WhatsApp 시스템 설계: 상위 수준 및 하위 수준 아키텍처를 통한 유머러스한 여정-java지도 시간-php.cn

WhatsApp System Design: A Humorous Journey Through High-Level and Low-Level Architecture

여행 동료 여러분, 놀랍고 혼란스러운 WhatsApp 시스템 디자인의 세계에 오신 것을 환영합니다! 이 기사에서는 WhatsApp의 상위 수준(HLD) 및 하위 수준(LLD) 아키텍처를 이해할 뿐만 아니라 유머를 추가하고(시스템 설계가 지루할 필요가 없기 때문에!) 몇 가지 다이어그램을 그릴 것입니다. 모든 사랑의 흐름도).

이제 안전 벨트를 매고 커피 한 잔을 들고 서버, 데이터베이스, 메시징 프로토콜이 통합되어 수십억 개의 메시지를 휴대전화로 전달하는 여정을 시작해 보세요.

1. 고급 아키텍처(HLD): 전체 그림

WhatsApp을 잘 편성된 교향곡이라고 상상해 보세요. 하지만 바이올린 대신 서버가 있고, 첼로 대신 데이터베이스가 있습니다. 높은 수준에서 우리는 다음을 지원하는 시스템을 설계하고 있습니다.

수십억 명의 사용자
실시간 메시지
멀티미디어 공유
종단간 암호화
고가용성 및 짧은 대기 시간(아무도 "입력 중..."을 기다리는 것을 좋아하지 않음)

HLD 개요:

HLD에서는 건축가처럼 생각합니다. 아직 각 창문의 모양은 신경 쓰지 않고 집이 무너지지 않는지만 확인하고 싶을 뿐입니다.

30,000피트 높이에서 보는 WhatsApp의 아키텍처는 다음과 같이 구성됩니다.

클라이언트 애플리케이션(iOS, Android, 웹)
API 게이트웨이
로드 밸런서(수백만 개의 메시지의 혼란스러운 균형을 유지함)
애플리케이션 서버(마법이 일어나는 곳)
데이터베이스 계층 (데이터는 어딘가에 있어야 하기 때문에)
파일저장 (고양이 GIF용)
메시지 대기열(Kafka와 유사한 실시간 메시징 시스템)
알림 서버 (좋아하는 사람이 답장하면 알려줘야 함)

HLD의 핵심 요소:

클라이언트 애플리케이션: WhatsApp은 모바일(iOS/Android), 웹, 데스크톱 앱에서 작동하며 모두 동일한 백엔드 서버에 연결됩니다. 클라이언트는 UI/UX, 메시지 보내기/받기, 암호화/복호화(자세히 설명하겠습니다), Wi-Fi가 커피 휴식을 취하기로 결정할 때 다시 연결하는 작업을 담당합니다.
API 게이트웨이: 이는 클라이언트의 요청을 처리하고 이를 적절한 백엔드 서비스로 전달하는 중개자입니다. API 게이트웨이는 귀하가 올바르게 인증되었는지 확인하고 메시지 요청을 기록한 후 올바른 서버로 보냅니다.
로드 밸런서: 수백만 명의 사용자가 온라인에 있는 경우 서버가 혼잡하지 않도록 오케스트라 지휘자(또는 두 명)가 필요합니다. 로드 밸런서는 요청을 여러 애플리케이션 서버에 분산시켜 과부하를 방지하고 작업 속도를 매우 빠르게 만듭니다.
애플리케이션 서버: 이 나쁜 소년들은 WhatsApp의 두뇌입니다. 메시지를 처리하고, 사용자 세션을 관리하고, 암호화를 수행합니다. 여기서 핵심은 확장성입니다. 더 많은 사용자가 참여하면 더 많은 서버를 추가합니다.
데이터베이스 계층: 모든 메시지와 미디어는 어디로 가나요? 데이터베이스가 들어오는 곳은 다음과 같습니다.
- NoSQL 데이터베이스(Cassandra): 사용자 프로필, 메시지 기록 등과 같은 대규모 데이터를 저장하는 데 사용됩니다.
- SQL 데이터베이스: 드물지만 관계형 데이터가 필요한 경우(예: 재무 기록).
파일 저장소: 모든 사진, 비디오 및 음성 메모는 확장 가능한 분산 파일 저장 시스템에 저장됩니다. S3를 생각해 보세요(하지만 WhatsApp은 아마도 맞춤형 제품을 만들었을 것입니다. 정말 멋지니까요).
메시지 대기열(Kafka/Redis): 실시간 메시징의 경우 WhatsApp은 메시지 대기열을 사용하여 여러 서버 간의 메시지 전달을 처리합니다. 사용자가 오프라인인 경우 메시지는 사용자가 돌아올 때까지 대기열에 저장됩니다.
알림 서버: 휴대전화 화면이 꺼져 있으면 WhatsApp은 APN(Apple 푸시 알림 서비스) 및 Android용 Firebase 클라우드 메시징과 같은 서비스를 통해 알림을 보냅니다.

