시스템 덕분에 애플리케이션은 '파일'이라는 단위로 데이터를 작성하거나 삭제할 수 있다.

주요 관리 기능으로는 디렉터리(폴더) 구조 제공, 액세스 관리, 고속화, 안정성 향상 등이 있다. 

 

5. 장치 드라이버

디스크나 NIC 등의 물리 장치용 인터페이스를 제공한다.

 

웹 데이터 흐름

1. 클라이언트 PC부터 웹 서버까지

 

디스크에서 프로그램을 읽음 -> 프로세스를 시작 -> 메모리 공간 확보

(이때 시스템 콜이 이용되고 있음)

(이 흐름은 PC와 서버에서 기본적으로 같은 동작임)

 

주소 창에 'https://naver.com' 입력 후 엔터 키 누름 -> 이름 해석이 이루어짐 -> 웹 브라우저로 접속

(여기서 'https://naver.com'란 HTTP를 이용해서 naver.com 서버에 접속한다는 의미임)

(이름 해석이 이루어지는 이유는, 웹 브라우저는 이 서버가 어디에 있는지 모르기 때문)

 

웹 서버 무사 도착! -> HTTP 요청에 대해 적절한 파일이나 콘텐츠 반환 

• case1) 정적 콘텐츠 -> 디스크에 저장해 둔 내용을 HTTP를 통해 사용자 웹 브라우저로 반환
• case2) 동적 콘텐츠 -> 동적 콘텐츠에 대한 요청을 AP에게 던지고 결과를 기다림

(웹 서버에는 HTTP를 처리할 수 있는 'httpd 프로세스'가 가동되고 있음)

 

2. 웹 서버부터 AP 서버까지

 

웹 서버로부터 '동적 콘텐츠'에 대한 요청 도착

-> 스레드가 요청을 받으면 자신이 계산할 수 있는지, DB 접속이 필요한지 판단 

-> DB 접속이 필요하면 연결 풀에 액세스 함

-> DB 서버에 요청을 던짐

 

즉, 아직 존재하지 않는 콘텐츠를 가능한 빨리 만들어 내는 역할을 담당하는 것이 AP 서버이다.

 

자바를 이용한 AP 서버에는 JVM이라 불리는 가상 머신이 동작하고 있다. 이 JVM도 하나의 거대한 프로세스이다. 명칭대로 JVM도 하나의 OS로서 다양한 기능을 가지고 있다. 그 가운데 하나의 스레드가 요청을 접수하는 것이다.

 

AP 서버가 DB 서버에 접속하려면 '드라이버'가 필요하다. 앞서 설명한 커널의 장치 드라이버와 비슷하다고 보면 된다.

 

3. AP 서버부터 DB 서버까지

 

AP 서버로부터 요청이 도착

-> 프로세스가 요청을 접수하고 캐시가 존재하는지 확인

-> 캐시에 없으면 디스크에 액세스 함

-> 디스크가 데이터를 반환함

-> 데이터를 캐시 형태로 저장함

-> 결과를 AP 서버에 반환

 

이러한 요청은 SQL이라는 언어 형태로 이루어진다. 이 SQL을 해석해서 데이터 액세스 방식을 결정하고, 디스크나 메모리에서 필요한 데이터만 수집해 오는 것이 데이터베이스의 주요 역할이다.

 

DB 서버에도 다양한 소프트웨어가 존재한다. 이번에는 기업형 시스템에서 많이 사용되는 오라클 DB 중심으로 설명할 것이다.

DB 서버는 데이터 저장 창고다. 관리 대상 데이터가 방대하기 때문에 얼마나 효율적으로 액세스하는가가 중요하다. 대부분은 서버 메모리에 캐시가 있는지 없는지 먼저 확인한다. 없으면 디스크에 액세스해서 필요한 데이터를 가지고 온다.

 

이는 오라클 DB의 예시이지만, 인메모리 DB 등에서는 디스크 자체를 사용하지 않고 모든 처리를 메모리 내에서 완료하는 구조라서 고속화를 실현할 수 있다.

 

가상화

가상화란, 컴퓨터 시스템에서 물리 리소스를 추상화하는 것이다.

 

하드웨어를 의식하지 않고 애플리케이션을 실행할 수 있는. 운영체제는 가상화 기술 중 하나라고 볼 수 있다.

또한, OS가 있다면 가상 메모리를 사용해 프로세스 및 OS 커널의 메모리 공간을 분리하므로, 하나의 프로그램이 실패한다고 해도 시스템 전체에 영향을 끼치지 않는다.

가상 머신 방식

• 호스트 OS
  • 윈도우즈나 리눅스 등의 호스트 OS상에 가상화 소프트웨어를 설치해서 이용하는 것으로, VMware Server, Microsoft Virtual Server 등이 있다.
• 하이바이저형
  • 하드웨어상에서 직접 가상화 소프트웨어를 실행하고 그 위에 가상 머신을 동작시키는 기술이다.
  • 호스트 OS를 거치지 않으므로 호스트형보다 성능이 우수해서 서버 가상화의 대표 기술로 자리 잡았다.
    1. 완전 가상화: 물리 머신상에서 동작하는 OS나 드라이버를 그대로 게스트로 이용할 수 있는 장점이 있지만, 소프트웨어로 에뮬레이션 하기 때문에 성능이 저하된다는 문제가 있다.
    2. 준가상화: 실존하는 하드웨어를 에뮬레이션하는 것이 아니라, 가상 환경용 가상 하드웨어를 소프트웨어적으로 에뮬레이션 한다.

컨테이너

컨테이너는 '그릇', '용기' 등의 의미로 한 마디로 정의하면, '리소스가 격리된 프로세스'이다.

 

하나의 OS상에서 여러 개를 동시에 가동할 수 있으며, 각각 독립된 루트 파일 시스템, CPU/메모리, 프로세스 공간 등을 사용할 수 있다는 점이 하드웨어 가상화인 가상 머신(VM)과의 차이다.

도커의 등장

컨테이너 이미지를 공유할 수 있는 도커가 등장함으로써 컨테이너 기술이 주목을 받기 시작했다.

도커 회사는 개명하기 전에 닷클라우드라는 명칭을 사용했으며, 2008년에 언어에 의존하지 않는 PaaS를 구축하기 위해 설립됐다. 닷클라우드의 PaaS는 개발한 애플리케이션을 클라우드에 배포해서 실행하는 구조였지만 문제가 빈번하게 발생했었다.

 

따라서 원래 클라우드 내부 구조로 개발했던, 애플리케이션 실행 환경을 자동 구축해주는 '도커 이미지'라는 기술을 클라우드 이외의 환경에서도 사용할 수 있게 오픈 소스로 공개했다.

 

또한 도커 허브라는 도커 이미지를 공유할 수 있는 레지스트리가 생겨나면서 폭발적인 인기를 얻기 시작했다.