MySQL ‐ Operational‐Level System Design
1. Data Collection — 데이터가 발생하는 곳
- Web/App Server : 사용자가 앱에서 클릭·검색·결제 → 서버가 "클릭 이벤트" 발생한다.
- IoT Device: 센서가 온도·위치 값을 계속 측정해서 발생한다.
- Database CDC : DB에 주문이 INSERT되면 그 변경을 감지해 이벤트가 발생(CDC = Change Data Capture, "DB 바뀐 것 실시간 감지")한다.
2. Stream Storage — 일단 큐에 모임(Kafka)
- 발생한 이벤트를 곧바로 처리하지 않고 메시지 큐(Kafka)에 잠깐 쌓는다.
- 완충(버퍼) : 갑자기 트래픽이 폭주해도 큐가 받아내고, 뒷단은 자기 속도로 소비할 수 있다.
- 분리(디커플링) : 데이터 만드는 쪽과 처리하는 쪽이 서로 몰라도 됨 → 독립적으로 확장·교체 가능하다.
- 여러 소비자 : 같은 이벤트를 여러 시스템이 나눠 읽을 수 있다.
3. Stream Processing — 실시간으로 가공(Flink)
- 스트림 프로세서가 큐에서 이벤트를 도착하는 즉시 꺼내서 계산한다.
- 데이터가 오는 순간 바로 처리해서 지연이 초 단위이다.
4. Data Serving — 결과를 여러 곳에서 사용
- 가공한 결과를 필요한 곳으로 팬아웃(fan-out)한다.
즉, 여러 소스에서 끊임없이 발생한 데이터를 Kafka에 모아 완충하고 스트림 프로세서가 즉시 가공해서 대시보드·알림·ML·DW 등 여러 곳에 실시간으로 공급하는 구조를 만들 수 있다.
- 기존 배치는 스케줄러가 하나의
INSERT ... SELECT를 던지고, 스캔·그룹핑·집계·저장을 전부 운영 MySQL이 처리하는 구조다. - 데이터가 수천만 건일 때는 버티지만, 수억 ~ 수천억 건으로 늘면 세 갈래로 무너진다.
- 처리 시간 증가 : 단일 스레드·단일 노드로 전 구간을 순차 스캔·집계 → 데이터가 커질수록 배치 윈도우를 초과한다.
- DB 부하 → 서비스 영향 : 대량 스캔이 버퍼풀·I/O·CPU를 점유해 같은 DB를 쓰는 실서비스 응답이 함께 느려진다.
- 장애 대응의 어려움 : 한 트랜잭션으로 8시간 돌다 실패하면 처음부터. 재시작·부분복구·멱등성 보장이 어렵다.
해결 개념 - 연산을 DB 밖으로 위임한다
- DB에게 집계를 시키지 말고, 데이터만 병렬로 꺼내와 밖에서 나눠 계산한다.
- Spark가 이 문제에 주는 두 가지 실질 이점이 있다.
- 계산 위임 — GROUP BY·SUM 같은 무거운 연산을 MySQL이 아니라 Spark 클러스터가 수행한다.
- 병렬 데이터 로딩 — 하나의 큰 테이블을 order_id 범위로 쪼개 여러 Executor가 동시에 나눠 읽는다. 순차 스캔이 병렬 스캔으로 바뀐다.
1. 병렬 읽기용 뷰 정의
- MySQL의 orders를
partitionColumn기준으로 쪼개 여러 Executor가 동시에 읽도록 임시 뷰를 만든다. -
numPartitions만큼의 범위 쿼리가 병렬로 나간다.
CREATE OR REPLACE TEMPORARY VIEW orders_view
USING "jdbc" OPTIONS (
url "jdbc:mysql://mysql-server:3306/service_db",
dbtable "orders",
partitionColumn "order_id", -- 나눌 기준 (숫자·PK 권장)
lowerBound "1", -- 최소값
upperBound "100000000", -- 최대값
numPartitions "100" -- 100개로 분할 → 병렬 읽기
);
-- Executor 1 : WHERE order_id >= 1 AND order_id < 1000000
-- Executor 2 : WHERE order_id >= 1000000 AND order_id < 2000000
-- Executor 100: WHERE order_id >= 99000000 AND order_id <= 1000000002. 집계는 Spark 엔진이 수행한다.
