Node.js 클러스터 이해: 핵심 개념

머리말

PM2를 사용하여 Node.js 프로세스를 관리했다면 PM2가 클러스터 모드를 지원한다는 사실을 눈치채셨을 것입니다. 이 모드를 사용하면 Node.js가 여러 프로세스를 생성할 수 있습니다. 클러스터 모드의 인스턴스 수를 최대로 설정하면 PM2는 서버에서 사용 가능한 CPU 코어에 해당하는 노드 프로세스 수를 자동으로 생성합니다.

PM2는 Node.js의 Cluster 모듈을 활용하여 이를 달성합니다. 이 모듈은 전통적으로 여러 CPU 코어를 활용하는 능력을 제한하는 Node.js의 단일 스레드 특성을 해결합니다. 그러면 클러스터 모듈은 내부적으로 어떻게 작동합니까? 프로세스는 어떻게 서로 통신합니까? 여러 프로세스가 동일한 포트에서 어떻게 수신 대기할 수 있습니까? 그리고 Node.js는 이러한 프로세스에 요청을 어떻게 배포합니까? 이 질문들이 궁금하다면 계속 읽어보세요.

핵심 원칙

Node.js 작업자 프로세스는 child_process.fork() 메서드를 사용하여 생성됩니다. 이는 하나의 상위 프로세스와 여러 개의 하위 프로세스가 있음을 의미합니다. 코드는 일반적으로 다음과 같습니다.

const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0, n = os.cpus().length; i 



<p>운영 체제를 공부한 적이 있다면 아마도 fork() 시스템 호출에 익숙할 것입니다. 호출 프로세스는 상위 프로세스이고 새로 생성된 프로세스는 하위 프로세스입니다. 이러한 하위 프로세스는 상위 프로세스와 동일한 데이터 세그먼트 및 스택을 공유하지만 물리적 메모리 공간이 반드시 공유되는 것은 아닙니다. Node.js 클러스터에서 <strong>master</strong> 프로세스는 포트에서 수신 대기하고 들어오는 요청을 <strong>worker</strong> 프로세스에 배포합니다. 여기에는 <strong>프로세스 간 통신(IPC)</strong>, <strong>로드 밸런싱 전략</strong>, <strong>다중 프로세스 포트 수신 대기</strong></p>라는 세 가지 핵심 주제를 다루는 작업이 포함됩니다.

<h2>
  
  
  프로세스 간 통신(IPC)
</h2>

<p><strong>master</strong> 프로세스는 process.fork()를 사용하여 하위 프로세스를 생성합니다. 이러한 프로세스 간의 통신은 <strong>IPC 채널</strong>을 통해 처리됩니다. 운영 체제는 다음과 같은 프로세스 간 통신을 위한 여러 메커니즘을 제공합니다.</p>

<ol>
<li>
<strong>공유 메모리</strong>
여러 프로세스가 단일 메모리 공간을 공유하며 종종 동기화 및 상호 배제를 위해 세마포어로 관리됩니다.</li>
<li><p><strong>메시지 전달</strong><br><br>
메시지 송수신을 통해 주고받는 데이터를 처리합니다.</p></li>
<li><p><strong>세마포어</strong><br><br>
세마포어는 시스템에서 할당한 상태 값입니다. 제어가 부족한 프로세스는 특정 체크포인트에서 강제로 정지되어 신호가 진행될 때까지 기다립니다. 이진 값(0 또는 1)으로 제한되는 경우 이 메커니즘을 "뮤텍스"(상호 배제 잠금)라고 합니다.</p></li>
<li><p><strong>배관</strong><br><br>
파이프는 두 프로세스를 연결하여 한 프로세스의 출력이 다른 프로세스의 입력 역할을 할 수 있도록 합니다. 이는 파이프 시스템 호출을 사용하여 생성할 수 있습니다. | 쉘 스크립팅의 명령은 이 메커니즘의 일반적인 예입니다.</p></li>
</ol>

<p>Node.js는 상위 프로세스와 하위 프로세스 간의 통신을 위해 이벤트 기반 메커니즘을 사용합니다. 다음은 TCP 서버 핸들을 하위 프로세스로 보내는 상위 프로세스의 예입니다.<br>
</p>

