캐시(Cache) 전략: 브라우저부터 CDN까지

웹 성능 최적화의 핵심, 캐시 전략! 브라우저부터 CDN까지 캐시의 전체 흐름을 알기 쉽게 설명해 보았습니다. 자주 마주치는 캐시 문제부터 최적화 방법까지 정리해봤습니다!

1. 캐시(Cache)란 무엇인가?

온라인 쇼핑몰에서 자주 구매하는 상품을 장바구니에 담아두는 것처럼, 웹 개발에서도 자주 사용하는 데이터를 가까운 곳에 임시로 저장해두면 편리하죠. 이것이 바로 캐시(Cache)의 기본 개념입니다.

캐시의 기본 개념과 필요성

캐시는 자주 접근하는 데이터를 임시로 저장해두는 고속 저장소입니다. 데이터를 매번 원본 저장소에서 가져오는 대신, 캐시에 저장된 복사본을 활용하여 접근 속도를 높이는 것이 주된 목적입니다.

 

실생활의 예)

• 자주 입는 옷을 행거에 걸어두는 것 (옷장에서 매번 꺼내지 않아도 됨)
• 자주 쓰는 연필을 책상 위에 두는 것 (필통에서 매번 꺼내지 않아도 됨)
• 자주 가는 카페의 위치를 외워두는 것 (지도를 매번 검색하지 않아도 됨)

웹에서의 캐시 종류

웹 환경에서는 여러 계층에서 캐시가 동작합니다.

1. 브라우저 캐시
   • 이미지, CSS, JavaScript 파일 등을 로컬에 저장
   • 웹사이트 재방문 시 서버에 재요청하지 않고 저장된 파일 사용
2. 애플리케이션 캐시
   • 서버의 메모리에 데이터를 저장
   • 데이터베이스 조회 결과나 API 응답을 임시 저장
3. 데이터베이스 캐시
   • 자주 조회되는 쿼리 결과를 메모리에 저장
   • Redis나 Memcached 같은 인메모리 캐시 사용
4. CDN 캐시
   • 전 세계 여러 지역에 콘텐츠 복사본을 저장
   • 사용자와 가까운 서버에서 콘텐츠 제공

캐시가 성능에 미치는 영향

캐시는 웹 서비스의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다

• 응답 시간 단축: 데이터베이스 조회나 파일 로딩 시간 감소
• 서버 부하 감소: 반복적인 요청을 캐시에서 처리
• 네트워크 대역폭 절약: 불필요한 데이터 전송 감소
• 사용자 경험 개선: 페이지 로딩 속도 향상

캐시 사용 시 주의사항

캐시를 사용할 때는 다음 사항들을 고려해야 합니다

1. 데이터 일관성
   • 원본 데이터와 캐시된 데이터의 동기화 필요
   • 적절한 캐시 무효화(invalidation) 전략 수립
2. 메모리 관리
   • 캐시 크기의 적절한 설정
   • 오래된 데이터의 자동 삭제(eviction) 정책 설정
3. 캐시 갱신 전략
   • TTL(Time To Live) 설정으로 캐시 수명 관리
   • 캐시 데이터 업데이트 시점 결정
4. 보안 고려사항
   • 민감한 정보는 캐싱하지 않도록 주의
   • 캐시된 데이터의 접근 권한 관리

2. 브라우저 캐시 전략

웹 브라우저가 외운 정보를 다시 활용하는 것이 브라우저 캐시입니다. 페이스북을 새로고침할 때마다 로고가 새로 다운로드되지 않는것 처럼 브라우저 캐시를 잘 활용하면 사용자 경험을 크게 개선할 수 있습니다.

브라우저 캐시의 동작 방식

브라우저 캐시는 크게 두 단계로 동작합니다

1. 검증 단계
   • 브라우저가 서버에 "이 파일 바뀌었나요?" 물어보기
   • 서버가 "그대로예요" 또는 "바뀌었어요" 응답
2. 저장/사용 단계
   • 변경이 없으면 저장된 파일 그대로 사용
   • 변경이 있으면 새로운 파일 다운로드 후 저장