- 이 쿼리는 더 이상 MySQL이 아니라 Spark 엔진이 인메모리로 실행한다.
-
WHERE created_at조건은Predicate Pushdown으로 읽기 단계에서 DB에 밀어넣어 스캔량을 줄이고,GROUP BY는 노드 간 셔플링을 거쳐 집계된다.
CREATE OR REPLACE TEMPORARY VIEW daily_summary AS
SELECT product_id,
SUM(sale_price * quantity) AS total_amount,
COUNT(*) AS total_count
FROM orders_view
WHERE created_at >= '2024-05-20 00:00:00'
AND created_at < '2024-05-21 00:00:00' -- ← Predicate Pushdown
GROUP BY product_id; -- ← Shuffle 발생3. 결과를 분석 DB에 저장한다.
- 집계 결과는 운영 DB가 아닌 별도의 분석용 DB에 적재해 서비스와 격리한다.
INSERT INTO analytics_db.daily_product_sales
SELECT * FROM daily_summary;1. 문제 : 하나의 변경, 여러 목적지
- Dual Write : 애플리케이션이 DB에 쓰고 또 Kafka에도 직접 쓴다. 두 쓰기는 한 트랜잭션이 아니라, 하나가 실패하면 시스템 간 데이터가 영구히 어긋난다.
- 주기적 배치 폴링 :
updated_at을 N분마다 훑기. 실시간이 아니고, 매 폴링이 운영 DB에 부하를 주며, 삭제(DELETE)는 감지조차 못 한다.
핵심 : 이미 정합성이 보장된 단 하나의 소스. DB의 트랜잭션 로그를 진실의 원천으로 삼는다.
1. Source — MySQL (Binlog)
- 모든 변경이 이미 binlog에 순서대로 기록된다.
- CDC의 전제 조건은 binlog_format=ROW 활성화이다.
2. CDC — Debezium Connector
- MySQL의 복제 슬레이브인 척
binlog를 구독해 변경을 표준 이벤트로 변환한다. - 애플리케이션은 이 존재를 모른다.
3. Streaming — Kafka Topic
- 변경 이벤트의 완충·보존·순서 보장 버퍼. 소비자가 잠시 죽어도 이벤트는 토픽에 남아 재생 가능하다.
4. Consumers
- 검색 · 분석 · 캐시 · 각자 독립적으로 같은 토픽을 구독한다.
- 소비자를 추가해도 생산 측은 전혀 바뀌지 않는다. 이것이 이벤트 브로커의 디커플링 이점이다.
왜 Kafka를 중간에 두나? - Debezium이 소비자에 직접 밀어주면, 소비자 하나가 느리면 전체가 막히고 재처리도 어렵다. Kafka가 이벤트를 보존하기에 소비자별 속도 차이·장애·나중 합류(replay)를 모두 흡수한다.
1. Debezium 동작 원리 — 스냅샷 → 스트리밍
- 커넥터가 처음 붙을 때 풀어야 하는 문제 : 지금까지 쌓인 데이터(과거)와 앞으로 바뀔 데이터(미래)를 빠짐도 중복도 없이 이어붙이는 것이다. 이 때, 순서가 핵심이다.
- 짧은 Lock으로 기준점 고정 : 아주 짧게
GLOBAL READ LOCK을 잡고 현재 binlog 위치를 저장한 뒤 즉시 해제한다. 이 시점이 과거와 미래의 경계선이 된다. - Lock 해제 후에도 변경은 안전 : 해제 순간부터의 변경은 그대로 binlog에 쌓이므로 유실되지 않는다. 그래서 Lock을 오래 잡을 필요가 없다(서비스 영향 최소).
- 초기 스냅샷 : 전건을 'c' 이벤트로 · 테이블 전체를 SELECT해 “현재 상태”를 Create 이벤트로 Kafka에 채운다. 소비자 입장에선 모든 행이 “새로 생성된” 것처럼 보인다.