HLD 흐름도:

다음은 WhatsApp에서 클라이언트, 백엔드 서비스 및 데이터베이스 간의 상호 작용을 시각화하는 기본 흐름도입니다.

                   +---------------+               +--------------+
Client (Mobile) -->| API Gateway    |---> LB --->   | Application  |
(Client (Web)) --> | (Rate limiting)|               | Servers      |
                   +---------------+               +--------------+
                           |                             |
                           |                             |
                           V                             V
                    +-------------+               +--------------+
                    | Message     |               | Notification |
                    | Queues      |               | Servers      |
                    +-------------+               +--------------+
                           |
                           V
                   +---------------+
                   |   Databases    | (Cassandra, File Storage)
                   +---------------+

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2. 저수준 아키텍처(LLD): 핵심 세부정보

LLD에서는 개별 구성 요소의 구현 및 기술적 세부 사항에 중점을 둡니다. 여기서는 알고리즘, 데이터베이스 샤딩, 암호화 방법 및 네트워크 프로토콜에 대해 자세히 알아봅니다.

LLD의 주요 개념:

메시지 전달 시스템:
- WhatsApp은 실시간 메시지 전달을 위해 XMPP 프로토콜을 사용합니다. 이는 일대일 메시지와 그룹 메시지를 모두 처리하는 가볍고 효율적인 프로토콜입니다.
- 메시지는 수신자가 오프라인인 경우 임시로 저장되었다가 온라인 상태가 되면 전달됩니다.
종단 간 암호화:
WhatsApp의 엔드투엔드 암호화는 신호 프로토콜을 기반으로 합니다. 아이디어는 간단하지만 천재적입니다.
- 모든 메시지에는 고유한 암호화 키가 있습니다.
- 발신자와 수신자만이 필요한 키를 보유하고 있으므로 WhatsApp이나 제3자는 귀하의 메시지를 읽을 수 없습니다.
WhatsApp이 스파이 소설이라면, 잘못된 사람이 읽으려고 하면 메시지가 자폭될 것입니다!
데이터 저장 및 복제:
- Cassandra(NoSQL 데이터베이스)는 채팅 메시지를 저장하는 데 사용됩니다. 왜? 분산되어 있고 가용성이 높으며 여러 데이터 센터에서 복제를 처리할 수 있습니다. Cassandra는 서버가 충돌하더라도(서버가 낮잠이 필요하다고 판단하는 경우 발생) 데이터가 손실되지 않도록 합니다.
- 미디어 파일(사진, 동영상 등)은 문자 메시지와 별도로 클라우드 기반 파일 저장 시스템에 저장되는 경우가 많습니다.
오프라인 사용자 처리:
- 메시지를 보냈는데 수신자가 오프라인인 경우 메시지는 Kafka/Redis와 같은 시스템을 사용하여 대기열에 추가됩니다. 집에 없을 때 누군가의 문에 메모를 남겨 두는 것과 같습니다. 단, 메모는 대기열에 안전하게 보관되어 있습니다.
데이터베이스 샤딩:
- 사용자 수가 수백만 명에 달하는 WhatsApp은 모든 사람의 데이터를 하나의 거대한 데이터베이스에 저장할 수 없습니다. 그것은 세상의 모든 사람을 엘리베이터 한 대에 태워버리려는 것과 같습니다.
- 대신 WhatsApp은 데이터베이스를 분할합니다. 샤딩은 엘리베이터를 수백 개의 작은 엘리베이터로 분할하는 것과 같으며, 각 엘리베이터는 자체 사용자 그룹을 담당합니다.

LLD 흐름도:

다음은 실시간 메시징 및 메시지 대기열에 초점을 맞춘 단순화된 LLD 흐름도입니다.

                   +---------------+               +--------------+
Client (Mobile) -->| API Gateway    |---> LB --->   | Application  |
(Client (Web)) --> | (Rate limiting)|               | Servers      |
                   +---------------+               +--------------+
                           |                             |
                           |                             |
                           V                             V
                    +-------------+               +--------------+
                    | Message     |               | Notification |
                    | Queues      |               | Servers      |
                    +-------------+               +--------------+
                           |
                           V
                   +---------------+
                   |   Databases    | (Cassandra, File Storage)
                   +---------------+

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3. 플로우차트: 우리의 디자인 영웅

상황을 매우 명확하게 하기 위해 몇 가지 다이어그램을 추가해 보겠습니다. 순서도를 건축가의 청사진으로 상상해 보십시오. 시스템을 시각적으로 이해하는 데 도움이 됩니다.