Cache-Control 헤더 활용법

Cache-Control은 캐시 정책을 결정하는 가장 중요한 HTTP 헤더입니다

1. max-age
   • 캐시의 유효 시간 설정
   • 예: Cache-Control: max-age=3600 (1시간)
2. public/private
   • public: CDN 등에서도 캐시 가능
   • private: 브라우저에서만 캐시 가능
3. no-cache/no-store
   • no-cache: 매번 서버에 검증 필요
   • no-store: 아예 캐시하지 않음

ETag와 Last-Modified 이해하기

파일이 변경되었는지 확인하는 두 가지 방법

1. ETag
   • 파일의 고유한 식별자(해시값)
   • 내용이 조금이라도 바뀌면 값이 변경됨
2. Last-Modified
   • 파일의 마지막 수정 시간
   • ETag보다 덜 정확하지만 더 가벼움

효과적인 브라우저 캐시 설정 방법

리소스 종류별 추천 캐시 전략

1. 정적 파일(이미지, CSS, JS)
   • 긴 캐시 시간 설정
   • 파일명에 버전 포함 (예: main.123abc.js)
2. HTML 페이지
   • 짧은 캐시 시간 또는 no-cache
   • 최신 내용 반영 필요
3. API 응답
   • 데이터 성격에 따라 결정
   • 실시간성 고려 필요

캐시 무효화 전략

캐시된 파일을 강제로 갱신하는 방법

1. 파일명 변경
   • 버전 넘버 사용 (style.v2.css)
   • 해시값 사용 (main.5e7f.js)
2. URL 파라미터 활용
   • 쿼리스트링 추가 (main.js?v=123)
   • timestamp 활용 (style.css?t=20240116)
3. 서버 설정 활용
   • Cache-Control: no-cache 설정
   • 강제 리로드 헤더 사용

이렇게 브라우저 캐시를 적절히 활용하면 웹사이트의 로딩 속도를 크게 개선할 수 있습니다.

캐시 설정은 한 번 잘못 설정하면 사용자들이 오래된 파일을 보게 될 수 있으니, 신중하게 결정해야 합니다.

3. 서버 사이드 캐싱

데이터베이스 조회나 복잡한 연산 결과를 서버 메모리에 저장해두면 어떨까요?

이것이 바로 서버 사이드 캐싱의 기본 개념입니다.

마치 자주 주문하는 메뉴를 미리 준비해두는 레스토랑처럼, 서버도 자주 요청되는 데이터를 미리 준비해둘 수 있습니다.

서버 캐시의 종류와 특징

1. 로컬 메모리 캐시
   • 애플리케이션 서버의 메모리 직접 사용
   • 가장 빠르지만 서버 재시작시 데이터 손실
   • 단일 서버에서만 사용 가능
2. 분산 캐시
   • 여러 서버에서 공유하는 캐시
   • 서버간 데이터 일관성 보장
   • 확장성이 좋음
3. 파일 시스템 캐시
   • 디스크에 캐시 데이터 저장
   • 서버 재시작해도 데이터 유지
   • 접근 속도는 상대적으로 느림

Redis vs Memcached 비교

Redis vs Memcached 비교

Redis의 특징

• 다양한 데이터 구조 지원 (String, List, Hash 등)
• 영구 저장 가능
• 복제 및 클러스터링 지원
• 더 많은 메모리 사용

Memcached의 특징

• 단순한 key-value 저장만 가능
• 메모리에만 저장 (휘발성)
• 단순하고 빠른 성능
• 적은 메모리 사용

캐시 저장소 선택 기준

상황에 맞는 캐시 저장소 선택 방법

1. 데이터 크기
   • 작은 규모: 로컬 메모리 캐시
   • 중간 규모: Memcached
   • 대규모: Redis 클러스터
2. 데이터 구조
   • 단순 데이터: Memcached
   • 복잡한 데이터: Redis
3. 가용성 요구사항
   • 높은 가용성 필요: Redis
   • 일반적인 수준: Memcached

캐시 데이터 관리 전략

효과적인 캐시 데이터 관리 방법

1. 캐시 저장 정책
   • 자주 조회되는 데이터 우선 저장
   • 수정이 적은 데이터 위주로 저장
   • 적절한 만료 시간 설정
2. 캐시 갱신 전략
   • Write-Through: 데이터 저장 시 동시에 캐시 갱신
   • Write-Back: 캐시만 먼저 갱신, 나중에 DB 갱신
   • Write-Around: 캐시 건너뛰고 DB에만 저장
3. 캐시 삭제 정책
   • LRU (Least Recently Used): 오래된 데이터 먼저 삭제
   • LFU (Least Frequently Used): 적게 사용된 데이터 먼저 삭제
   • FIFO (First In First Out): 먼저 들어온 데이터 먼저 삭제