- 저장한 위치부터 스트리밍 : 스냅샷이 끝나면 저장해둔 binlog 위치로 돌아가 'u'/'d' 이벤트를 순서대로 흘린다. 경계선 이후 것만 이어지므로 이중 반영이 없다.
최신 Debezium은 Lock을 더 줄인다. 위 흐름은 Lock 기반 스냅샷의 표준 모델이다. 실제로는 Incremental Snapshot(무Lock, 청크 단위 워터마크)으로 스냅샷과 스트리밍을 동시에 진행해 운영 부담을 더 낮추는 방식이 널리 쓰인다.
2. 변경 이벤트 메시지 구조
- Debezium의 이벤트는 “무엇이, 어떻게 바뀌었는지”를 담는 표준 envelope다. op는 연산 종류, before/after는 변경 전후 상태이다.
{
"op": "u", // c=create, u=update, d=delete, r=snapshot read
"ts_ms": 1721457600000,
"before": { "id": 42, "price": 1000, "status": "OPEN" },
"after": { "id": 42, "price": 1200, "status": "OPEN" },
"source": { "db": "service_db", "table": "orders",
"file": "binlog.000042", "pos": 15832 }
}- Kafka 메시지 Key = PK : 같은 레코드의 이벤트가 항상 같은 파티션으로 가도록 키를 PK로 둔다 → 그 레코드에 한해 순서가 보장된다.
- 삭제는 'd' + tombstone : Delete 이벤트 뒤에
value=null툼스톤을 보내, 키 기반 log compaction 토픽에서 실제로 지워지게 한다. - 'r' vs 'c' : 초기 스냅샷은 read(r), 실시간 생성은 create(c). 소비자는 대개 둘을 동일하게 “upsert”로 처리한다.
- 주의 1 : 순서 보장은 “파티션 단위”까지만. 전역 순서는 없다. PK를 파티션 키로 삼아 레코드별 순서를 확보하고, 전역 순서가 필요하면 파티션 1개(=처리량 희생)를 감수한다.
- 주의 2 : 멱등 소비자(Idempotent Consumer) : Kafka는 기본
at-least-once로 같은 이벤트가 재전송될 수 있다. 소비 측을 UPSERT·버전 비교로 멱등하게 만들어 중복을 무해화한다. - 주의 3 : Eventual Consistency 수용 : 소비자는 소스보다 항상 조금 뒤처진다. “강한 일관성”이 필요한 화면은 CDC 대상에서 제외하거나 소스를 직접 읽는다.
- 주의 4 : 스키마 진화 대비 · ALTER TABLE은 이벤트 스키마를 바꾼다. Schema Registry + 호환성 규칙(backward)으로 소비자가 깨지지 않게 한다.
- 주의 5 : 실패 격리 DLQ : 특정 이벤트가 소비 중 계속 실패하면 파이프라인 전체가 멈춘다. Dead Letter Queue로 밀어내 나머지를 계속 흐르게 하고 나중에 재처리한다.
- 주의 6 : Transaction Outbox로 Dual Write 봉쇄 : 애플리케이션이 이벤트를 발행해야 한다면, 비즈니스 데이터와 함께 outbox 테이블에 한 트랜잭션으로 넣고 그 테이블을 CDC로 흘린다.
- 주의 7 : 재적재(Backfill) 경로 확보 : 소비자 로직 변경·유실 시 스냅샷을 다시 태워 전량 재구성할 수 있어야 한다. Kafka 보존기간·compaction 정책을 이에 맞춰 설계한다.
1. 문제 : 동기 처리 안티패턴
- 회원가입이 부가 작업까지 전부 끝나야 응답한다. 사용자 저장은 빠르지만, 이메일·쿠폰은 외부 의존이라 느리고 불안정하다.
// Anti-pattern: Synchronous Processing
public void signUp(User user) {
userRepository.save(user); // 1. 빠름
emailService.sendWelcomeEmail(user.getEmail()); // 2. 느릴 수 있음
couponService.issueSignUpCoupon(user.getId()); // 3. 느릴 수 있음
// 4. 모든 작업이 끝나야 사용자에게 응답이 감
}핵심 : 핵심 로직만 즉시 처리하고, 나머지는 나중에 처리한다. 부가 작업을 Job으로 만들어 큐에 넣고, 응답은 바로 돌려준다.
