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통신요금 관리 서비스 - 클라우드 아키텍처 패턴 적용 방안 (간소화 버전)

목차

• 요구사항 분석 결과
• 패턴 선정 매트릭스
• 서비스별 패턴 적용 설계
• Phase별 구현 로드맵
• 예상 성과 지표

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요구사항 분석 결과

1.1 유저스토리 기반 기능적 요구사항

Auth 서비스 (2개 유저스토리)

• UFR-AUTH-010: 안전한 사용자 로그인 (M/5)
• UFR-AUTH-020: 서비스별 접근 권한 확인 (M/3)

Bill-Inquiry 서비스 (4개 유저스토리)

• UFR-BILL-010: 요금조회 메뉴 접근 (M/5)
• UFR-BILL-020: 요금조회 신청 처리 (M/8)
• UFR-BILL-030: KOS 요금조회 서비스 연동 (M/13)
• UFR-BILL-040: 요금조회 결과 전송 및 이력 관리 (M/8)

Product-Change 서비스 (4개 유저스토리)

• UFR-PROD-010: 상품변경 메뉴 접근 (M/5)
• UFR-PROD-020: 상품변경 화면 접근 (M/8)
• UFR-PROD-030: 상품변경 요청 및 사전 체크 (M/13)
• UFR-PROD-040: 상품변경 처리 및 결과 관리 (M/21)

1.2 비기능적 요구사항

성능 요구사항

• API 응답 시간: < 200ms (일반 조회), < 3초 (외부 연동)
• 동시 사용자: 1,000명 (Peak 시간대)
• KOS 연동 가용성: 99.5% 이상

가용성 및 신뢰성

• 서비스 가용성: 99.9% (8.7h/년 다운타임)
• 외부 연동 장애 시 Circuit Breaker 동작
• 데이터 일관성: 기본 트랜잭션 보장

확장성 요구사항

• 사용자 증가에 따른 Horizontal Scaling 지원
• 서비스별 독립적 배포 및 확장
• 캐시 기반 성능 최적화

보안 및 컴플라이언스

• 개인정보 보호: 민감 데이터 암호화
• 세션 관리: JWT 기반 인증/인가
• 모든 요청/응답 이력 기록 및 추적

1.3 기술적 도전과제 식별 (3개 패턴으로 해결)

외부 시스템 연동 안정성

• KOS-Order 시스템: 레거시 시스템으로 장애 전파 위험
• Circuit Breaker 패턴으로 장애 격리 및 빠른 복구

성능 최적화 요구사항

• 읽기 중심 워크로드 (90% 이상)
• KOS 연동 응답 시간 단축 필요
• Cache-Aside 패턴으로 응답 시간 개선

마이크로서비스 관리 복잡성

• 3개 서비스 간 통신 최적화
• 횡단 관심사 (인증, 로깅, 모니터링) 중앙 관리
• API Gateway 패턴으로 통합 관리

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패턴 선정 매트릭스

2.1 선정된 3개 패턴

핵심업무 집중 패턴

• API Gateway (Gateway Routing, Gateway Offloading)

읽기 최적화 패턴

• Cache-Aside

안정성 패턴

• Circuit Breaker

2.2 정량적 평가 매트릭스

패턴	기능 적합성 (35%)	성능 효과 (25%)	운영 복잡도 (20%)	확장성 (15%)	비용 효율성 (5%)	총점	적용영역
API Gateway	9 × 0.35 = 3.15	8 × 0.25 = 2.0	7 × 0.20 = 1.4	9 × 0.15 = 1.35	8 × 0.05 = 0.4	8.30	모든 서비스
Cache-Aside	8 × 0.35 = 2.8	9 × 0.25 = 2.25	8 × 0.20 = 1.6	7 × 0.15 = 1.05	9 × 0.05 = 0.45	8.15	읽기 중심 서비스
Circuit Breaker	9 × 0.35 = 3.15	6 × 0.25 = 1.5	7 × 0.20 = 1.4	8 × 0.15 = 1.2	8 × 0.05 = 0.4	7.65	외부 연동

2.3 패턴별 선정 근거

1. API Gateway (8.30점) - 최우선 적용

• 기능 적합성: 마이크로서비스 단일 진입점, 인증/인가 중앙 처리
• 성능 효과: 라우팅 최적화, 로드 밸런싱
• 확장성: 서비스 추가 시 Gateway만 설정 변경
• 적용 범위: 모든 클라이언트 요청

