서킷 브레이커: 최신 애플리케이션을 위한 강력한 장애 허용 패턴

소프트웨어 개발, 특히 마이크로서비스 아키텍처 및 분산 시스템 영역에서 애플리케이션의 회복탄력성을 보장하는 것은 매우 중요합니다. 구성 요소에 장애가 발생했을 때 연쇄적인 장애를 방지하고 안정적이며 응답성 있는 사용자 경험을 유지하는 것이 중요합니다. 서킷 브레이커 패턴은 이러한 시나리오에서 장애 허용 및 점진적 성능 저하를 달성하기 위한 강력한 솔루션으로 부상했습니다.

서킷 브레이커 패턴이란 무엇인가?

서킷 브레이커 패턴은 과전류로 인한 회로 손상을 방지하는 전기 회로 차단기에서 영감을 받았습니다. 소프트웨어에서는 실패할 가능성이 있는 작업을 위한 프록시 역할을 하여 애플리케이션이 실패할 가능성이 높은 작업을 반복적으로 실행하는 것을 방지합니다. 이러한 선제적인 접근 방식은 리소스 낭비를 피하고, 지연 시간을 줄이며, 궁극적으로 시스템 안정성을 향상시킵니다.

핵심 아이디어는 서비스가 지속적으로 응답에 실패할 때 서킷 브레이커가 "열리고(Open)", 해당 서비스에 대한 추가 요청을 막는 것입니다. 정의된 기간이 지나면 서킷 브레이커는 "반-열림(Half-Open)" 상태로 전환되어 제한된 수의 테스트 요청이 통과하도록 허용합니다. 이러한 요청이 성공하면 서킷 브레이커는 "닫히고(Closed)" 정상적인 작동을 재개합니다. 실패하면 서킷 브레이커는 열린 상태를 유지하고 주기가 반복됩니다.

서킷 브레이커의 상태

서킷 브레이커는 세 가지 고유한 상태로 작동합니다:

• 닫힘(Closed): 이것은 정상 작동 상태입니다. 요청은 서비스로 직접 라우팅됩니다. 서킷 브레이커는 이러한 요청의 성공 및 실패율을 모니터링합니다. 실패율이 미리 정의된 임계값을 초과하면 서킷 브레이커는 열림(Open) 상태로 전환됩니다.
• 열림(Open): 이 상태에서 서킷 브레이커는 모든 요청을 단락시켜 즉시 오류나 대체 응답을 반환합니다. 이는 애플리케이션이 실패한 서비스에 재시도로 부담을 주는 것을 방지하고 서비스가 복구될 시간을 허용합니다.
• 반-열림(Half-Open): 열림(Open) 상태에서 지정된 시간 초과 기간이 지나면 서킷 브레이커는 반-열림(Half-Open) 상태로 전환됩니다. 이 상태에서는 제한된 수의 테스트 요청이 서비스로 전달되도록 허용합니다. 이러한 요청이 성공하면 서킷 브레이커는 다시 닫힘(Closed) 상태로 전환됩니다. 테스트 요청 중 하나라도 실패하면 서킷 브레이커는 열림(Open) 상태로 돌아갑니다.

서킷 브레이커 패턴 사용의 이점

서킷 브레이커 패턴을 구현하면 다음과 같은 몇 가지 주요 이점이 있습니다:

• 회복탄력성 향상: 실패한 서비스에 대한 요청을 방지하여 연쇄적인 장애를 예방하고 애플리케이션 가용성을 유지합니다.
• 안정성 강화: 실패한 서비스에 대한 재시도로 애플리케이션에 과부하가 걸리는 것을 방지하여 리소스를 절약하고 전반적인 안정성을 향상시킵니다.
• 지연 시간 감소: 실패한 서비스의 응답을 기다리는 데 따른 불필요한 지연을 방지하여 사용자를 위한 더 빠른 응답 시간을 제공합니다.
• 점진적 성능 저하: 서비스가 사용 불가능할 때 애플리케이션 기능이 점진적으로 저하되도록 하여 단순히 실패하는 것보다 더 수용 가능한 사용자 경험을 제공합니다.
• 자동 복구: 실패한 서비스가 다시 사용 가능해지면 자동 복구를 활성화하여 다운타임을 최소화합니다.
• 장애 격리: 시스템 내의 장애를 격리하여 다른 구성 요소로 전파되는 것을 방지합니다.