DB를 큐로 쓴다.
- 메시지 브로커(Kafka·SQS) 없이 DB 테이블 하나로 큐를 구현하는 패턴으로 규모가 폭발하기 전까지 가장 실용적이다.
jobs 테이블 설계
- 테이블 하나가 큐이자 상태 저장소이자 감사 로그가 된다. 컬럼 하나하나가 특정 요구를 담당한다.
CREATE TABLE `jobs` (
`id` BIGINT AUTO_INCREMENT,
`job_type` VARCHAR(50) -- SEND_EMAIL, ISSUE_COUPON …
`payload` JSON, -- 작업에 필요한 데이터 (user_id 등)
`status` VARCHAR(20) DEFAULT 'PENDING', -- 생명주기
`priority` INT DEFAULT 100, -- 낮을수록 먼저
`retry_count` INT DEFAULT 0, -- 재시도 누적
`last_error_message` TEXT, -- 실패 진단
`run_at` DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP, -- 지연/백오프 예약
`created_at` DATETIME, `updated_at` DATETIME,
PRIMARY KEY (`id`),
INDEX `idx_status_priority_runat` (`status`,`priority`,`run_at`)
);-
status: 잡의 생명주기를 한 컬럼에 압축한다. 워커 획득·재시도·완료 판단의 축이다. -
priority + run_at: 무엇을 먼저(우선순위), 언제부터(예약) 가져갈지 결정한다. 지연 작업과 백오프 재시도를 같은 메커니즘으로 처리한다. -
retry_count,last_error_message: 실패를 데이터로 남겨 백오프 계산과 사후 진단을 가능하게 한다. -
(status, priority, run_at)Multi Column Index : 워커 획득 쿼리의WHERE·ORDER BY를 그대로 커버 → 큐가 커져도 “다음 잡 찾기”가 인덱스로 빠르게 끝난다. 이 인덱스가 이 패턴의 심장이다.
등록 — 하나의 트랜잭션으로
- 핵심 데이터와 잡을 같은 트랜잭션에 넣는 것이 이 패턴의 정합성 보증이다. 커밋되면 둘 다, 롤백되면 둘 다 없다.
BEGIN;
-- 1. 핵심 비즈니스 로직
INSERT INTO users (name, email) VALUES ('John Doe', 'john@example.com');
SET @user_id = LAST_INSERT_ID();
-- 2. 비동기 작업 등록 (같은 트랜잭션)
INSERT INTO jobs (job_type, payload, priority)
VALUES ('SEND_WELCOME_EMAIL', JSON_OBJECT('user_id', @user_id), 100);
INSERT INTO jobs (job_type, payload, priority)
VALUES ('ISSUE_SIGNUP_COUPON', JSON_OBJECT('user_id', @user_id), 200);
COMMIT;획득 — 워커 경쟁을 SKIP LOCKED로
- 여러 워커가 같은 테이블을 동시에 노린다. 핵심은 한 잡을 정확히 한 워커만 집어가게 하는 것이다. MySQL 8.0의
FOR UPDATE SKIP LOCKED가 이를 락 대기 없이 해결한다.
BEGIN;
-- 처리할 잡을 찾아 배타적 락. 이미 잠긴 행은 건너뛴다.
SET @job_id = (
SELECT id FROM jobs
WHERE status = 'PENDING' AND run_at <= NOW()
ORDER BY priority ASC, id ASC
LIMIT 1
FOR UPDATE SKIP LOCKED -- ★ 다른 워커가 잡은 행은 스킵
);
IF @job_id IS NOT NULL THEN
UPDATE jobs SET status = 'RUNNING' WHERE id = @job_id;
END IF;
COMMIT; -- 락 해제. 이후 앱 코드가 실제 작업(이메일 발송 등)을 수행-
FOR UPDATE만 쓰면 : 뒤늦은 워커들이 잠긴 행을 기다리며 줄을 선다 → 사실상 직렬 처리, 병렬성 붕괴된다. 일반적인SELECT는 락을 보유하지 않지만SELECT ... FOR UPDATE는 락을 보유한다고 했다. -
SKIP LOCKED: 잠긴 행은 즉시 건너뛰고 다음 잡을 집는다 → 워커를 늘린 만큼 처리량이 선형에 가깝게 확장할 수 있다. -
run_at <= NOW(): 미래로 예약된 잡(지연·백오프)은 자동으로 제외된다. 예약과 큐잉이 한 쿼리에 집약된다.