2. Cache-Aside (8.15점) - 성능 최적화

• 기능 적합성: 읽기 중심 워크로드(90%)에 최적화
• 성능 효과: KOS 연동 응답 캐싱으로 대폭 개선
• 비용 효율성: DB/외부 시스템 부하 감소
• 적용 범위: Bill-Inquiry, Product-Change 서비스

3. Circuit Breaker (7.65점) - 안정성 확보

• 기능 적합성: KOS 시스템 장애 전파 방지
• 확장성: 외부 시스템 추가 시 동일 패턴 적용
• 안정성: 99.9% 가용성 목표 달성의 핵심 요소
• 적용 범위: KOS-Order 연동 부분

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서비스별 패턴 적용 설계

3.1 간소화된 아키텍처 구조

graph TB
    subgraph "Client Layer"
        Client[MVNO Frontend<br/>React SPA]
    end
    
    subgraph "API Gateway Layer"
        Gateway[API Gateway<br/>✅ Authentication/Authorization<br/>✅ Rate Limiting<br/>✅ Load Balancing<br/>✅ Request Routing<br/>✅ Logging & Monitoring]
    end
    
    subgraph "Microservices Layer"
        Auth[Auth Service<br/>- JWT Management<br/>- User Sessions<br/>- Role-based Access]
        
        BillQuery[Bill-Inquiry Service<br/>✅ Cache-Aside Pattern<br/>✅ Circuit Breaker for KOS<br/>- Query Processing]
        
        ProdChange[Product-Change Service<br/>✅ Cache-Aside Pattern<br/>✅ Circuit Breaker for KOS<br/>- Change Processing]
    end
    
    subgraph "Caching Layer"
        Redis[Redis Cache<br/>✅ Cache-Aside Implementation<br/>- User Sessions<br/>- Bill Query Results<br/>- Product Information<br/>- KOS Response Cache]
    end
    
    subgraph "Data Layer"
        AuthDB[(Auth Database<br/>PostgreSQL)]
        BillDB[(Bill History Database<br/>PostgreSQL)]
        ProdDB[(Product Change Database<br/>PostgreSQL)]
    end
    
    subgraph "External Systems"
        KOS[KOS-Order System<br/>Legacy Backend<br/>✅ Circuit Breaker Protected]
        MVNO[MVNO AP Server<br/>Frontend API]
    end
    
    %% Client to Gateway
    Client --> Gateway
    
    %% Gateway to Services (API Gateway Pattern)
    Gateway -->|Route & Auth| Auth
    Gateway -->|Route & Auth| BillQuery  
    Gateway -->|Route & Auth| ProdChange
    
    %% Services to Cache (Cache-Aside Pattern)
    Auth -.->|Cache-Aside<br/>Session Data| Redis
    BillQuery -.->|Cache-Aside<br/>Query Results| Redis
    ProdChange -.->|Cache-Aside<br/>Product Data| Redis
    
    %% Services to Databases
    Auth --> AuthDB
    BillQuery --> BillDB
    ProdChange --> ProdDB
    
    %% External System Connections (Circuit Breaker Pattern)
    BillQuery -->|Circuit Breaker<br/>Protected| KOS
    ProdChange -->|Circuit Breaker<br/>Protected| KOS
    BillQuery --> MVNO
    ProdChange --> MVNO
    
    %% Service Dependencies (via Gateway)
    BillQuery -.->|Token Validation<br/>via Gateway| Auth
    ProdChange -.->|Token Validation<br/>via Gateway| Auth
    
    classDef gateway fill:#e1f5fe,stroke:#01579b,stroke-width:3px
    classDef service fill:#f3e5f5,stroke:#4a148c,stroke-width:2px
    classDef cache fill:#fff3e0,stroke:#e65100,stroke-width:2px
    classDef database fill:#e8f5e8,stroke:#1b5e20,stroke-width:2px
    classDef external fill:#ffebee,stroke:#b71c1c,stroke-width:2px
    classDef pattern fill:#fff9c4,stroke:#f57f17,stroke-width:2px
    
    class Gateway gateway
    class Auth,BillQuery,ProdChange service
    class Redis cache
    class AuthDB,BillDB,ProdDB database
    class KOS,MVNO external

