OSI 7계층으로 이해하는 L4, L7 로드밸런싱의 차이점과 활용

1. 로드밸런싱의 필요성

현대적인 애플리케이션 아키텍처에서 로드밸런싱(Load Balancing)은 선택이 아닌 필수 요소입니다. 단일 서버로 모든 트래픽을 감당하는 것은 불가능하며, 트래픽이 증가함에 따라 수평적으로 서버를 확장(Scale-out)하는 방식이 보편화되었습니다. 이때 여러 대의 서버로 들어오는 네트워크 트래픽을 균등하게 분배하여 서비스의 가용성(Availability)과 확장성(Scalability)을 보장하는 기술이 바로 로드밸런싱입니다.

로드밸런서는 동작하는 계층(Layer)에 따라 크게 L4(Layer 4)와 L7(Layer 7) 로드밸런서로 나뉩니다. 이 분류는 네트워크 통신 표준 모델인 OSI 7계층을 기준으로 하며, 각 계층에서 처리할 수 있는 정보의 깊이가 다릅니다. 본 글에서는 OSI 7계층을 기반으로 L4와 L7 로드밸런싱의 차이점을 분석하고, 대표적인 클라우드 네이티브 기술인 Kubernetes와 Spring Cloud 환경에서 이들이 어떻게 활용되는지 알아보겠습니다.

2. 로드밸런싱의 기준: OSI 7계층 모델

OSI 7계층 모델은 네트워크 통신 과정을 7개의 논리적인 단계로 나눈 것입니다. 로드밸런싱을 이해하기 위해 모든 계층을 알 필요는 없지만, L4와 L7의 역할은 명확히 이해해야 합니다.

• 4계층 (Transport Layer, 전송 계층): TCP/UDP 프로토콜을 통해 데이터의 전송을 담당합니다. 이 계층에서는 출발지 및 목적지의 IP 주소와 포트 번호를 기반으로 통신을 제어합니다. 데이터의 내용이나 형식은 확인하지 않고, 오직 패킷의 헤더 정보만을 이용해 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장합니다.
• 7계층 (Application Layer, 애플리케이션 계층): 최종 사용자가 접하는 소프트웨어(애플리케이션)가 통신하는 계층입니다. HTTP, HTTPS, FTP, SMTP 등 구체적인 프로토콜을 다루며, 데이터의 내용 자체(HTTP 헤더, URL, 쿠키 등)를 해석하고 처리할 수 있습니다.

3. L4 로드밸런싱 (Transport Layer)

L4 로드밸런서는 이름 그대로 OSI 7계층 모델의 4계층(전송 계층)에서 동작합니다. 네트워크 패킷의 헤더 정보를 기반으로 로드밸런싱을 수행하며, 주로 TCP/UDP 헤더에 있는 출발지/목적지 IP 주소와 포트 번호를 사용합니다.

• 동작 방식: L4 로드밸런서는 클라이언트로부터 받은 요청 패킷의 IP와 Port 정보를 확인하고, 설정된 분배 알고리즘(Round Robin, Least Connection 등)에 따라 적절한 백엔드 서버로 패킷을 그대로 전달(Forwarding)합니다. 패킷의 내용(페이로드)을 들여다보지 않으므로 '네트워크 로드밸런서'라고도 불립니다.
• 장점:
  • 빠른 속도: 패킷 내용을 검사하지 않고 헤더 정보만으로 빠르게 트래픽을 분산할 수 있어 처리 속도가 매우 빠릅니다.
  • 단순한 구조: 구성이 비교적 간단하고 시스템 부하가 적습니다.
• 단점:
  • 제한적인 분배: IP와 Port 정보 외에 애플리케이션 레벨의 정보를 활용할 수 없습니다. 예를 들어, 특정 URL 경로에 따라 다른 서버로 라우팅하거나, HTTP 헤더의 특정 값을 기준으로 분배하는 등의 지능적인 라우팅이 불가능합니다.
  • 상태 확인의 한계: 서버의 실제 애플리케이션 헬스 체크가 아닌, 서버의 IP와 Port가 살아있는지(Health Check) 정도만 확인할 수 있습니다.

4. L7 로드밸런싱 (Application Layer)

L7 로드밸런서는 OSI 7계층 모델의 최상위 계층인 7계층(애플리케이션 계층)에서 동작합니다. L4가 다루는 IP/Port 정보는 물론, 패킷의 실제 내용까지 분석하여 로드밸런싱을 수행합니다.

• 동작 방식: L7 로드밸런서는 HTTP 헤더, URL 경로, 쿠키, 사용자 에이전트 등 애플리케이션 레벨의 데이터를 분석할 수 있습니다. 이를 통해 훨씬 더 정교하고 지능적인 트래픽 분배가 가능합니다. '애플리케이션 로드밸런서'라고도 불립니다.
• 주요 기능 및 장점:
  • 지능적인 라우팅:
    • URL Path-based Routing: /api/users 요청은 User 서비스로, /api/orders 요청은 Order 서비스로 라우팅할 수 있습니다.
    • Host-based Routing: blog.example.com 요청과 shop.example.com 요청을 각각 다른 서버 그룹으로 보낼 수 있습니다.
  • 세션 지속성(Session Persistence): 특정 사용자의 요청을 항상 동일한 서버로 보내기 위해 쿠키나 사용자 ID를 활용할 수 있습니다.
  • SSL Offloading: 클라이언트와 로드밸런서 간의 HTTPS 통신을 처리하고, 로드밸런서와 백엔드 서버 간에는 HTTP로 통신하여 서버의 암호화/복호화 부담을 줄여줍니다.
  • 콘텐츠 캐싱 및 압축: 자주 요청되는 정적 콘텐츠를 캐싱하여 응답 속도를 향상시킬 수 있습니다.
• 단점:
  • 상대적으로 느린 속도: 패킷 내용을 모두 분석해야 하므로 L4에 비해 처리 속도가 느리고 더 많은 리소스를 소모합니다.
  • 복잡한 설정: 기능이 다양한 만큼 설정이 복잡할 수 있습니다.

