System Architecture

> ⚠️ Note: This document contains legacy architecture information (up to Phase 5). > > For v1.0 architecture with Phase 11 security, see: > - docs-site/docs/architecture.md - Complete v1.0 architecture > - PHASE11_PRODUCTION_HARDENING_COMPLETE.md - Security architecture > - DOCUMENTATION_INDEX.md - Complete documentation index

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개요 (Legacy - up to Phase 5)

CodeBeaker는 Multi-Runtime 지원 세션 기반 코드 실행 플랫폼으로, WebSocket + JSON-RPC 2.0 프로토콜을 사용하여 실시간 양방향 통신을 제공합니다.

핵심 아키텍처 원칙

1. Multi-Runtime Architecture: 개발환경별 최적 런타임 자동 선택 (Docker, Deno, Bun 등)
2. Stateful Execution: 환경 재사용으로 50-75% 성능 향상
3. Command Pattern: Type-safe 명령 시스템
4. Runtime Abstraction: IExecutionRuntime 인터페이스 기반 확장 가능 설계
5. JSON-RPC 2.0: 표준 프로토콜 준수

v1.0 Update: Added 5-layer security architecture (Phase 11). See docs-site/docs/architecture.md for complete information.

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시스템 아키텍처

전체 구조

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    WebSocket Client                      │
│              (Browser / Node.js / Python)                │
└───────────────────────┬─────────────────────────────────┘
                        │
                        │ JSON-RPC 2.0 over WebSocket
                        ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  CodeBeaker API Server                   │
│                 (ASP.NET Core 8 + Kestrel)               │
│                                                           │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │            WebSocket Handler                       │  │
│  │  - Connection management                           │  │
│  │  - Message framing                                 │  │
│  │  - Keep-alive (2min interval)                      │  │
│  └────────────────────┬───────────────────────────────┘  │
│                       │                                   │
│                       ▼                                   │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │            JSON-RPC Router                         │  │
│  │  - Method dispatch (reflection-based)              │  │
│  │  - Request validation                              │  │
│  │  - Error handling                                  │  │
│  │  - Notification support                            │  │
│  └────────────────────┬───────────────────────────────┘  │
│                       │                                   │
│            ┌──────────┴──────────┐                        │
│            │                     │                        │
│            ▼                     ▼                        │
│  ┌──────────────────┐  ┌──────────────────┐              │
│  │ Session Handlers │  │ Legacy Handlers  │              │
│  │ - create         │  │ - execution.run  │              │
│  │ - execute        │  │ - language.list  │              │
│  │ - list           │  │ - initialize     │              │
│  │ - close          │  │                  │              │
│  └────────┬─────────┘  └──────────────────┘              │
│           │                                               │
│           ▼                                               │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │              Session Manager                       │  │
│  │  - ConcurrentDictionary<string, Session>           │  │
│  │  - SemaphoreSlim for concurrency control           │  │
│  │  - Session lifecycle management                    │  │
│  │  - Auto cleanup (IdleTimeout: 30min)               │  │
│  └────────────────────┬───────────────────────────────┘  │
│                       │                                   │
│                       ▼                                   │
│  ┌────────────────────────────────────────────────────┐  │
│  │              Command Executor                      │  │
│  │  - Pattern matching dispatch                       │  │
│  │  - Docker API direct calls                         │  │
│  │  - 7 command types support                         │  │
│  └────────────────────┬───────────────────────────────┘  │
│                       │                                   │
│  ┌────────────────────┴───────────────────────────────┐  │
│  │          Background Services                       │  │
│  │  - SessionCleanupWorker (1min interval)            │  │
│  │  - Health check monitoring                         │  │
│  └────────────────────────────────────────────────────┘  │
└───────────────────────┬─────────────────────────────────┘
                        │
                        │ Docker API
                        ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    Docker Engine                         │
│                                                           │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Session Containers (Long-running)               │   │
│  │  - sleep infinity (keep alive)                   │   │
│  │  - Filesystem persistence                        │   │
│  │  - Resource limits (Memory: 512MB, CPU: 1024)    │   │
│  │  - Network: none (isolated)                      │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                           │
│  Runtime Images:                                         │
│  - codebeaker-python:latest  (Python 3.12)              │
│  - codebeaker-nodejs:latest  (Node.js 20)               │
│  - codebeaker-golang:latest  (Go 1.21)                  │
│  - codebeaker-dotnet:latest  (.NET 8)                   │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

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Multi-Runtime Architecture (Phase 4)

개요

Phase 4에서 도입된 Multi-Runtime Architecture는 개발환경별로 최적의 런타임을 자동 선택하여 성능과 격리 수준을 최적화합니다.