3.2 패턴별 구현 상세

API Gateway 패턴

• 위치: 모든 클라이언트 요청의 단일 진입점
• 기능:
  • 인증/인가 처리 (JWT 토큰 검증)
  • 서비스별 라우팅
  • Rate Limiting (사용자별 요청 제한)
  • 로그 수집 및 모니터링
• 기술 구현: Kong, AWS API Gateway, 또는 Spring Cloud Gateway

Cache-Aside 패턴

• 위치: Bill-Inquiry, Product-Change 서비스
• 캐시 대상:
  • 사용자 세션 정보 (TTL: 30분)
  • KOS 요금 조회 결과 (TTL: 1시간)
  • 상품 정보 (TTL: 24시간)
• 구현 로직:

  1. 캐시에서 데이터 조회 시도
  2. 캐시 Hit: 캐시 데이터 반환
  3. 캐시 Miss: DB/외부 시스템에서 조회 → 캐시에 저장 → 데이터 반환
  

Circuit Breaker 패턴

• 위치: KOS-Order 시스템 연동 부분
• 설정:
  • 실패 임계값: 5회 연속 실패
  • 타임아웃: 3초
  • Half-Open 복구 시간: 30초
• 동작 로직:

  Closed → (실패 5회) → Open → (30초 후) → Half-Open → (성공 시) → Closed
  

3.3 패턴 간 상호작용

API Gateway ↔ Cache-Aside

• Gateway에서 캐시된 인증 정보 활용
• 요청별 캐시 헤더 설정으로 클라이언트 캐싱 최적화

API Gateway ↔ Circuit Breaker

• Gateway에서 Circuit Breaker 상태 모니터링
• Open 상태 시 대체 응답 제공

Cache-Aside ↔ Circuit Breaker

• Circuit Breaker Open 시 캐시된 마지막 성공 데이터 활용
• 캐시 만료 시에도 Circuit Breaker 상태 확인 후 외부 호출

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Phase별 구현 로드맵

Phase 1: 기본 패턴 구축 - 4주

목표: 3개 핵심 패턴의 기본 구현

Week 1-2: API Gateway 구축

• Kong 또는 Spring Cloud Gateway 설치 및 설정
• 기본 라우팅 규칙 설정 (Auth, Bill-Inquiry, Product-Change)
• JWT 기반 인증/인가 구현
• 기본 로깅 및 모니터링 설정

Week 3: Cache-Aside 패턴 구현

• Redis 클러스터 구축
• Auth 서비스: 세션 캐싱 구현
• Bill-Inquiry: 기본 조회 결과 캐싱
• Product-Change: 상품 정보 캐싱

Week 4: Circuit Breaker 패턴 구현

• KOS 연동 부분에 Circuit Breaker 적용
• 기본 설정값 적용 (실패 5회, 타임아웃 3초)
• Fallback 응답 메커니즘 구현
• Circuit Breaker 상태 모니터링 대시보드

Phase 1 완료 기준

• API Gateway를 통한 모든 요청 라우팅
• 기본 캐싱 동작 (캐시 적중률 60% 이상)
• KOS 연동 Circuit Breaker 동작
• 성능 테스트: 응답시간 500ms 이내

Phase 2: 최적화 및 고도화 - 3주

목표: 패턴별 최적화 및 운영 안정화

Week 5: API Gateway 고도화

• Rate Limiting 정책 적용
• 서비스별 Load Balancing 최적화
• API 문서 자동 생성 및 개발자 포털
• 보안 정책 강화 (CORS, HTTPS)

Week 6: Cache-Aside 최적화

• 캐시 전략 최적화 (TTL, 만료 정책)
• Cache Warming 전략 구현
• 캐시 클러스터 고가용성 설정
• 캐시 성능 모니터링 및 알람

Week 7: Circuit Breaker 튜닝

• 서비스별 Circuit Breaker 임계값 조정
• 부분 실패 처리 (Bulkhead 패턴 부분 적용)
• 복구 전략 최적화
• 장애 시뮬레이션 테스트

Phase 2 완료 기준

• 캐시 적중률 85% 이상 달성
• API Gateway 처리량 1,000 TPS
• Circuit Breaker 복구 시간 30초 이내
• 전체 시스템 가용성 99.5% 달성

마일스톤 및 성공 지표

Phase 1 마일스톤 (4주차)