구분	L4 로드밸런서	L7 로드밸런서
동작 계층	Transport Layer (4계층)	Application Layer (7계층)
주요 정보	IP 주소, Port 번호	HTTP 헤더, URL, 쿠키 등
라우팅 로직	단순한 패킷 전달 (포워딩)	지능적인 콘텐츠 기반 라우팅
속도	빠름	상대적으로 느림
유연성	낮음	높음 (다양한 기능 제공)
대표 예시	AWS NLB, Kubernetes Service (LoadBalancer)	AWS ALB, NGINX, Kubernetes Ingress

 

5. 클라우드 네이티브 환경에서의 적용 사례

5.1. Kubernetes

Kubernetes 환경에서는 Service와 Ingress라는 두 가지 주요 리소스를 통해 로드밸런싱을 구현합니다.

• Service (L4 로드밸런싱): Kubernetes의 Service는 여러 개의 Pod에 대한 단일 진입점(Entrypoint)을 제공합니다. Service의 타입을 LoadBalancer로 지정하면, 클라우드 제공업체(AWS, GCP, Azure 등)의 L4 로드밸런서가 자동으로 프로비저닝됩니다. 이는 외부 트래픽을 받아 서비스에 연결된 Pod들에게 TCP/UDP 레벨에서 분배하는 역할을 합니다.
• YAML

   

  apiVersion: v1
  kind: Service
  metadata:
    name: my-app-svc
  spec:
    type: LoadBalancer # 클라우드 공급자의 L4 로드밸런서를 생성
    selector:
      app: my-app
    ports:
      - protocol: TCP
        port: 80
        targetPort: 8080
  

• Ingress (L7 로드밸런싱): 마이크로서비스 아키텍처(MSA)에서는 여러 서비스가 존재하며, 각 서비스마다 LoadBalancer 타입의 서비스를 생성하는 것은 비효율적이고 비용이 많이 듭니다. 이때 Ingress를 사용하여 L7 로드밸런싱을 구현합니다. Ingress는 HTTP/HTTPS 요청을 받아 URL 경로, 호스트 이름 등을 기준으로 적절한 내부 서비스로 라우팅하는 규칙을 정의합니다. 실제 로드밸런싱 역할은 NGINX Ingress Controller, Traefik 등과 같은 Ingress Controller가 수행합니다.
   

  apiVersion: networking.k8s.io/v1
  kind: Ingress
  metadata:
    name: my-ingress
  spec:
    rules:
    - host: "api.example.com"
      http:
        paths:
        - path: /users
          pathType: Prefix
          backend:
            service:
              name: user-service
              port:
                number: 80
        - path: /products
          pathType: Prefix
          backend:
            service:
              name: product-service
              port:
                number: 80
  

5.2. Spring Cloud

Java와 Spring Framework 생태계에서는 Spring Cloud Gateway가 대표적인 L7 로드밸런서(API Gateway) 역할을 합니다.

• Spring Cloud Gateway (L7 로드밸런싱): Spring Cloud Gateway는 MSA 환경에서 모든 마이크로서비스로의 진입점 역할을 하는 L7 프록시입니다. Kubernetes의 Ingress와 유사하게, 요청의 경로(Path), 헤더(Header), 메서드(Method) 등을 기반으로 동적인 라우팅 규칙을 설정할 수 있습니다. 또한, 인증/인가, 로깅, Rate Limiting(요청 제한) 등 공통적인 기능을 중앙에서 처리하는 API Gateway 패턴을 구현하는 데 최적화되어 있습니다. Spring Cloud Gateway는 내부적으로 Project Reactor를 사용하여 비동기/논블로킹 방식으로 동작하며, 서비스 디스커버리(Eureka, Consul 등)와 통합되어 동적으로 확장되는 서비스들을 찾아 라우팅합니다.

6. 결론

L4와 L7 로드밸런서는 각각 명확한 장단점과 사용 사례를 가집니다.

• L4 로드밸런서는 고속의 패킷 처리가 필요하고 단순한 트래픽 분배만으로 충분할 때 적합합니다.
• L7 로드밸런서는 애플리케이션의 내용에 기반한 정교한 라우팅 제어가 필요한 현대적인 마이크로서비스 아키텍처에서 핵심적인 역할을 수행합니다.

Kubernetes의 Service와 Ingress, 그리고 Spring Cloud의 Spring Cloud Gateway와 같은 기술들은 이러한 로드밸런싱 개념을 클라우드 네이티브 환경에 맞게 추상화하여 제공합니다. 개발자는 자신의 애플리케이션 요구사항과 아키텍처에 따라 적절한 계층의 로드밸런싱 전략을 선택하고 활용함으로써 안정적이고 확장 가능한 시스템을 구축할 수 있습니다.