로드밸런서 동작 원리 & 설정 방법

안녕하세요! 이번 글에서는 로드밸런서의 동작 원리와 실무 설정 방법에 대해 알아보겠습니다ㅎㅎ 로드밸런서는 서버의 부하를 분산시켜 고가용성을 유지하고, 안정적인 웹 서비스를 제공하는 데 필수적인 요소입니다. 이 글은 로드밸런싱에 대한 지식을 원하지만, 막막한 초보자와 취업 준비생에게도 유용한 정보를 제공하기 위해 열심히 설명드리겠습니다.

 

1. 로드밸런서 기본 개념과 필요성

로드밸런서 기본 구성도

카카오톡 장애나 넷플릭스 접속 폭주 등 우리가 자주 겪는 서비스 장애의 대부분은 트래픽 과부하 때문에 발생합니다. 2023년에도 여러 대형 서비스들이 트래픽 문제로 어려움을 겪었습니다. 이런 문제를 해결하기 위한 핵심 기술이 바로 로드밸런서입니다. 이번 포스팅에서는 로드밸런서가 왜 필요한지 그리고 어떻게 동작하는지 알아보겠습니다.

 

1-1. 로드밸런서란 무엇인가?

트래픽이 많은 서비스를 운영할 때, 한 대의 서버로는 모든 요청을 처리하기 어렵습니다.

 

이때, 로드밸런서는 마치 은행의 번호표 시스템처럼, 사용자의 요청을 여러 서버에 균등하게 분산시켜 주는 역할을 합니다.

 

네트워크 레벨(L4)에서 TCP/IP 패킷을 분산하거나, 애플리케이션 레벨(L7)에서 HTTP 요청을 분산하는 방식으로 동작합니다.

1-2. 로드밸런싱이 필요한 상황

• 서비스 사용자가 급격히 증가하여 단일 서버의 처리 한계에 도달했을 때
• 서버 장애 발생 시 무중단 서비스를 제공해야 할 때
• 글로벌 서비스로 확장하면서 지역별 트래픽 분산이 필요할 때
• 정기 점검이나 업데이트 시에도 서비스를 계속 제공해야 할 때

1-3. 주요 로드밸런서 종류 비교

1. 하드웨어 로드밸런서
   • F5, Citrix 등 전문 장비
   • 고성능, 안정성 우수
   • 초기 구축 비용이 매우 높음
2. 소프트웨어 로드밸런서
   • Nginx, HAProxy
   • 구축 비용이 저렴하고 유연한 설정 가능
   • 오픈소스 커뮤니티 지원
3. 클라우드 로드밸런서
   • AWS ELB, GCP Load Balancing
   • 서버리스로 관리 부담 적음
   • 사용량 기반 과금

1-4. 로드밸런서 없이 서비스하면 생기는 문제점

1. 단일 장애점(Single Point of Failure) 위험
   • 서버 한 대가 다운되면 전체 서비스 중단
   • HA(High Availability) 구성으로 해결 가능
   • 2023년 카카오 데이터센터 화재 사례처럼 대규모 장애 발생 가능
2. 확장성 제한
   • 사용자 증가에 따른 유연한 대응 불가
   • 피크 시간대 성능 저하 불가피
3. 유지보수의 어려움
   • 서버 업데이트 시 서비스 중단 필요
   • 실시간 모니터링과 대응이 제한적
4. 비효율적인 리소스 활용
   • 특정 서버에 트래픽이 집중되는 현상
   • 자원 활용의 불균형 발생

2. 로드밸런서 동작 방식과 알고리즘

실제 서비스에서 로드밸런서가 어떻게 동작하는지 아는 것은 매우 중요합니다. 마치 교통경찰처럼 트래픽을 효율적으로 분산시키는 로드밸런서의 동작 원리를 이해하면, 시스템 설계나 트러블 슈팅 시 큰 도움이 됩니다. L4, L7부터 차근차근 알아보겠습니다.