메시지 전송 흐름:

      +------------------+   Send Message   +-------------------+
      | Client App        |---------------->| API Gateway        |
      +------------------+                  +-------------------+
                  |                                  |
                  |         Authenticate User        |
                  V                                  V
          +----------------+                 +------------------+
          | Message Queue   |  <--Store Msg---| Application      |
          | (Kafka/Redis)   |                 | Servers (XMPP)   |
          +----------------+                 +------------------+
                       |                               |
                       |   Offline/Store Msg            |
                       |------------------------------->
                       V
                +-------------+
                |   Database   | (Sharded Cassandra, File Storage)
                +-------------+

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메시지 검색 흐름:

Client (Mobile App)
     |
     V
API Gateway  --->  Authenticate ---> Forward to Application Server
     |
     V
Load Balancer ---> Routes to Least Busy Server
     |
     V
Message Queue ---> Holds the message if the user is offline
     |
     V
Database ---> Saves the message for future retrieval

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4. 핵심 구성요소 분석

몇 가지 중요한 구성 요소를 더 자세히 분석해 보겠습니다.

XMPP: 실시간 메시지를 보내고 받는 데 사용되는 메시징 프로토콜입니다.
Kafka/Redis: 수신자가 오프라인일 때 메시지 대기열을 담당합니다.
Cassandra: 메시지, 사용자 데이터, 채팅 기록을 저장하는 NoSQL 데이터베이스입니다.
신호 프로토콜: 메시지 개인 정보 보호를 위한 종단 간 암호화를 지원합니다.
샤딩: 수백만 명의 사용자를 처리할 수 있도록 데이터베이스를 더 작고 관리하기 쉬운 조각으로 나눕니다.

5. 왜 이 구성 요소가 필요한가요?

왜 카산드라인가?

WhatsApp에는 고가용성, 짧은 대기 시간, 여러 위치에 분산된 데이터베이스를 처리하는 기능이 필요하므로 Cassandra가 가장 적합합니다. 게다가 절대 다운되지 않도록 설계되었으며 WhatsApp은 이러한 안정성을 매우 좋아합니다.

왜 XMPP인가?

XMPP는 가볍고 효율적이며 실시간 메시징용으로 설계되었습니다. 5분 뒤에 시작하는 영화 소개를 친구들에게 알리는 등 지각해도 안 되는 시스템에 딱 맞습니다.

왜 Kafka/Redis인가?

메시지 대기열은 수신자가 Wi-Fi 금지 구역에서 휴가 중이더라도 메시지가 손실되지 않도록 합니다. Kafka와 Redis는 안정적이고 빠르며 확장 가능합니다.

암호화를 위한 신호 프로토콜이 필요한 이유

WhatsApp은 귀하의 메시지를 읽고 싶어하지 않습니다(약속합니다). 엔드투엔드 암호화를 사용하면 귀하와 귀하의 수신자만이 키를 갖고 있기 때문에 물리적으로 읽을 수 없습니다.

6. 재밌는 사실과 WhatsApp별 최적화

다중 장치 지원: WhatsApp을 통해 사용자는 여러 장치에서 동일한 계정을 사용할 수 있습니다. 이를 위해서는 세심한 세션 관리와 메시지 동기화가 필요합니다.
효율적인 미디어 저장: WhatsApp은 여러 채팅에서 공유된 동일한 미디어 파일을 중복 제거하여 미디어 저장을 최적화합니다(왜냐하면 우리 모두는 모든 그룹에 동일한 밈을 보내는 친구가 한 명 있기 때문입니다).

결론: 모든 것을 하나로 모으기

이제 WhatsApp 시스템 디자인을 둘러보실 수 있습니다! 우리는 HLD(고수준 아키텍처)를 탐구하고, LLD(저수준 디자인)를 탐구했으며, 여행을 재미있게 만들기 위해 유머도 추가했습니다. XMPP 프로토콜부터 Kafka 대기열, Cassandra 데이터베이스 및 신호 암호화에 이르기까지 WhatsApp은 그룹 채팅을 계속 유지하는 확장 가능한 실시간 메시징의 걸작입니다!

위 내용은 WhatsApp 시스템 설계: 상위 수준 및 하위 수준 아키텍처를 통한 유머러스한 여정의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!