런타임 타입

public enum RuntimeType
{
    Docker,        // 컨테이너 기반 (강력한 격리)
    Deno,          // 프로세스 기반 (빠른 시작)
    Bun,           // 프로세스 기반 (초고속)
    NodeJs,        // 프로세스 기반 (호환성)
    WebAssembly,   // WASM 기반 (극한 격리)
    V8Isolate,     // V8 격리 (경량)
    NativeProcess  // 네이티브 프로세스
}

IExecutionRuntime 인터페이스

핵심 추상화 계층:

public interface IExecutionRuntime
{
    string Name { get; }
    RuntimeType Type { get; }
    string[] SupportedEnvironments { get; }

    Task<bool> IsAvailableAsync(CancellationToken cancellationToken);
    Task<IExecutionEnvironment> CreateEnvironmentAsync(
        RuntimeConfig config,
        CancellationToken cancellationToken);
    RuntimeCapabilities GetCapabilities();
}

public interface IExecutionEnvironment : IAsyncDisposable
{
    string EnvironmentId { get; }
    RuntimeType RuntimeType { get; }
    EnvironmentState State { get; }

    Task<CommandResult> ExecuteAsync(Command command, CancellationToken ct);
    Task<EnvironmentState> GetStateAsync(CancellationToken ct);
    Task CleanupAsync(CancellationToken ct);
}

RuntimeCapabilities 모델

성능 특성 정의:

public sealed class RuntimeCapabilities
{
    public int StartupTimeMs { get; set; }       // 시작 시간
    public int MemoryOverheadMB { get; set; }    // 메모리 오버헤드
    public int IsolationLevel { get; set; }      // 격리 수준 (0-10)
    public bool SupportsFilesystemPersistence { get; set; }
    public bool SupportsNetworkAccess { get; set; }
    public int MaxConcurrentExecutions { get; set; }
}

RuntimeSelector 전략

4가지 선택 전략:

전략	기준	선택 알고리즘
Speed	시작 속도 우선	MIN(StartupTimeMs)
Security	격리 수준 우선	MAX(IsolationLevel)
Memory	메모리 최소화	MIN(MemoryOverheadMB)
Balanced	균형 점수	(속도 + 메모리 + 격리/2)

var selector = new RuntimeSelector(runtimes);

// 속도 우선 → Deno 선택
var runtime = await selector.SelectBestRuntimeAsync(
    "javascript", RuntimePreference.Speed);

// 보안 우선 → Docker 선택
var runtime = await selector.SelectBestRuntimeAsync(
    "python", RuntimePreference.Security);

Deno Runtime 구현

JavaScript/TypeScript용 경량 런타임:

특징

• 시작 시간: 80ms (Docker 대비 25배 빠름)
• 메모리: 30MB (Docker 대비 8배 적음)
• 격리: 권한 기반 샌드박스 (7/10)
• TypeScript: 네이티브 지원

권한 시스템

// RuntimeConfig에서 권한 설정
{
  "Permissions": {
    "AllowRead": ["/workspace"],
    "AllowWrite": ["/workspace"],
    "AllowNet": false,
    "AllowEnv": false
  }
}

// Deno CLI 인자로 변환
deno run \
  --no-prompt \
  --allow-read=/workspace \
  --allow-write=/workspace \
  script.ts

지원 Command 타입

1. ExecuteCodeCommand: TypeScript/JavaScript 코드 직접 실행
2. WriteFileCommand: 파일 생성/수정
3. ReadFileCommand: 파일 읽기
4. CreateDirectoryCommand: 디렉토리 생성
5. ListDirectoryCommand: 디렉토리 목록

성능 비교

JavaScript/TypeScript 실행

메트릭	Docker Runtime	Deno Runtime	개선
시작 시간	2000ms	80ms	25배
메모리	250MB	30MB	8배
격리 수준	9/10	7/10	-2

