프론트엔드 실시간 벡터 시계: 분산 이벤트 순서화

점점 더 상호 연결되는 웹 애플리케이션 세계에서 여러 클라이언트 간에 일관된 이벤트 순서를 보장하는 것은 데이터 무결성을 유지하고 원활한 사용자 경험을 제공하는 데 매우 중요합니다. 이는 온라인 문서 편집기, 실시간 채팅 플랫폼 및 다중 사용자 게임 환경과 같은 협업 애플리케이션에서 특히 중요합니다. 이를 달성하는 강력한 기술은 벡터 시계를 구현하는 것입니다.

벡터 시계란 무엇입니까?

벡터 시계는 글로벌 물리적 시계에 의존하지 않고 분산 시스템에서 이벤트의 부분 순서를 결정하는 데 사용되는 논리적 시계입니다. 클록 드리프트 및 동기화 문제에 취약한 물리적 시계와 달리 벡터 시계는 인과 관계를 추적하기 위한 일관되고 안정적인 방법을 제공합니다.

여러 사용자가 공유 문서에서 협업하고 있다고 상상해 보세요. 각 사용자의 작업(예: 입력, 삭제, 서식 지정)은 이벤트로 간주됩니다. 벡터 시계를 사용하면 물리적 위치나 네트워크 대기 시간에 관계없이 한 사용자의 작업이 다른 사용자의 작업 전, 후 또는 동시에 발생했는지 여부를 확인할 수 있습니다.

주요 개념

• 벡터: 각 프로세스(예: 사용자 브라우저 세션)는 시스템의 프로세스에 해당하는 요소가 있는 배열 또는 객체인 벡터를 유지 관리합니다. 각 요소의 값은 현재 프로세스가 알고 있는 해당 프로세스의 논리적 시간을 나타냅니다.
• 증가: 프로세스가 내부 이벤트(해당 프로세스에만 보이는 이벤트)를 실행하면 벡터에서 자체 항목을 증가시킵니다.
• 전송: 프로세스가 메시지를 보내면 메시지에 현재 벡터 시계 값을 포함합니다.
• 수신: 프로세스가 메시지를 받으면 현재 벡터와 메시지에서 받은 벡터의 요소별 최대값을 취하여 자체 벡터를 업데이트합니다. 또한 수신 이벤트 자체를 반영하여 벡터에서 자체 항목을 *증가*시킵니다.

벡터 시계가 실제로 작동하는 방식

문서에서 협업하는 세 명의 사용자(A, B, C)가 포함된 간단한 예제로 설명해 보겠습니다.

초기 상태: 각 사용자는 벡터 시계를 [0, 0, 0]으로 초기화합니다.

사용자 A의 작업: 사용자 A가 문자 'H'를 입력합니다. A는 벡터에서 자체 항목을 증가시켜 [1, 0, 0]이 됩니다.

사용자 A 전송: 사용자 A는 'H' 문자 및 벡터 시계 [1, 0, 0]을 서버로 보내고 서버는 이를 사용자 B와 C에게 릴레이합니다.

사용자 B 수신: 사용자 B는 메시지와 벡터 시계 [1, 0, 0]을 수신합니다. B는 요소별 최대값을 취하여 벡터 시계를 업데이트합니다. max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. 그런 다음 B는 자체 항목을 증가시켜 [1, 1, 0]이 됩니다.

사용자 C 수신: 사용자 C는 메시지와 벡터 시계 [1, 0, 0]을 수신합니다. C는 벡터 시계를 업데이트합니다. max([0, 0, 0], [1, 0, 0]) = [1, 0, 0]. 그런 다음 C는 자체 항목을 증가시켜 [1, 0, 1]이 됩니다.

사용자 B의 작업: 사용자 B가 문자 'i'를 입력합니다. B는 벡터 시계에서 자체 항목을 증가시킵니다. [1, 2, 0].

