Architecture and System Design

Architecture and System Design

시스템 아키텍처는 서비스 요구사항에 맞춰 구조적 청사진을 수립하는 핵심 활동이다. 하드웨어 (HW) 구성, 소프트웨어 (SW) 구조, 엔터프라이즈 (EA) 관점 모두를 포괄하며, 서비스가 안정적이고 확장 가능하게 동작하도록 설계 방향을 제시한다.
설계 시 확장성 (Scalability), 신뢰성 (Reliability), 성능 (Performance), 보안 (Security) 등의 품질 속성 (Quality Attributes) 을 고려하여야 하며 이를 실현하기 위해 SOLID, 모듈화, 계층화, 추상화, 느슨한 결합 등의 원칙을 적용한다. 또한 시스템 요구사항에 따라 모놀리식 (Monolithic)·마이크로서비스 (Microservices)·이벤트 기반 (Event-driven) 등의 아키텍처 유형과 클라이언트 - 서버 (Client-Server), 레이어드 (Layered) 등의 설계 패턴 역할·장단점을 비교하여 설계한다.

각각의 아키텍처및 설계 패턴마다 장단점이 뚜렷하며, 이를 해결하기 위한 설계 원칙 (SOLID, SoC), 문서화 (4+1 뷰), 자동화 (CI/CD), 보안 및 모니터링 체계가 필수이다. 잘 설계된 아키텍처는 유지보수성과 확장성을 높이고, 운영 복잡도를 줄여 조직의 기술 경쟁력을 극대화한다.

좋은 시스템 아키텍처는

1. 요구사항 정제 및 도출
2. 설계 원칙 적용 (예: CAP 정리, Scale Cube, SOLID)
3. 적절한 아키텍처 유형 선택 (모노리스, 마이크로서비스, 분산 등)
4. 구성 요소 및 컴포넌트 정의
5. 비기능 요구사항 반영 (가용성, 보안, 복원력 등)
   의 순서를 따라 체계적으로 설계된다.
   이러한 설계를 통해 스케일링, 장애 복원, 독립적 배포, 유지보수 용이성 등 실무에서의 목적을 달성할 수 있다.

핵심 개념

• 아키텍처 (Architecture): 시스템의 구조와 구성요소, 상호작용, 제약조건, 원칙을 정의하는 설계의 청사진.
• 시스템 설계 (System Design): 시스템의 구조, 구성요소, 데이터 흐름, 인터페이스, 확장성, 성능, 보안 등을 체계적으로 설계하는 과정.
• 아키텍처 스타일/패턴 (Architectural Style/Pattern): 시스템 구조를 조직화하는 재사용 가능한 설계 패턴 (예: 레이어드, 마이크로서비스, 이벤트 드리븐).
• 품질 속성 (Quality Attributes): 성능, 확장성, 보안성 등 비기능적 요구사항
• 구성요소 (Component): 시스템을 구성하는 독립적인 기능 단위.
• 커넥터 (Connector): 구성요소 간 통신, 협조, 조정을 위한 연결 수단.
• 제약조건 (Constraint): 시스템 설계에 적용되는 규칙, 표준, 제한.

심화 개념

• 분산 시스템 설계 (Distributed System Design): 여러 노드에 걸친 시스템 아키텍처
• 마이크로서비스 아키텍처 (Microservices Architecture): 독립적 서비스들의 조합
• 이벤트 기반 아키텍처 (Event-Driven Architecture): 이벤트 중심의 느슨한 결합 구조
• 도메인 주도 설계 (Domain-Driven Design): 비즈니스 도메인 중심의 설계 접근법

배경

시스템 아키텍처는 시스템의 구조, 행위, 구성 요소 간 관계를 개념적으로 정의하는 청사진이다. 이 청사진은 **하드웨어 (HW)**와 소프트웨어 (SW), 인간 - 컴퓨터 인터페이스 (HCI) 등 시스템의 다양한 관점에서 전체를 이해하고 설계하는 데 쓰인다.