<pre class="brush:php;toolbar:false">const cluster = require('cluster');
const os = require('os');

if (cluster.isMaster) {
  for (let i = 0, n = os.cpus().length; i 



<h2>
  
  
  로드 밸런싱 전략
</h2>

<p>앞서 언급했듯이 모든 요청은 <strong>마스터</strong> 프로세스에 의해 배포됩니다. 서버 로드가 작업자 프로세스 간에 균등하게 분산되도록 하려면 로드 밸런싱 전략이 필요합니다. Node.js는 기본적으로 <strong>라운드 로빈</strong> 알고리즘을 사용합니다.</p>

<h3>
  
  
  라운드 로빈
</h3>

<p>라운드 로빈 방식은 Nginx에서도 사용하는 일반적인 로드 밸런싱 알고리즘입니다. 들어오는 요청을 각 프로세스에 순차적으로 배포하여 첫 번째 프로세스부터 시작하여 마지막 프로세스에 도달한 후 루프백하는 방식으로 작동합니다. 그러나 이 방법은 모든 프로세스에 걸쳐 동일한 처리 용량을 가정합니다. 요청 처리 시간이 크게 달라지는 시나리오에서는 로드 불균형이 발생할 수 있습니다.</p>

<p>이 문제를 해결하기 위해 Nginx는 서버에 서로 다른 가중치가 할당되는 <strong>WRR(Weighted Round-Robin)</strong>을 자주 사용합니다. 가중치가 0으로 줄어들 때까지 가중치가 가장 높은 서버가 선택되며, 이 시점에서 새로운 가중치 순서에 따라 주기가 다시 시작됩니다.</p>

<p>NODE_CLUSTER_SCHED_POLICY 환경 변수를 설정하거나 Cluster.setupMaster(옵션)를 통해 구성하여 Node.js에서 로드 밸런싱 전략을 조정할 수 있습니다. 다중 시스템 클러스터용 Nginx와 단일 시스템 다중 프로세스 밸런싱을 위한 Node.js 클러스터를 결합하는 것이 일반적인 접근 방식입니다.</p>

<h2>
  
  
  다중 프로세스 포트 수신
</h2>

<p>Node.js의 초기 버전에서는 동일한 포트에서 수신 대기하는 여러 프로세스가 들어오는 연결을 놓고 경쟁하여 부하 분산이 고르지 않게 되었습니다. 이 문제는 나중에 라운드 로빈 전략으로 해결되었습니다. 현재 접근 방식은 다음과 같이 작동합니다.</p>

<ol>
<li>
<strong>마스터</strong> 프로세스는 소켓을 생성하고 이를 주소에 바인딩한 후 수신을 시작합니다.</li>
<li>소켓의 파일 설명자(fd)가 작업자 프로세스로 전달되지 않습니다.</li>
<li>마스터 프로세스가 새 연결을 수락하면 어떤 작업자 프로세스가 연결을 처리해야 하는지 결정하고 그에 따라 전달합니다.</li>
</ol>

<p>기본적으로 마스터 프로세스는 포트에서 수신 대기하고 정의된 전략(예: 라운드 로빈)을 사용하여 작업자 프로세스에 대한 연결을 배포합니다. 이 디자인은 작업자 간의 경쟁을 제거하지만 마스터 프로세스의 안정성이 높아야 합니다.</p><h2>
  
  
  결론
</h2>

<p>PM2의 클러스터 모드를 진입점으로 사용하여 이 기사에서는 다중 프로세스 애플리케이션 구현을 위한 Node.js 클러스터 모듈의 핵심 원칙을 탐구했습니다. 우리는 프로세스 간 통신, 로드 밸런싱, 다중 프로세스 포트 수신이라는 세 가지 주요 측면에 중점을 두었습니다.</p>

<p>클러스터 모듈을 연구하면 많은 기본 원리와 알고리즘이 보편적이라는 것을 알 수 있습니다. 예를 들어, 라운드 로빈 알고리즘은 운영 체제 프로세스 스케줄링과 서버 로드 밸런싱 모두에 사용됩니다. 마스터-작업자 아키텍처는 Nginx의 다중 프로세스 설계와 유사합니다. 마찬가지로 세마포어 및 파이프와 같은 메커니즘은 다양한 프로그래밍 패러다임 어디에나 존재합니다.</p>

<p>새로운 기술이 지속적으로 등장하지만 그 기반은 일관되게 유지됩니다. 이러한 핵심 개념을 이해하면 자신 있게 새로운 과제를 추론하고 적응할 수 있습니다.</p>


<hr>

<h3>
  
  
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</h3>

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