test: DB Only와 Redis Stress Test 비교

docs/04-experiment.md

@@ -88,8 +88,20 @@ MySQL만 사용하는 초기 리다이렉트 구조에서 VU 증가에 따라 
 
 ### Stress Test
 
-- 수행 여부: 미실행
-- 목적: 오류 또는 급격한 지연이 발생하는 한계 구간 확인
+- 수행 여부: 완료
+- 목적:
+  - VU 증가에 따른 처리량 한계 확인
+  - p95와 p99가 급격히 증가하는 구간 확인
+  - DB Only와 Redis 구조의 한계 비교
+- 비교 대상: DB Only / Redis Cache Aside
+- 공통 조건:
+  - Platform Thread
+  - HikariCP 최대 커넥션 10개
+  - 동일한 단축 URL 반복 조회
+  - Redirect 추적 비활성화
+  - Think Time 없음
+- 부하 단계: 100 → 200 → 300 → 500 VU
+- 전체 실행 시간: 4분 20초
 
 ## 7. 측정 지표
 
@@ -354,27 +366,110 @@ Cache Hit과 Cache Miss는 모두 0건이므로
 > 조건별 한 번만 실행한 결과이므로 Pool 10을 최적값으로 확정할 수는 없다.
 > 정확한 최적값을 결정하려면 조건별 반복 측정과 MySQL 서버 지표가 필요하다.
 
-## 15. 실험 한계
+## 15. Stress Test
+
+DB Only와 Redis Cache Aside 구조에서 VU를 100, 200, 300, 500까지 단계적으로 증가시켰다.
+
+두 구조 모두 Platform Thread와 HikariCP 최대 커넥션 10개를 사용했으며,
+캐시 활성화 여부만 변경했다.
+
+### k6 전체 결과
+
+아래 결과는 4분 20초 동안 변화한 모든 VU 구간을 합산한 값이다.
+
+| 지표 | DB Only | Redis |
+|---|---:|---:|
+| Redirect 요청 수 | 2,123,358 | 4,586,523 |
+| 전체 평균 RPS | 8,160.01 | 17,598.13 |
+| 평균 응답 시간 | 30.87ms | 13.61ms |
+| p90 | 73.64ms | 22.63ms |
+| p95 | 90.98ms | 26.75ms |
+| 최대 응답 시간 | 389.70ms | 475.44ms |
+| 요청 실패율 | 0% | 0% |
+
+Redis 적용 후 DB Only 대비 전체 평균 RPS는 약 115.66% 증가했다.
+평균 응답 시간은 약 55.91%, p95는 약 70.60% 감소했다.
+
+최대 응답 시간은 Redis가 더 높았지만,
+단일 이상치에 가까운 최대값보다 평균과 p95를 중심으로 결과를 해석했다.
+
+### DB Only 관찰
+
+DB Only는 VU 증가에 따라 초기에는 처리량이 증가했지만,
+약 200 VU 이후 RPS가 약 8.5K~9K 수준에서 더 이상 증가하지 않았다.
+
+반면 p95와 p99는 VU가 증가할수록 계속 증가했다.
+HikariCP Active는 최대 커넥션 10개에 도달했고,
+Pending 요청은 약 180~190까지 증가했다.
+
+따라서 200 VU 이후에는 더 많은 요청을 받아도 처리량이 증가하지 않고,
+DB 커넥션을 기다리는 요청만 증가한 것으로 나타났다.
+
+### Redis 관찰
+
+Redis 구조는 VU 증가에 따라 처리량이 약 22K RPS까지 증가했다.
+500 VU까지 5xx 오류와 요청 실패는 발생하지 않았다.
+
+전체 Stress Test에서 측정된 캐시 및 DB 지표는 다음과 같다.
+
+| 지표 | 결과 |
+|---|---:|
+| Cache Hit | 4,586,523 |
+| Cache Miss | 1 |
+| DB Lookup | 1 |
+| Cache Hit Ratio | 약 100% |
+
+최초 조회에서만 Cache Miss와 DB Lookup이 발생했고,
+이후 모든 반복 요청은 Redis Cache Hit로 처리됐다.
+
+Prometheus 수집 시점에서는 HikariCP Active와 Pending이 관찰되지 않았다.
+Redis 구조도 약 22K RPS 부근에서 처리량 증가가 둔화됐지만,
+500 VU까지 오류 없이 DB Only보다 낮은 지연을 유지했다.
+
+### 결과 해석
+
+DB Only는 약 200 VU 이후 HikariCP 커넥션 풀이 포화되면서
+처리량이 정체되고 대기 요청이 증가했다.
+
+Redis Cache Aside는 반복적인 DB 조회와 커넥션 대기를 제거해
+DB Only보다 약 2.16배 높은 전체 평균 처리량과 낮은 p95를 기록했다.
+
+다만 Redis도 약 22K RPS 부근에서 처리량 증가가 둔화됐으므로,
+더 높은 부하에서는 애플리케이션, Redis, 네트워크 또는
+로컬 Docker 환경의 다른 제한 요소를 추가로 확인해야 한다.
+
+#### Grafana 측정 결과
+
+**DB Only**
+
+![DB Only Stress Test](images/stress-db-only.png)
+
+**Redis**
+
+![Redis Stress Test](images/stress-redis.png)
+
+## 16. 실험 한계
 