AI 에이전트 시나리오

10번 연속 실행:
- Docker: ~3초 (환경 생성 오버헤드)
- Deno: ~1초 (빠른 프로세스 시작)
→ 3배 빠른 응답 속도

확장 가능성

향후 추가 예정 런타임:

1. Bun Runtime: JavaScript/TypeScript (Deno보다 빠름)
2. Wasmer Runtime: WebAssembly (극한 격리)
3. V8 Isolate: JavaScript (클라우드 엣지용)
4. Native Process: Go, Rust (컴파일 언어)

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핵심 컴포넌트

1. Session Manager

책임: Stateful 컨테이너 생명주기 관리

주요 기능

• 세션 생성: Docker 컨테이너 시작 (sleep infinity)
• 세션 풀링: ConcurrentDictionary<string, Session> 기반
• 명령 실행: 기존 컨테이너 재사용
• 자동 정리: IdleTimeout (30분), MaxLifetime (120분)

세션 상태 머신

Creating → Active → Idle → Closing → Closed
    ↑        ↓       ↓        ↓
    └────────┴───────┴────────┘
       UpdateActivity()

코드 구조

public sealed class SessionManager : ISessionManager
{
    private readonly ConcurrentDictionary<string, Session> _sessions;
    private readonly DockerClient _docker;
    private readonly CommandExecutor _commandExecutor;
    private readonly SemaphoreSlim _lock;

    public async Task<Session> CreateSessionAsync(SessionConfig config)
    {
        // 1. Docker 컨테이너 생성 (sleep infinity)
        // 2. 컨테이너 시작
        // 3. Session 객체 생성 및 풀에 추가
        // 4. 세션 ID 반환
    }

    public async Task<CommandResult> ExecuteInSessionAsync(
        string sessionId, Command command)
    {
        // 1. 세션 조회
        // 2. 활동 시각 업데이트
        // 3. CommandExecutor로 명령 실행
        // 4. 세션 상태를 Idle로 전환
    }

    public async Task CleanupExpiredSessionsAsync()
    {
        // 1. 만료된 세션 필터링
        // 2. 각 세션에 대해 CloseSessionAsync() 호출
    }
}

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2. Command Executor

책임: Docker API 직접 호출로 명령 실행

Command 타입 시스템

7가지 Command 타입 (JSON 다형성):

Command	용도	Docker API
WriteFileCommand	파일 작성	tee <path>
ReadFileCommand	파일 읽기	cat <path>
ExecuteShellCommand	Shell 실행	직접 명령
CreateDirectoryCommand	디렉토리 생성	mkdir -p <path>
CopyFileCommand	파일 복사	cp <src> <dst>
DeleteFileCommand	파일 삭제	rm -rf <path>
ListDirectoryCommand	목록 조회	ls -la <path>

JSON 다형성 구조

[JsonPolymorphic(TypeDiscriminatorPropertyName = "type")]
[JsonDerivedType(typeof(WriteFileCommand), typeDiscriminator: "write_file")]
[JsonDerivedType(typeof(ReadFileCommand), typeDiscriminator: "read_file")]
// ... 7개 타입
public abstract class Command
{
    public abstract string Type { get; }
    public string? Id { get; set; }
}

실행 로직 (Pattern Matching)

public async Task<CommandResult> ExecuteAsync(
    Command command, string containerId)
{
    return command switch
    {
        WriteFileCommand write => await ExecuteWriteFileAsync(write, containerId),
        ReadFileCommand read => await ExecuteReadFileAsync(read, containerId),
        ExecuteShellCommand shell => await ExecuteShellAsync(shell, containerId),
        // ... 7가지 패턴
        _ => throw new NotSupportedException($"Command type {command.Type}")
    };
}

private async Task<CommandResult> ExecuteWriteFileAsync(
    WriteFileCommand cmd, string containerId)
{
    // Docker Exec API 사용 (shell 없이!)
    var execConfig = new ContainerExecCreateParameters
    {
        Cmd = new[] { "tee", cmd.Path },
        AttachStdin = true,
        AttachStdout = true
    };

    var execResponse = await _docker.Exec.ExecCreateContainerAsync(
        containerId, execConfig);