분산 캐시 시스템 이해하기

여러 서버에서 캐시를 공유할 때 고려사항

1. 데이터 일관성
   • 모든 서버가 같은 데이터 보유
   • 업데이트 전파 방식 결정
2. 장애 대응
   • 캐시 서버 장애 시 대체 서버 활용
   • 데이터 복제본 유지
3. 확장성
   • 서버 추가/제거 시 데이터 재분배
   • 부하 분산 방식 결정

4. CDN 캐싱 전략

전 세계 어디서나 빠르게 콘텐츠를 제공하는 CDN(Content Delivery Network). 마치 전국 각지에 편의점을 두어 가까운 곳에서 물건을 살 수 있게 하는 것처럼, CDN은 전 세계 곳곳에 콘텐츠 사본을 저장해둡니다.

CDN의 동작 원리

CDN이 콘텐츠를 전달하는 과정

1. 사용자 요청 처리
   • 사용자가 웹사이트 접속
   • DNS가 가장 가까운 CDN 서버로 연결
2. 캐시 확인 절차
   • CDN 서버에 콘텐츠가 있으면 바로 전달
   • 없으면 원본 서버에서 가져와 저장 후 전달
3. 콘텐츠 전파
   • 주요 콘텐츠는 미리 전 세계 서버에 배포
   • 요청이 많은 지역에 우선 배포

CDN 캐시 설정 방법

효과적인 CDN 설정을 위한 핵심 포인트

1. 캐시 규칙 설정
   • 파일 확장자별 캐시 시간 지정
   • URL 패턴별 캐시 정책 적용
   • 동적/정적 콘텐츠 구분
2. 헤더 설정
   • Cache-Control 헤더 활용
   • 커스텀 헤더로 세부 제어
   • Origin 헤더 관리
3. 압축 설정
   • Gzip/Brotli 압축 활성화
   • 이미지 최적화 설정
   • 동적 압축 옵션

효과적인 CDN 활용 사례

실제 서비스에서의 활용 방법

1. 정적 리소스 배포
   • 이미지, CSS, JavaScript 파일
   • 웹폰트, 아이콘 등 미디어 파일
   • HTML 페이지 (정적인 경우)
2. API 캐싱
   • 자주 호출되는 API 응답
   • 변경이 적은 데이터
   • 지역별 콘텐츠
3. 스트리밍 서비스
   • 동영상 스트리밍
   • 라이브 방송
   • 오디오 콘텐츠

CDN 캐시 무효화 방법

콘텐츠 업데이트 시 캐시 갱신 방법

1. 즉시 무효화
   • API를 통한 직접 삭제
   • 긴급 업데이트 시 사용
   • 전체 네트워크에 즉시 적용
2. 버전 관리
   • 파일명에 버전 포함
   • URL 파라미터 활용
   • 새로운 경로 사용
3. TTL 관리
   • 적절한 만료 시간 설정
   • 콘텐츠 특성에 따른 차등 적용
   • 자동 갱신 스케줄링

비용 최적화 전략

CDN 사용 비용 절감 방법

1. 트래픽 최적화
   • 필요한 파일만 CDN 사용
   • 적절한 캐시 시간 설정
   • 압축 활성화
2. 지역 설정
   • 주요 사용자 지역 파악
   • 불필요한 지역 제외
   • 트래픽 분산 설정
3. 요금제 선택
   • 사용량 기반 vs 고정 요금
   • 트래픽 패턴 분석
   • 장기 계약 할인 활용

CDN을 처음 도입시

간단한 정적 파일부터 시작하여, 점진적으로 확장.

특히 이미지나 동영상 같은 큰 파일들을 CDN으로 제공하면 서버 비용과 부하가 감소.

 

CDN 설정은 모니터링을 통해 지속적으로 최적화가 중요.

사용자들의 접속 패턴과 콘텐츠 특성에 맞춰 설정을 조정해 나가면서, 최적의 성능과 비용 효율을 찾아가야 합니다.