 - 로컬 Docker 환경에서 실행했다.
 - k6, 애플리케이션, MySQL, Redis가 같은 장비의 자원을 사용했다.
 - 조건별 한 번만 측정해 실행 환경의 변동이 포함될 수 있다.
-- 테스트 시간이 조건별 1분으로 짧다.
+- Load Test는 조건별 1분, Stress Test는 구조별 4분 20초 동안 실행했다.
 - 하나의 단축 URL만 반복 조회했다.
 - Prometheus 수집 간격 사이의 짧은 지표 변화는 누락될 수 있다.
-- 고정 VU 방식이므로 응답 시간이 짧을수록 같은 시간에 더 많은 요청을 전송한다.
-- HikariCP Pool 비교에서 MySQL CPU, 실행 중인 쿼리 수, 락 대기까지는 측정하지 않았다.
+- 고정 VU 및 단계적 VU 증가 방식에서는 응답 시간이 짧을수록 더 많은 요청이 발생한다.
+- Stress Test의 k6 최종 결과는 모든 VU 구간을 합산한 값이므로, 특정 VU 구간의 값은 Grafana 시계열을 통해 판단했다.
+- Redis Stress Test의 처리량 한계가 애플리케이션, Redis 또는 로컬 환경 중 어디에서 발생했는지는 추가로 분리하지 않았다.
 
-## 16. 후속 실험
+## 17. 후속 실험
 
 - [x] Redis Cache Aside 적용
 - [x] Redis 적용 전후 부하 테스트
 - [x] Prometheus·Grafana 서버 지표 비교
 - [x] 캐시 ON/OFF 환경변수 적용
 - [x] Platform Thread와 Virtual Thread 비교
 - [x] HikariCP Pool 크기 비교
+- [x] 더 높은 VU로 Stress Test 수행
 - [ ] 조건별 3회 측정 후 중앙값 비교
-- [ ] 더 높은 VU로 Stress Test 수행
 - [ ] 단축 코드 생성 전략 비교
   - Sequence ID + Base62
   - Hash + 충돌 처리

k6/redirect-stress.js

@@ -0,0 +1,119 @@
+import http from 'k6/http';
+import { check } from 'k6';
+
+const BASE_URL = __ENV.BASE_URL || 'http://app:8080';
+
+export const options = {
+    stages: [
+        { duration: '20s', target: 100 },
+        { duration: '40s', target: 100 },
+
+        { duration: '20s', target: 200 },
+        { duration: '40s', target: 200 },
+
+        { duration: '20s', target: 300 },
+        { duration: '40s', target: 300 },
+
+        { duration: '20s', target: 500 },
+        { duration: '40s', target: 500 },
+
+        { duration: '20s', target: 0 },
+    ],
+
+    thresholds: {
+        'http_req_failed{endpoint:redirect}': ['rate<0.10'],
+        'checks{endpoint:redirect}': ['rate>0.90'],
+    },
+};
+
+export function setup() {
+    const response = http.post(
+        `${BASE_URL}/api/v1/data/shorten`,
+        JSON.stringify({
+            longUrl: 'https://www.google.com',
+        }),
+        {
+            headers: {
+                'Content-Type': 'application/json',
+            },
+            tags: {
+                endpoint: 'setup',
+            },
+        }
+    );
+
+    const success = check(
+        response,
+        {
+            '단축 URL 생성 상태는 201이다': (res) => res.status === 201,
+            'shortCode가 반환된다': (res) => {
+                try {
+                    const body = res.json();
+                    return body.shortCode !== undefined
+                        && body.shortCode !== null;
+                } catch {
+                    return false;
+                }
+            },
+        },
+        {
+            endpoint: 'setup',
+        }
+    );
+
+    if (!success) {
+        throw new Error(
+            `단축 URL 생성 실패: status=${response.status}, body=${response.body}`
+        );
+    }
+
+    const shortCode = response.json().shortCode;
+
+    // Redis에서는 캐시 Warm-up, DB Only에서는 초기 동작 확인 역할
+    const initialRedirectResponse = http.get(
+        `${BASE_URL}/api/v1/${shortCode}`,
+        {
+            redirects: 0,
+            tags: {
+                endpoint: 'warm-up',
+            },
+        }
+    );
+
+    if (initialRedirectResponse.status !== 302) {
+        throw new Error(
+            `초기 리다이렉트 실패: status=${initialRedirectResponse.status}`
+        );
+    }
+
+    return {
+        shortCode,
+    };
+}
+
+export default function (data) {
+    const response = http.get(
+        `${BASE_URL}/api/v1/${data.shortCode}`,
+        {
+            redirects: 0,
+            tags: {
+                endpoint: 'redirect',
+                test_type: 'stress',
+            },
+        }
+    );
+
+    check(
+        response,
+        {
+            '리다이렉트 상태는 302이다': (res) => res.status === 302,
+            'Location 헤더가 존재한다': (res) =>
+                res.headers.Location !== undefined,
+            '원본 URL이 올바르다': (res) =>
+                res.headers.Location === 'https://www.google.com',
+        },
+        {
+            endpoint: 'redirect',
+        }
+    );
+}