URL 단축기를 직접 설계해봤다 — 고가용성 아키텍처까지

URL 단축기는 시스템 설계 면접 단골 주제다. 구현 자체는 단순해 보이지만 수억 건의 요청을 처리하는 고가용성 버전으로 설계하면 꽤 복잡해진다. 직접 설계하면서 핵심 결정 포인트들을 정리했다.

## 시스템 요구사항

**기능 요건:**
- 긴 URL → 짧은 URL 생성 (예: `nvld.io/abc123`)
- 짧은 URL 클릭 시 원본 URL로 리다이렉트
- 커스텀 슬러그 지원 (선택)
- 만료 시간 설정 가능

**비기능 요건:**
- Read-heavy (읽기 100 : 쓰기 1)
- 가용성 > 일관성 (AP system)
- 99.9% uptime
- 1초 이내 리다이렉트

## 전체 아키텍처

```mermaid
flowchart TD
    Client([Client]) --> LB[Load Balancer]
    LB --> WS1[Web Server 1]
    LB --> WS2[Web Server 2]
    WS1 & WS2 --> Cache[(Redis Cache\nTTL 24h)]
    WS1 & WS2 --> DB[(Primary DB\nMySQL)]
    DB --> Replica[(Read Replica)]
    WS1 & WS2 --> IDGen[ID Generator\nSnowflake]
    WS1 & WS2 --> Replica

style Cache fill:#e74c3c,color:#fff
    style DB fill:#3498db,color:#fff
    style Replica fill:#2980b9,color:#fff
    style IDGen fill:#9b59b6,color:#fff
```

로드밸런서 뒤에 웹 서버 N개, Redis는 TTL 24시간으로 캐시, 쓰기는 Primary DB, 읽기는 Read Replica로 분산한다.

## 단축 URL 생성 플로우

```mermaid
sequenceDiagram
    participant C as Client
    participant W as Web Server
    participant G as ID Generator
    participant D as Database
    participant R as Redis

C->>W: POST /shorten {url: "https://long.url/..."}
    W->>G: generateID()
    G-->>W: snowflakeID (64-bit)
    W->>W: base62Encode(snowflakeID)
    W->>D: INSERT (short_key, long_url, expires_at)
    D-->>W: OK
    W->>R: SET "abc123" = long_url TTL 86400
    R-->>W: OK
    W-->>C: 201 {"short_url": "https://nvld.io/abc123"}
```

## 핵심 결정: ID 생성 전략

URL 단축에서 중요한 건 **충돌 없는 고유 ID 생성**이다.

| 방법 | 장점 | 단점 |
|------|------|------|
| UUID | 구현 단순 | 너무 길다 (36자) |
| MD5 Hash | 결정론적 | 충돌 가능, 예측 가능 |
| Auto-increment | 심플 | 단일 장애점, 예측 가능 |
| **Snowflake ID** | 분산 가능, 정렬 가능, 고속 | 시계 동기화 필요 |

Snowflake ID를 선택했다. 64-bit 구조:

```
41-bit timestamp | 10-bit worker ID | 12-bit sequence
```

초당 `2^12 = 4,096`개의 고유 ID를 워커당 생성 가능. 10개 워커면 초당 40,960개.

## 캐시 전략: 시간 지역성 활용

리다이렉트는 전체 트래픽의 95%를 차지한다. 매번 DB를 치면 성능이 망가진다.

```
GET /abc123
  → Redis HIT  → 301 Redirect (0~10ms)
  → Redis MISS → DB 조회 → Redis SET → 301 Redirect (50~100ms)
```

최근 생성된 URL이 더 많이 사용된다는 시간 지역성을 이용하면 캐시 히트율 90% 이상 달성 가능하다.

## 직접 구현: Base62 인코더

```javascript
const BASE62 = '0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz';

function encode(num) {
  let result = '';
  while (num > 0) {
    result = BASE62[num % 62] + result;
    num = Math.floor(num / 62);
  }
  return result || '0';
}

function decode(str) {
  return [...str].reduce((acc, ch) => acc * 62 + BASE62.indexOf(ch), 0);
}

console.log(encode(12345678901234));  // "2lkCB1"
console.log(decode('2lkCB1'));        // 12345678901234
```

7자리 base62면 `62^7 = 3.5조` 가지 조합. 일상적인 서비스라면 충분하다.

## 정리

URL 단축기는 단순해 보이지만 고가용성 시스템의 거의 모든 요소를 담고 있다: 캐시 전략, 분산 ID 생성, Read Replica, 로드밸런싱. 면접 단골 이유가 있었다.

URL 단축기를 직접 설계해봤다 — 고가용성 아키텍처까지

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