구현 시 고려사항

서킷 브레이커 패턴을 효과적으로 구현하려면 여러 요소를 신중하게 고려해야 합니다:

• 실패 임계값: 서킷 브레이커를 열 시점을 결정하는 임계값입니다. 이는 특정 서비스 및 애플리케이션 요구 사항에 따라 신중하게 조정되어야 합니다. 임계값이 낮으면 조기에 차단될 수 있고, 높으면 적절한 보호를 제공하지 못할 수 있습니다.
• 시간 초과 기간: 서킷 브레이커가 열림(Open) 상태에 머무르다가 반-열림(Half-Open) 상태로 전환되기까지의 시간입니다. 이 기간은 실패한 서비스가 복구될 수 있을 만큼 충분히 길어야 하지만 다운타임을 최소화할 수 있을 만큼 짧아야 합니다.
• 반-열림 테스트 요청: 반-열림(Half-Open) 상태에서 통과가 허용되는 테스트 요청의 수입니다. 이 수는 복구 중인 서비스에 과부하를 줄 위험을 최소화할 만큼 작아야 하지만, 서비스의 상태를 신뢰할 수 있게 나타낼 만큼 커야 합니다.
• 대체 메커니즘: 서킷 브레이커가 열려 있을 때 대체 응답이나 기능을 제공하는 메커니즘입니다. 캐시된 데이터를 반환하거나, 사용자 친화적인 오류 메시지를 표시하거나, 사용자를 대체 서비스로 리디렉션하는 것이 포함될 수 있습니다.
• 모니터링 및 로깅: 서킷 브레이커의 상태, 실패 횟수, 요청 성공률을 추적하기 위한 포괄적인 모니터링 및 로깅입니다. 이 정보는 시스템의 동작을 이해하고 문제를 진단 및 해결하는 데 중요합니다.
• 구성: 구성 매개변수(실패 임계값, 시간 초과 기간, 반-열림 테스트 요청)를 외부화하여 코드 변경 없이 동적으로 조정할 수 있도록 합니다.

구현 예제

서킷 브레이커 패턴은 다양한 프로그래밍 언어와 프레임워크를 사용하여 구현할 수 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다:

Resilience4j를 사용한 Java

Resilience4j는 서킷 브레이커, 재시도, 비율 제한기, 벌크헤드 등 포괄적인 장애 허용 도구 모음을 제공하는 인기 있는 Java 라이브러리입니다. 다음은 기본 예제입니다:

CircuitBreakerConfig circuitBreakerConfig = CircuitBreakerConfig.custom()
    .failureRateThreshold(50)
    .waitDurationInOpenState(Duration.ofMillis(1000))
    .permittedNumberOfCallsInHalfOpenState(2)
    .slidingWindowSize(10)
    .build();

CircuitBreaker circuitBreaker = CircuitBreaker.of("myService", circuitBreakerConfig);

Supplier<String> decoratedSupplier = CircuitBreaker
    .decorateSupplier(circuitBreaker, () -> myRemoteService.getData());

try {
    String result = decoratedSupplier.get();
    // Process the result
} catch (RequestNotPermitted e) {
    // Handle the open circuit
    System.err.println("Circuit is open: " + e.getMessage());
}

Pybreaker를 사용한 Python

Pybreaker는 간단하고 사용하기 쉬운 서킷 브레이커 구현을 제공하는 Python 라이브러리입니다.

import pybreaker

breaker = pybreaker.CircuitBreaker(fail_max=3, reset_timeout=10)

@breaker
def unreliable_function():
    # 불안정한 함수 호출은 여기에 작성
    pass

try:
    unreliable_function()
except pybreaker.CircuitBreakerError:
    print("서킷 브레이커가 열렸습니다!")