역사적으로, 1960~70 년대부터 Edsger Dijkstra, David Parnas 등 이론가들이 구조의 중요성을 강조했으며, 1990 년대 들어 이미지, UML 같은 도구와 ISO/IEEE 1471(현재 ISO/IEC/IEEE 42010) 표준의 등장으로 설계의 체계화가 진전되었다.

현대에는 이론 중심에서 마이크로서비스, 클라우드 기반 분산 시스템, 소프트웨어 정의 아키텍처 (SDA), 그리고 AI 통합 아키텍처로 확대되고 있다.

목적 및 필요성

1. 복잡성 관리: 복잡한 시스템을 추상화하여 높은 수준에서 제어 가능하게 한다.
2. 품질 속성 확보: 성능, 확장성, 가용성, 유지보수성, 보안 등 비기능 요구사항을 충족한다.
3. 중요한 결정 기록: 변경이 어려운 높은 영향도의 구조적 결정들을 문서로 남긴다.
4. 이해관계자 간 소통: 개발자, 운영자, 비즈니스 등 다양한 주체의 공통 이해를 돕는다.
5. 비용·위험 감소: 구조 분석으로 잠재적 문제를 조기에 식별하고 프로젝트 리스크를 줄인다.

주요 기능 및 역할

• 설계 프로세스 지원: 분석→합성→평가→진화의 반복 사이클 수행.
• 구조 설계: 시스템의 구성요소, 상호작용, 데이터 흐름, 인터페이스 설계.
• 확장성 및 성능 설계: 시스템의 확장성, 성능, 병렬 처리, 분산 처리 설계.
• 보안 설계: 시스템의 보안, 접근 제어, 데이터 보호 설계.
• 유지보수성 및 확장성 보장: 시스템의 유지보수성, 확장성, 재사용성 보장.

특징

• 구조적 청사진: 마치 건물의 설계도처럼, 컴포넌트·커넥터·관계 기반 구조를 문서화한다.
• 비기능 중심: 성능, 신뢰성, 보안 등 품질 속성에 집중한다.
• 중요 결정 중심: 변경 비용이 큰 결정들 (DB, 통신 방식, 서비스 구조 등) 에 초점을 둔다.
• 표준화된 표현: UML, ADL, C4 모델 같은 구조화된 명세 방식을 사용한다.
• 다중 이해관계자 대상: 엔지니어뿐 아니라 경영진, 운영팀, 비즈니스 이해관계자 등과 소통한다.
• 코드와 분리된 설계: 구현 전 추상 설계 중심이며, 구조 원리 보존이 중요하다.

시스템 아키텍처 설계 및 구현 프로세스

시스템이 설계된 원칙에 따라 실제로 동작하는 방식을 설명하며, 데이터 흐름, 이벤트 처리, 요청 - 응답 등 시스템 행동 관점을 다룬다.

sequenceDiagram
    participant 요구사항 as 요구사항 분석
    participant 아키텍처 as 아키텍처 설계
    participant 구현 as 구현
    participant 검증 as 검증 및 평가
    
    요구사항->>아키텍처: 기능/비기능 요구사항
    아키텍처->>아키텍처: 패턴 선택 및 구조 설계
    아키텍처->>구현: 설계 문서 및 가이드라인
    구현->>검증: 구현된 시스템
    검증->>아키텍처: 피드백 및 개선사항
    아키텍처->>요구사항: 변경 요청 및 제약사항

이 시퀀스 다이어그램은 소프트웨어 개발 과정에서 요구사항 분석 → 아키텍처 설계 → 구현 → 검증 및 평가로 이어지는 주요 단계를 보여준다.
아키텍처 설계는 기능 및 비기능 요구사항을 바탕으로 적절한 패턴을 선택하고 구조를 정의한 뒤, 이를 구현 팀에 전달한다. 구현된 시스템은 검증 단계를 통해 평가되며, 이 피드백은 다시 아키텍처와 요구사항에 반영되어 개선된다.
이러한 반복적이고 순환적인 구조는 유연하고 품질 높은 시스템 개발을 가능하게 한다.