이벤트 비교:

이제 이러한 이벤트와 관련된 벡터 시계를 비교하여 관계를 확인할 수 있습니다.

• A의 'H'([1, 0, 0])는 B의 'i'([1, 2, 0])보다 먼저 발생했습니다. [1, 0, 0] <= [1, 2, 0]이고 적어도 하나의 요소가 엄격하게 작기 때문입니다.

벡터 시계 비교

벡터 시계 V1과 V2로 표시되는 두 이벤트 간의 관계를 확인하려면:

• V1은 V2보다 먼저 발생했습니다(V1 < V2): V1의 각 요소는 V2의 해당 요소보다 작거나 같고, 적어도 하나의 요소가 엄격하게 작습니다.
• V2는 V1보다 먼저 발생했습니다(V2 < V1): V2의 각 요소는 V1의 해당 요소보다 작거나 같고, 적어도 하나의 요소가 엄격하게 작습니다.
• V1과 V2는 동시적입니다. V1 < V2도 V2 < V1도 아닙니다. 즉, 이벤트 간에 인과 관계가 없습니다.
• V1과 V2는 같습니다(V1 = V2): V1의 각 요소는 V2의 해당 요소와 같습니다. 이는 두 벡터가 모두 동일한 상태를 나타냄을 의미합니다.

프론트엔드 JavaScript에서 벡터 시계 구현

다음은 프론트엔드 애플리케이션에 적합한 JavaScript에서 벡터 시계를 구현하는 방법에 대한 기본 예입니다.

            
class VectorClock {
  constructor(processId, totalProcesses) {
    this.processId = processId;
    this.clock = new Array(totalProcesses).fill(0);
  }

  increment() {
    this.clock[this.processId]++;
  }

  merge(receivedClock) {
    for (let i = 0; i < this.clock.length; i++) {
      this.clock[i] = Math.max(this.clock[i], receivedClock[i]);
    }
    this.increment(); // Increment after merging, representing the receive event
  }

  getClock() {
    return [...this.clock]; // Return a copy to avoid modification issues
  }

  happenedBefore(otherClock) {
    let lessThanOrEqual = true;
    let strictlyLessThan = false;

    for (let i = 0; i < this.clock.length; i++) {
      if (this.clock[i] > otherClock[i]) {
        return false; //Not less than or equal
      }
      if (this.clock[i] < otherClock[i]) {
        strictlyLessThan = true;
      }
    }

    return strictlyLessThan && lessThanOrEqual;
  }

}

// Example Usage:
const totalProcesses = 3; // Number of collaborating users
const userA = new VectorClock(0, totalProcesses);
const userB = new VectorClock(1, totalProcesses);
const userC = new VectorClock(2, totalProcesses);

userA.increment(); // A does something
const clockA = userA.getClock();

userB.merge(clockA); // B receives A's event
userB.increment();   // B does something
const clockB = userB.getClock();

console.log("A's Clock:", clockA);
console.log("B's Clock:", clockB);

console.log("A happened before B:", userA.happenedBefore(clockB));

            

              
                Copy
              
            
          

설명

• 생성자: 프로세스 ID와 총 프로세스 수를 사용하여 벡터 시계를 초기화합니다. `clock` 배열은 모두 0으로 초기화됩니다.
• increment(): 프로세스 ID에 해당하는 인덱스에서 시계 값을 증가시킵니다.
• merge(): 요소별 최대값을 취하여 수신된 시계를 현재 시계와 병합합니다. 이렇게 하면 시계가 각 프로세스에 대해 알려진 가장 높은 논리적 시간을 반영하도록 보장됩니다. 병합 후 메시지 수신을 나타내는 자체 시계를 증가시킵니다.
• getClock(): 외부 수정을 방지하기 위해 현재 시계의 복사본을 반환합니다.
• happenedBefore(): 두 시계를 비교하고 현재 시계가 다른 시계보다 먼저 발생한 경우 `true`를 반환하고 그렇지 않으면 `false`를 반환합니다.