Polly를 사용한 .NET

Polly는 개발자가 재시도, 서킷 브레이커, 시간 초과, 벌크헤드와 같은 정책을 유연하고 구성 가능한 방식으로 표현할 수 있게 해주는 .NET 회복탄력성 및 일시적 오류 처리 라이브러리입니다.

var circuitBreakerPolicy = Policy
    .Handle<Exception>()
    .CircuitBreakerAsync(
        exceptionsAllowedBeforeBreaking: 3,
        durationOfBreak: TimeSpan.FromSeconds(10),
        onBreak: (exception, timespan) =>
        {
            Console.WriteLine("서킷 브레이커 열림: " + exception.Message);
        },
        onReset: () =>
        {
            Console.WriteLine("서킷 브레이커 재설정됨.");
        },
        onHalfOpen: () =>
        {
            Console.WriteLine("서킷 브레이커 반-열림 상태.");
        });


try
{
    await circuitBreakerPolicy.ExecuteAsync(async () =>
    {
        // 불안정한 작업은 여기에 작성
        await MyRemoteService.GetDataAsync();
    });
}
catch (Exception ex)
{
    Console.WriteLine("처리된 예외: " + ex.Message);
}

실제 사용 사례

서킷 브레이커 패턴은 다양한 산업 및 애플리케이션에서 널리 사용됩니다:

• 전자상거래: 결제 게이트웨이를 사용할 수 없을 때 연쇄적인 장애를 방지하여 장바구니와 결제 프로세스가 계속 작동하도록 보장합니다. 예: 글로벌 전자상거래 플랫폼에서 특정 결제 제공업체가 한 지역(예: 동남아시아)에서 다운타임을 겪는 경우, 서킷 브레이커가 열리고 거래는 해당 지역의 대체 제공업체로 라우팅되거나 시스템이 사용자에게 대체 결제 방법을 제공할 수 있습니다.
• 금융 서비스: 거래 시스템의 장애를 격리하여 부정확하거나 불완전한 거래를 방지합니다. 예: 거래가 많은 시간대에 증권사의 주문 실행 서비스에 간헐적인 장애가 발생할 수 있습니다. 서킷 브레이커는 해당 서비스를 통한 반복적인 주문 시도를 방지하여 시스템 과부하와 잠재적인 금융 손실로부터 시스템을 보호할 수 있습니다.
• 클라우드 컴퓨팅: 클라우드 서비스의 일시적인 중단을 처리하여 애플리케이션이 계속 사용 가능하고 응답성을 유지하도록 보장합니다. 예: 글로벌 마케팅 플랫폼에서 사용하는 클라우드 기반 이미지 처리 서비스가 특정 데이터 센터에서 사용할 수 없게 되면, 서킷 브레이커가 열리고 요청을 다른 데이터 센터로 라우팅하거나 대체 서비스를 활용하여 플랫폼 사용자에 대한 중단을 최소화합니다.
• 사물 인터넷(IoT): IoT 장치와의 연결 문제를 관리하여 실패한 장치로 인해 시스템이 과부하되는 것을 방지합니다. 예: 다양한 지리적 위치에 수많은 연결된 장치가 있는 스마트 홈 시스템에서 특정 지역(예: 유럽)의 특정 유형 센서가 잘못된 데이터를 보고하거나 응답하지 않기 시작하면, 서킷 브레이커는 해당 센서를 격리하고 전체 시스템 성능에 영향을 미치지 않도록 방지할 수 있습니다.
• 소셜 미디어: 타사 API 통합의 일시적인 장애를 처리하여 소셜 미디어 플랫폼이 계속 작동하도록 보장합니다. 예: 소셜 미디어 플랫폼이 외부 콘텐츠를 표시하기 위해 타사 API에 의존하고 해당 API가 다운타임을 겪는 경우, 서킷 브레이커는 API에 대한 반복적인 요청을 방지하고 캐시된 데이터나 기본 메시지를 사용자에게 표시하여 장애의 영향을 최소화할 수 있습니다.

서킷 브레이커 vs. 재시도 패턴

서킷 브레이커와 재시도 패턴은 모두 장애 허용을 위해 사용되지만, 목적이 다릅니다.