2-1. L4 vs L7 로드밸런서 차이점

L4 vs L7 로드밸런서 비교

1. L4 로드밸런서
   • TCP/UDP 포트 정보를 기반으로 트래픽 분산
   • 빠른 처리 속도, 단순한 구성
   • 패킷 내용을 확인할 수 없어 세부적인 라우팅 불가
   • 주로 초기 분산 처리에 활용
2. L7 로드밸런서
   • HTTP 헤더, URL, 쿠키 정보로 세부 라우팅 가능
   • 콘텐츠 기반 스위칭 (이미지/동영상 서버 분리)
   • DDoS 등 애플리케이션 레벨 공격 방어
   • 상대적으로 높은 처리 비용

2-2. 주요 로드밸런싱 알고리즘

로드밸런싱 알고리즘 동작방식

1. Round Robin
   • 서버들에 순차적으로 요청 분배
   • 구현이 단순하고 직관적
   • 서버 성능 차이를 고려하지 않음
2. Least Connection
   • 연결 수가 가장 적은 서버에 분배
   • 서버별 부하 상태 실시간 반영
   • 동적 워크로드에 효과적
3. IP Hash
   • 클라이언트 IP 주소로 서버 할당
   • 같은 사용자는 같은 서버로 연결
   • 세션 유지에 효과적

2-3. 상태 체크(Health Check) 원리

• 주기적인 서버 상태 모니터링
• TCP/HTTP 요청으로 가용성 확인
• 응답 실패 시 자동 서버 제외
• 복구 후 자동 서비스 복귀

2-4. 세션 관리와 쿠키 처리 방식

1. Sticky Session
   • 특정 사용자는 항상 같은 서버로 연결
   • 세션 데이터 일관성 보장
   • 서버 장애 시 세션 손실 위험
2. Session Clustering
   • 여러 서버 간 세션 정보 공유
   • Redis/Memcached 활용
   • 높은 가용성, 복잡한 구성

세션 관리 방식 비교

3. 로드밸런서 설정하는 법

3-1. 기본 설정 과정

• 수신할 포트와 프로토콜 지정 (보통 HTTP:80, HTTPS:443)
• 부하 분산할 서버 목록 등록
• 로드밸런싱 알고리즘 선택 (Round Robin이 기본값)
• 헬스 체크 주기와 타임아웃 설정

3-2. 설정 시 주요 고려사항

• 서버당 최대 연결 수 제한
• 세션 관리 방식 선택
• SSL 인증서 적용 여부
• 접근 제어(ACL) 규칙

3-3. 모니터링 기본 설정

• 서버 상태 확인 주기
• 응답 시간 임계치
• 오류 발생 시 알림 설정
• 기본 로그 수준 설정

3-4. 기본적인 장애 대응 방법

• 서버 다운 시 자동 제외
• 백업 서버로 전환
• 간단한 알림 설정
• 장애 서버 복구 후 자동 복귀

4. 로드밸런서 고가용성 확보 전략

서비스가 중단 없이 24시간 365일 운영되기 위해서는 로드밸런서의 고가용성이 필수입니다. 어떤 방식으로 고가용성을 확보하는지, 그리고 우리가 알아야 할 핵심 개념들을 중심으로 설명해 보겠습니다.

4-1. Active-Standby 구성

• Master-Slave 구조로 이중화
• Keepalived로 Virtual IP 관리
• 장애 감지 시 자동 페일오버
• 5초 이내 전환으로 서비스 연속성 보장

4-2. 멀티 리전 로드밸런싱

• 지역별 트래픽 분산
• DNS 기반 글로벌 로드밸런싱
• 리전 장애 시 자동 우회
• 재해 복구(DR) 구성 가능

4-3. 자동 스케일링 연동

• 트래픽 기반 서버 자동 확장/축소
• CPU 사용률, 메모리 기준 설정
• 최소/최대 서버 수 지정
• 비용 효율적인 리소스 관리

4-4. 장애 감지와 복구 자동화

• 실시간 모니터링 시스템 구축
• Slack/Email 장애 알림 설정
• 자동 복구 스크립트 구성
• 장애 기록 및 분석 자동화