핵심 원칙

시스템 아키텍처 설계에서 핵심이 되는 원칙들을 의미하며, SOLID 원칙, 모듈화, 추상화 등의 고수준 설계 기준을 포함한다.
구조적 원리: 아키텍처의 형태와 설계 기법에 관한 고수준 원칙 (모듈화, 계층화, 추상화 등)

• 모듈화 (Modularity): 요소를 논리적 단위로 분리하여 유지보수 용이성 제공.
• 추상화 (Abstraction): 구현 세부사항을 숨기고 개념 중심 설계.
• 계층화 (Layering): 책임/기능을 논리적 계층으로 분리해 이해도 및 관리 효율성 향상

행동적 원리: 컴포넌트 간의 상호작용과 역할 분리를 통한 설계 원칙 (느슨한 결합, 응집력, SOLID 등)

• 느슨한 결합 (Loose Coupling): 컴포넌트 간 최소한의 상호의존 유지.
• 높은 응집력 (High Cohesion): 하나의 기능에 집중된 컴포넌트 설계.
• 교환성 (Separation of Concerns): 기능 (비즈니스 로직) 과 비기능 (인증, 로깅 등) 의 분리.
• 인터페이스 기반 통신 (Interface-based Interaction): 명시적 인터페이스를 통해 컴포넌트 간 의존을 줄이고 유연한 변경 가능
• SOLID 원칙
  • 단일 책임 원칙 (Single Responsibility Principle): 클래스는 하나의 책임만 가져야 함
  • 개방 - 폐쇄 원칙 (Open-Closed Principle): 확장에는 열려있고 수정에는 닫혀있어야 함
  • 리스코프 치환 원칙 (Liskov Substitution Principle): 하위 타입은 상위 타입을 완전히 대체 가능해야 함
  • 인터페이스 분리 원칙 (Interface Segregation Principle): 클라이언트는 사용하지 않는 인터페이스에 의존하지 않아야 함
  • 의존성 역전 원칙 (Dependency Inversion Principle): 추상화에 의존하고 구체화에 의존하지 않아야 함

품질 속성 원리: 아키텍처가 충족해야 할 비기능적 목표 (확장성, 보안, 신뢰성, 피트니스 함수 등)

• 피트니스 함수 (Fitness Function): 아키텍처 품질을 수치화된 기준으로 평가해 자동화 테스트, 진화적 설계 기반 마련
• 관점 모델 (Views): 4+1, 레이어드, C4 등 다양한 뷰 (View) 를 활용해 다양한 이해관계자 관점에서 아키텍처를 시각화하고 구조적 명확성 제공.
• 진화·확장 가능성 (Evolutionary Design): 변경 대응이 용이한 유연한 구조 설계, 아키텍처 에로젼 방지 목적
• 신뢰성 (Reliability): 시스템이 실패 없이 지속적으로 동작할 수 있는 능력
• 보안성 (Security): 인증, 권한 관리, 데이터 보호 등 외부 위협으로부터 보호하는 능력

graph TB
    A[아키텍처 설계 원칙] --> B[구조적 원리]
    A --> C[행동적 원리]
    A --> D[품질 속성 원리]
    
    B --> B1["모듈화 (Modularity)"]
    B --> B2["계층화 (Layering)"]
    B --> B3["추상화 및 캡슐화 (Abstraction & Encapsulation)"]

    C --> C1["느슨한 결합 (Loose Coupling)"]
    C --> C2["높은 응집도 (High Cohesion)"]
    C --> C3["관심사 분리 (Separation of Concerns)"]
    C --> C4["인터페이스 기반 통신 (Interface-based Interaction)"]
    C --> C5[SOLID 원칙 적용]

    D --> D1["확장성 (Scalability)"]
    D --> D2["신뢰성 (Reliability)"]
    D --> D3["보안성 (Security)"]
    D --> D4["피트니스 함수 (Fitness Function)"]
    D --> D5["관점 모델 (Views: 4+1, C4)"]
    D --> D6["진화 가능성 (Evolutionary Design)"]