• 재시도 패턴: 실패가 일시적이고 후속 시도에서 성공할 수 있다고 가정하고 실패한 작업을 자동으로 재시도합니다. 간헐적인 네트워크 문제나 일시적인 리소스 고갈에 유용합니다. 기본 서비스가 실제로 다운된 경우에는 문제를 악화시킬 수 있습니다.
• 서킷 브레이커 패턴: 실패가 지속적이라고 가정하고 실패한 작업을 반복적으로 실행하려는 시도를 방지합니다. 연쇄적인 장애를 방지하고 실패한 서비스가 복구될 시간을 허용하는 데 유용합니다.

경우에 따라 이 두 패턴을 함께 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 서킷 브레이커 내에 재시도 패턴을 구현할 수 있습니다. 서비스가 지속적으로 실패하는 경우 서킷 브레이커는 과도한 재시도를 방지하고, 재시도 패턴은 서킷 브레이커가 트리거되기 전에 일시적인 오류를 처리합니다.

피해야 할 안티패턴

서킷 브레이커는 강력한 도구이지만, 잠재적인 안티패턴에 대해 인지하는 것이 중요합니다:

• 잘못된 구성: 실패 임계값이나 시간 초과 기간을 너무 높거나 낮게 설정하면 조기 트리핑이나 부적절한 보호로 이어질 수 있습니다.
• 모니터링 부재: 서킷 브레이커의 상태를 모니터링하지 않으면 근본적인 문제를 식별하고 해결하는 것을 방해할 수 있습니다.
• 대체 메커니즘 무시: 대체 메커니즘을 제공하지 않으면 서킷 브레이커가 열려 있을 때 좋지 않은 사용자 경험을 초래할 수 있습니다.
• 과도한 의존: 서비스의 근본적인 신뢰성 문제를 해결하는 대신 서킷 브레이커를 사용하는 것입니다. 서킷 브레이커는 해결책이 아니라 보호 장치입니다.
• 하위 종속성 미고려: 서킷 브레이커는 즉각적인 호출자를 보호합니다. 하위 서비스에도 적절한 서킷 브레이커가 있어 장애 전파를 방지하는지 확인해야 합니다.

고급 개념

• 적응형 임계값: 과거 성능 데이터를 기반으로 실패 임계값을 동적으로 조정합니다.
• 롤링 윈도우: 롤링 윈도우를 사용하여 실패율을 계산하여 최근 성능을 더 정확하게 나타냅니다.
• 문맥적 서킷 브레이커: 다양한 유형의 요청이나 사용자에 대해 서로 다른 서킷 브레이커를 생성하여 더 세분화된 제어를 허용합니다.
• 분산 서킷 브레이커: 분산 시스템의 여러 노드에 걸쳐 서킷 브레이커를 구현하여 장애가 격리되고 억제되도록 보장합니다.

결론

서킷 브레이커 패턴은 특히 마이크로서비스 아키텍처 및 분산 시스템에서 회복탄력성 있고 장애 허용적인 애플리케이션을 구축하기 위한 필수 도구입니다. 연쇄적인 장애를 방지하고, 지연 시간을 줄이며, 점진적 성능 저하를 가능하게 함으로써 애플리케이션 안정성을 향상시키고 사용자 경험을 개선합니다. 구현 세부 사항을 신중하게 고려하고 일반적인 안티패턴을 피함으로써, 서킷 브레이커 패턴을 효과적으로 활용하여 더 견고하고 신뢰할 수 있는 소프트웨어 시스템을 만들 수 있습니다. 그 글로벌 적용 가능성 덕분에 다양하고 국제적인 사용자 기반을 위해 설계된 모든 애플리케이션에 대한 중요한 고려 사항이 됩니다. 서킷 브레이커 패턴을 이해하고 구현하는 것은 현대 소프트웨어 엔지니어링 관행에 매우 중요합니다. 잠재적인 장애를 선제적으로 해결함으로써 개발자는 분산 컴퓨팅의 피할 수 없는 과제를 더 잘 처리할 수 있는 시스템을 구축할 수 있습니다.