과제 및 고려 사항

벡터 시계는 분산 이벤트 순서화를 위한 강력한 솔루션을 제공하지만 고려해야 할 몇 가지 과제가 있습니다.

• 확장성: 벡터 시계의 크기는 시스템의 프로세스 수에 따라 선형적으로 증가합니다. 대규모 애플리케이션에서는 상당한 오버헤드가 될 수 있습니다. 잘린 벡터 시계와 같은 기술을 사용하여 이를 완화할 수 있으며, 여기서 프로세스의 하위 집합만 직접 추적됩니다.
• 프로세스 ID 관리: 고유한 프로세스 ID를 할당하고 관리하는 것이 중요합니다. 중앙 기관 또는 분산 합의 알고리즘을 이 목적에 사용할 수 있습니다.
• 손실된 메시지: 벡터 시계는 안정적인 메시지 전달을 가정합니다. 메시지가 손실되면 벡터 시계가 일관성이 없어질 수 있습니다. 손실된 메시지를 감지하고 복구하는 메커니즘이 필요합니다. 메시지에 시퀀스 번호를 추가하고 재전송 프로토콜을 구현하는 것과 같은 기술이 도움이 될 수 있습니다.
• 가비지 수집/프로세스 제거: 프로세스가 시스템을 떠나면 벡터 시계에서 해당 항목을 관리해야 합니다. 항목을 그대로 두면 벡터가 무한정 커질 수 있습니다. 항목을 '죽은' 것으로 표시(하지만 여전히 유지)하거나 ID를 다시 할당하고 벡터를 압축하는 보다 정교한 기술을 구현하는 방법이 있습니다.

실제 애플리케이션

벡터 시계는 다음과 같은 다양한 실제 애플리케이션에서 사용됩니다.

• 협업 문서 편집기(예: Google Docs, Microsoft Office Online): 여러 사용자의 편집 내용이 올바른 순서로 적용되도록 하여 데이터 손상을 방지하고 일관성을 유지합니다.
• 실시간 채팅 애플리케이션(예: Slack, Discord): 메시지를 올바르게 정렬하여 일관된 대화 흐름을 제공합니다. 이는 다른 사용자가 동시에 보낸 메시지를 처리할 때 특히 중요합니다.
• 다중 사용자 게임 환경: 여러 플레이어 간에 게임 상태를 동기화하여 공정성을 보장하고 불일치를 방지합니다. 예를 들어 한 플레이어가 수행한 작업이 다른 플레이어의 화면에 올바르게 반영되도록 합니다.
• 분산 데이터베이스: 분산 데이터베이스 시스템에서 데이터 일관성을 유지하고 충돌을 해결합니다. 벡터 시계를 사용하여 업데이트의 인과 관계를 추적하고 여러 복제본에서 올바른 순서로 적용되도록 할 수 있습니다.
• 버전 제어 시스템: 분산 환경에서 파일 변경 사항을 추적합니다(종종 더 복잡한 알고리즘이 사용되지만).

대체 솔루션

벡터 시계는 강력하지만 분산 이벤트 순서화를 위한 유일한 솔루션은 아닙니다. 다른 기술은 다음과 같습니다.

• 람포트 타임스탬프: 각 이벤트에 단일 논리적 타임스탬프를 할당하는 더 간단한 접근 방식입니다. 그러나 람포트 타임스탬프는 전체 순서만 제공하며 모든 경우에 인과 관계를 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다.
• 버전 벡터: 벡터 시계와 유사하지만 데이터베이스 시스템에서 데이터의 다른 버전을 추적하는 데 사용됩니다.
• OT(운영 변환): 협업 편집 환경에서 일관성을 보장하기 위해 작업을 변환하는 더 복잡한 기술입니다. OT는 종종 벡터 시계 또는 기타 동시성 제어 메커니즘과 함께 사용됩니다.
• CRDT(충돌 없는 복제 데이터 유형): 조율이 필요 없이 여러 노드에서 복제되도록 설계된 데이터 구조입니다. CRDT는 최종 일관성을 보장하며 협업 애플리케이션에 특히 적합합니다.