• ✅ 3개 패턴 기본 구현 완료
• ✅ 통합 테스트 통과
• ✅ 성능 목표 달성 (응답시간 < 500ms)
• ✅ 기본 모니터링 대시보드 구축

Phase 2 마일스톤 (7주차)

• ✅ 최적화 완료 (응답시간 < 200ms)
• ✅ 고가용성 달성 (99.5%)
• ✅ 운영 자동화 구축
• ✅ 프로덕션 배포 준비 완료

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예상 성과 지표

5.1 성능 개선 예상치

응답 시간 개선

• 패턴 적용 전: 평균 1,000ms
• Phase 1 (기본 구현): 평균 500ms (50% 개선)
• Phase 2 (최적화): 평균 200ms (80% 개선)

캐시 효과

• Cache-Aside 적용 전: DB 조회 100%
• Phase 1: 캐시 적중률 60% → DB 부하 40% 감소
• Phase 2: 캐시 적중률 85% → DB 부하 85% 감소

외부 연동 안정성

• Circuit Breaker 적용 전: KOS 장애 시 전체 서비스 다운
• 적용 후: KOS 장애와 무관하게 서비스 99.5% 가용성 유지

5.2 비용 절감 효과

인프라 비용

• Cache-Aside: DB 서버 부하 85% 감소 → 월 $1,500 절약
• API Gateway: 서버 통합 및 최적화 → 월 $2,000 절약
• Circuit Breaker: 장애 복구 시간 단축 → 월 $1,000 절약

운영 비용

• 중앙화된 관리: 운영 효율성 50% 향상 → 월 $1,500 절약
• 자동화된 모니터링: 장애 대응 시간 70% 단축 → 월 $1,000 절약

총 예상 절감액: 월 $7,000 (연 $84,000)

5.3 개발 및 운영 효율성

개발 생산성

• API Gateway: 횡단 관심사 분리 → 개발 시간 30% 단축
• Cache-Aside: 성능 최적화 자동화 → 성능 튜닝 시간 70% 단축
• Circuit Breaker: 장애 처리 자동화 → 안정성 관련 개발 50% 단축

운영 편의성

• 중앙화된 모니터링: 3개 서비스 통합 관리
• 자동화된 장애 복구: 운영자 개입 80% 감소
• 표준화된 패턴: 신규 서비스 추가 시 50% 빠른 적용

5.4 비즈니스 가치

고객 만족도

• 빠른 응답속도: 사용자 이탈률 40% 감소
• 안정적 서비스: 고객 불만 60% 감소
• 지속적 서비스: 서비스 중단 시간 90% 감소

확장성

• 동시 사용자 10배 확장 가능 (100명 → 1,000명)
• 새로운 서비스 추가 시 기존 패턴 재사용
• 트래픽 증가에 따른 자동 확장 지원

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체크리스트

요구사항 매핑 검증 ✅

• 모든 유저스토리가 3개 패턴으로 커버되는지 확인
• 비기능적 요구사항 해결 방안 명시
• 기술적 도전과제별 패턴 매핑 완료

패턴 선정 근거 검증 ✅

• 3개 패턴 정량적 평가 완료 (모두 7.0점 이상)
• 각 패턴의 적용 범위 명확히 정의
• 패턴 간 상호작용 관계 설정

간소화된 아키텍처 표현 ✅

• 3개 패턴만 표시하는 Mermaid 다이어그램
• 불필요한 복잡도 제거
• 핵심 데이터 흐름 및 상호작용 표현

실용적 구현 로드맵 ✅

• 7주 단위의 현실적 일정
• 패턴별 단계적 구현 계획
• 명확한 완료 기준 및 성공 지표

3개 패턴 중심 최적화 ✅

• CQRS, Saga 등 복잡한 패턴 제거
• 핵심 가치 제공하는 3개 패턴에 집중
• 구현 복잡도 최소화하면서 목표 달성

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백업 정보

전체 버전 백업: design/pattern/architecture-pattern-full.md

• 5개 패턴 (API Gateway, Cache-Aside, Circuit Breaker, CQRS, Saga) 포함 버전
• 더 상세한 분석과 복잡한 아키텍처 설계 포함

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문서 작성일: 2025-01-08
작성자: 이개발 (Backend Developer) & 김기획 (Product Owner)
검토자: 최운영 (DevOps Engineer) & 정테스트 (QA Manager)
승인자: 박화면 (Frontend Developer)
버전: 간소화 버전 (3-Pattern Focus)