시스템 아키텍처 설계의 작동 원리 예시

sequenceDiagram
    participant Client
    participant API as API Layer
    participant Auth as Auth Service
    participant DB as Database
    Client->>API: 요청 (e.g. /orders)
    activate API
    API->>Auth: 토큰 검증
    activate Auth
    Auth-->>API: 검증 결과
    deactivate Auth
    API->>DB: 데이터 조회
    activate DB
    DB-->>API: 결과 반환
    deactivate DB
    API-->>Client: 응답 (JSON)
    deactivate API

• 시퀀스 다이어그램을 통해 요청→인증→DB 조회→응답의 흐름을 시각적으로 표현.
• 컴포넌트 간 메시지 전달 흐름은 시스템 원칙 (예: 느슨한 결합) 이 어떻게 작동 원리에 반영되는지를 보여준다.

구현 기법

아키텍처 유형별 구현 기법

구성 요소별 구현 기법

시스템 아키텍처 설계 예시

graph TD
  Client -->|HTTPS/API| APIGW[API Gateway]
  APIGW --> svc1[Auth Service]
  APIGW --> svc2[Order Service]
  svc2 --> db1[(Order DB)]
  svc2 --> mq[Kafka/RabbitMQ]
  mq --> svc3[Inventory Service]
  svc3 --> db2[(Inventory DB)]
  svc2 --> cache[(Redis Cache)]
  svc1 --> authDB[(User DB)]
  all --> metrics[(Prometheus)]
  metrics --> grafana[Grafana]

장점과 단점

장점

단점

문제점과 해결책

실무 적용 예시

활용 사례

사례 1: 전자상거래 플랫폼 아키텍처

시스템 구성:

워크플로우:

sequenceDiagram
  Client->>ELB: HTTPS 요청
  ELB->>Kong: 라우팅 + 인증
  Kong->>ProductSvc: 요청 전송
  ProductSvc->>Redis: 캐시 조회
  alt Cache Miss
    ProductSvc->>MySQL: 조회
    ProductSvc->>Redis: 쓰기
  end
  ProductSvc-->>Kong: 응답
  Kong-->>Client: 응답 반환
  alt 주문 생성 시
    OrderSvc->>Kafka: 주문 이벤트 전송
    Kafka->>Analytics: 실시간 분석 파이프라인
  end

사례 2: 이커머스 - 주문 처리 시스템

시스템 구성도:

graph TD
  User[사용자]
  Front[프론트엔드 UI]
  Gateway[API Gateway]
  Order[주문 서비스]
  Inventory[재고 서비스]
  Payment[결제 서비스]
  Kafka[Kafka 브로커]
  DB[(Order DB)]
  Redis[(Cache)]

  User --> Front --> Gateway
  Gateway --> Order --> DB
  Order --> Inventory
  Order --> Payment
  Order --> Kafka
  Kafka --> Redis

역할 및 특징:

워크플로우:

1. 사용자가 상품 주문 요청
2. API Gateway 를 통해 주문 서비스에 전달
3. 주문 서비스는 재고 및 결제 서비스와 동기/비동기 연동
4. 처리된 결과는 Kafka 로 이벤트 발행
5. 실시간 알림, 배송 등 후속 서비스는 이벤트 기반 처리

사례 3: Netflix 스트리밍 플랫폼

Netflix 는 전 세계 2 억 명 이상의 사용자에게 비디오 스트리밍 서비스를 제공하는 대표적인 대규모 분산 시스템. 초기 DVD 배송 서비스에서 시작하여 현재는 클라우드 네이티브 마이크로서비스 아키텍처의 모범 사례로 평가받고 있다.

시스템 구성:

• 주요 컴포넌트:
  1. API 게이트웨이: 모든 클라이언트 요청의 진입점
  2. 사용자 서비스: 인증, 프로필 관리, 개인화
  3. 콘텐츠 서비스: 메타데이터, 카탈로그 관리
  4. 추천 엔진: 머신러닝 기반 개인화 추천
  5. 스트리밍 서비스: 비디오 인코딩, CDN 관리
  6. 결제 서비스: 구독 관리, 청구 처리