핵심 : 중복 방지의 핵심은 원자성. “잡 선택 → RUNNING 표시”가 한 트랜잭션 안에서 락으로 보호되므로, 두 워커가 같은 잡을 RUNNING으로 만드는 경쟁이 불가능하다.
실패와 재시도 - 지수 백오프
- 일시적 실패(네트워크 순단 등)는 즉시 재시도하면 더 악화된다. 재시도 간격을 점점 벌리는 지수 백오프로 상대 시스템에 숨 쉴 틈을 준다.
-- 실패 처리 (의사 코드)
SET @new_retry_count = retry_count + 1;
SET @delay = POWER(10, @new_retry_count); -- 10, 100, 1000 … 초
UPDATE jobs
SET status = 'PENDING', -- 다시 큐로 (아직 죽이지 않음)
retry_count = @new_retry_count,
last_error_message = '...',
run_at = NOW() + INTERVAL @delay SECOND -- 다음 실행을 미래로
WHERE id = @job_id;-
status를PENDING으로 되돌린다 : 실패했다고 바로 버리지 않고 큐에 재투입한다. 단run_at을 미래로 밀어 바로 다시 잡히지 않게 한다. -
run_at이 백오프의 열쇠 : 워커 획득 쿼리의run_at <= NOW()덕분에, 지연이 끝나는 시점까지 이 잡은 자연히 무시된다. 별도 스케줄러가 필요 없다. - 한도를 넘으면
FAILED:retry_count가 상한을 넘으면FAILED로 확정하고 알림·수동 개입 대상(Dead Letter)으로 분리한다.
- 주의 1 : 멱등성은 필수. 이 큐는
at-least-once다. 워커가 작업 후DONE표시 직전에 죽으면 같은 잡이 재실행된다. 이메일 중복 발송을 막으려면 소비 로직 자체가 멱등해야 한다. - 주의 2 : 멈춘
RUNNING회수. 워커가RUNNING인 채로 크래시되면 그 잡은 영원히 갇힌다.updated_at이 오래된RUNNING을 주기적으로PENDING으로 되돌리는 리퍼(reaper)가 필요하다. - 주의 3 : 폴링 간격의 트레이드오프. 자주 폴링하면 지연이 발생하고 DB 부하가 증가한다. 지연에 민감하디면
SELECT ... SLEEP대신 알림(NOTIFY) 방식을 검토할 수 있다. - 주의 4 : 완료 잡 정리.
DONE이 쌓이면 테이블과 인덱스가 비대해진다. 아카이브 이관이나created_at기준 파티셔닝·주기 삭제로 관리하는 것을 권장한다. - 주의 5 : 우선순위 기아 주의. 높은 우선순위 잡이 계속 유입되면 낮은 잡이 영원히 밀린다. 대기 시간 가중치(aging) 등의 보정을 고려한다.
- 주의 6 : 처리량 상한을 알고 쓸 것. DB 큐는 초당 수백 ~ 수천 건 규모에 적합하다. 그 이상·다중 서비스 팬아웃이 필요해지면 Kafka·SQS로 이행하는 것이 자연스러운 다음 단계다.
1. 문제 — 하나의 DB로 모든 질의를 감당할 수 없다
- 관계형 DB는 트랜잭션과 정합성에 최적이다. 하지만 같은 데이터에 대한 요구는 제각각이다.
2. 해결 - 단일 진실 + 목적별 읽기 모델
- 두 개의 검증된 패턴을 결합한다.
- 각 NoSQL은 MySQL이 못하는 특정 질의를 대신한다. 선택 기준은 데이터 모델과 질의 형태가 된다.