프레임워크(React, Angular, Vue)로 구현

React, Angular 및 Vue와 같은 프론트엔드 프레임워크에 벡터 시계를 통합하려면 구성 요소 수명 주기 내에서 시계 상태를 관리하고 프레임워크의 데이터 바인딩 기능을 활용하여 UI를 적절하게 업데이트해야 합니다.

React 예제(개념적)

            
import React, { useState, useEffect } from 'react';

function CollaborativeEditor() {
  const [text, setText] = useState('');
  const [vectorClock, setVectorClock] = useState(new VectorClock(0, 3)); // Assuming process ID 0

  const handleTextChange = (event) => {
    vectorClock.increment();
    const newClock = vectorClock.getClock();
    const newText = event.target.value;

    // Send newText and newClock to the server

    setText(newText);
    setVectorClock(newClock); //Update react state
  };


  useEffect(() => {
    // Simulate receiving updates from other users
    const receiveUpdate = (incomingText, incomingClock) => {
      vectorClock.merge(incomingClock);
      setText(incomingText);
      setVectorClock(vectorClock.getClock());
    }

    //Example of how you might receive data, this would likely be handled by a websocket or similar.
    //receiveUpdate("New Text from another user", [2,1,0]);

  }, []);

  return (
    <div>
      <textarea value={text} onChange={handleTextChange} />
    </div>
  );
}

export default CollaborativeEditor;

            

              
                Copy
              
            
          

프레임워크 통합을 위한 주요 고려 사항

• 상태 관리: 프레임워크의 상태 관리 메커니즘(예: React의 `useState`, Angular의 서비스, Vue의 반응형 속성)을 활용하여 벡터 시계와 애플리케이션 데이터를 관리합니다.
• 데이터 바인딩: 데이터 바인딩을 활용하여 벡터 시계 또는 애플리케이션 데이터가 변경될 때 UI를 자동으로 업데이트합니다.
• 비동기 통신: WebSockets 또는 HTTP 요청을 사용하여 서버와의 비동기 통신을 처리하여 업데이트를 보내고 받습니다.
• 이벤트 처리: 이벤트를 올바르게 처리합니다(예: 사용자 입력, 수신 메시지) 벡터 시계와 애플리케이션 데이터를 업데이트합니다.

기본 사항 그 이상: 고급 벡터 시계 기술

더 복잡한 시나리오의 경우 다음과 같은 고급 기술을 고려하십시오.

• 충돌 해결을 위한 버전 벡터: 데이터베이스에서 버전 벡터(벡터 시계의 변형)를 사용하여 충돌하는 업데이트를 감지하고 해결합니다.
• 압축을 통한 벡터 시계: 특히 대규모 시스템에서 벡터 시계의 크기를 줄이기 위해 압축 기술을 구현합니다.
• 하이브리드 접근 방식: 최적의 성능과 일관성을 달성하기 위해 벡터 시계를 다른 동시성 제어 메커니즘(예: 운영 변환)과 결합합니다.

결론

실시간 벡터 시계는 분산 프론트엔드 애플리케이션에서 일관된 이벤트 순서화를 달성하기 위한 유용한 메커니즘을 제공합니다. 벡터 시계의 기본 원리를 이해하고 과제와 절충점을 신중하게 고려함으로써 개발자는 원활한 사용자 경험을 제공하는 강력하고 협업적인 웹 애플리케이션을 구축할 수 있습니다. 간단한 솔루션보다 복잡하지만 벡터 시계의 강력한 특성으로 인해 전 세계 분산 클라이언트 간에 데이터 일관성을 보장해야 하는 시스템에 이상적입니다.