시스템 구성 다이어그램:

graph TB
    A[클라이언트 앱] --> B[API 게이트웨이]
    B --> C[사용자 서비스]
    B --> D[콘텐츠 서비스]
    B --> E[추천 서비스]
    B --> F[스트리밍 서비스]
    
    C --> G[사용자 DB]
    D --> H[콘텐츠 DB]
    E --> I[ML 플랫폼]
    F --> J[CDN 네트워크]
    
    K[이벤트 버스] --> C
    K --> D
    K --> E
    K --> F
    
    L[모니터링] --> B
    L --> C
    L --> D
    L --> E
    L --> F

활용 사례 Workflow:

sequenceDiagram
    participant U as 사용자
    participant AG as API 게이트웨이
    participant US as 사용자 서비스
    participant RS as 추천 서비스
    participant CS as 콘텐츠 서비스
    participant SS as 스트리밍 서비스
    participant CDN as CDN
    
    U->>AG: 로그인 요청
    AG->>US: 인증 처리
    US->>AG: 인증 토큰
    AG->>U: 로그인 완료
    
    U->>AG: 홈페이지 요청
    AG->>RS: 개인화 추천 요청
    RS->>CS: 콘텐츠 메타데이터 요청
    CS->>RS: 콘텐츠 정보
    RS->>AG: 추천 목록
    AG->>U: 개인화된 홈페이지
    
    U->>AG: 비디오 재생 요청
    AG->>SS: 스트리밍 URL 요청
    SS->>CDN: 최적 CDN 노드 선택
    CDN->>U: 비디오 스트림 전송

실무에서 효과적으로 적용하기 위한 고려사항 및 주의할 점

최적화하기 위한 고려사항 및 주의할 점

• 단계적 최적화: " 측정 없이 최적화하지 마라 " 는 원칙 적용
• 비용·성능·확장성의 균형: 비용 절감을 위해 성능을 희생하거나, 반대로 과도한 확장을 피해야 함
• 운영 자동화 + 관측성 확보: 운영 안정성을 위한 모니터링/배포 자동화 필수
• 보안은 기본 전제: 최적화 과정에서도 항상 보안 요구사항 포함 필요

주제와 관련하여 주목할 내용

• 클라우드 네이티브와 AI 통합이 실무에서 빠르게 확산 중이며, 아키텍처 수준에서 고려 필수
• 보안과 관측성은 기술적 선택이 아닌 기본 전제로 자리 잡음
• 데이터 메시 / 이벤트 기반 설계는 확장성과 유연성을 동시에 확보할 수 있는 현대적 접근

추가로 알아야 하거나 학습해야할 내용들

용어 정리

참고 및 출처

공식 가이드 및 기술 문서

• Microsoft Learn – Architectural Principles
• Microsoft Azure Architecture Center
• Google Cloud – System Design Principles
• AWS Architecture Center – Reference Architectures
• AWS Well-Architected Framework
• C4 Model 공식 사이트
• ISO/IEC/IEEE 42010: System and software architecture documentation
• The Open Group – ArchiMate Specification
• 12 Factor App 원칙

업계 전문가 및 서적

• Martin Fowler – Software Architecture Guide
• Building Microservices – Sam Newman (O’Reilly)
• ByteByteGo – Real World Case Studies
• InfoQ – Software Architecture and Design Trends Report 2025

학술 및 교육 자료

• KAIST 소프트웨어 공학 강의 – Architectural Design
• Stanford CS110 – System Design Principles (PDF)
• Model-of-Design for Computing Systems – KTH
• Architecture Definition in Complex System Design – OMG
• iSAQB Glossary of Software Architecture Terminology

기술 블로그 및 튜토리얼

• GeeksforGeeks – Software Architecture Patterns
• GeeksforGeeks – What is System Design?
• Wikipedia – Microservices
• Wikipedia – Separation of Concerns (SoC)
• Wikipedia – SOLID Design Principles
• Turing.com – Architecture Patterns Overview
• Simform – Architecture Patterns Explained
• ClickIT – Web Application Architecture
• Hostinger – Software Design Principles
• Solwey – Key Concepts of System Design

실무 관련 토론/사례

• Stack Overflow – AngularJS + Python Flask 구성