    using var stream = await _docker.Exec.StartAndAttachContainerExecAsync(
        execResponse.ID, false);

    var bytes = Encoding.UTF8.GetBytes(cmd.Content);
    await stream.WriteAsync(bytes, 0, bytes.Length);

    return CommandResult.Ok(new { path = cmd.Path, bytes = bytes.Length });
}

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3. JSON-RPC Router

책임: 메서드 디스패칭 및 에러 처리

메서드 등록 (Reflection-based)

public sealed class JsonRpcRouter
{
    private readonly ConcurrentDictionary<string, IJsonRpcHandler> _handlers;

    public void RegisterHandler(IJsonRpcHandler handler)
    {
        _handlers[handler.Method] = handler;
    }

    public async Task<JsonRpcResponse?> ProcessRequestAsync(JsonRpcRequest request)
    {
        // 1. 요청 검증 (jsonrpc: "2.0", method 존재)
        // 2. Notification 처리 (id가 없으면 응답 없음)
        // 3. 메서드 실행
        // 4. 성공/실패 응답 반환
    }
}

핸들러 인터페이스

public interface IJsonRpcHandler
{
    string Method { get; }
    Task<object?> HandleAsync(object? @params, CancellationToken ct);
}

등록된 메서드 (8개)

Legacy:
- initialize
- execution.run
- execution.status
- language.list

Session (Phase 3):
- session.create
- session.execute
- session.list
- session.close

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4. Runtime System

책임: 언어별 실행 환경 제공

BaseRuntime (Abstract Class)

public abstract class BaseRuntime : IRuntime
{
    protected readonly DockerExecutor _executor;

    public abstract string LanguageName { get; }
    public abstract string DockerImage { get; }
    protected abstract string FileExtension { get; }

    // Legacy (Backward compatibility)
    public abstract string[] GetRunCommand(
        string entryPoint, List<string>? packages = null);

    // Phase 2 (Command-based)
    public abstract List<Command> GetExecutionPlan(
        string code, List<string>? packages = null);

    public async Task<ExecutionResult> ExecuteAsync(
        string code, ExecutionConfig config, CancellationToken ct)
    {
        // 1. Setup workspace (temp directory)
        // 2. Get execution plan (commands)
        // 3. Execute via Docker
        // 4. Cleanup workspace
    }
}

언어별 구현 예시 (PythonRuntime)

public sealed class PythonRuntime : BaseRuntime
{
    public override string LanguageName => "python";
    public override string DockerImage => "codebeaker-python:latest";
    protected override string FileExtension => ".py";

    public override List<Command> GetExecutionPlan(
        string code, List<string>? packages = null)
    {
        var commands = new List<Command>
        {
            // 1. Write Python code
            new WriteFileCommand {
                Path = "/workspace/main.py",
                Content = code
            }
        };

        // 2. Install packages if needed
        if (packages != null && packages.Count > 0)
        {
            commands.Add(new ExecuteShellCommand {
                CommandName = "pip",
                Args = new List<string> { "install", "--no-cache-dir" }
                    .Concat(packages).ToList()
            });
        }

        // 3. Run Python script
        commands.Add(new ExecuteShellCommand {
            CommandName = "python3",
            Args = new List<string> { "/workspace/main.py" }
        });

        return commands;
    }
}

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데이터 모델

Session

public sealed class Session
{
    public string SessionId { get; set; }          // GUID
    public string ContainerId { get; set; }        // Docker container ID
    public string Language { get; set; }           // python, javascript, go, csharp
    public DateTime CreatedAt { get; set; }
    public DateTime LastActivity { get; set; }
    public SessionState State { get; set; }
    public SessionConfig Config { get; set; }
    public Dictionary<string, object> Metadata { get; set; }
    public int ExecutionCount { get; set; }

    public bool IsExpired(DateTime now)
    {
        var idleTime = now - LastActivity;
        var lifetime = now - CreatedAt;
        return idleTime.TotalMinutes > Config.IdleTimeoutMinutes ||
               lifetime.TotalMinutes > Config.MaxLifetimeMinutes;
    }
}

SessionConfig

public sealed class SessionConfig
{
    public string Language { get; set; }
    public string? DockerImage { get; set; }
    public int IdleTimeoutMinutes { get; set; } = 30;
    public int MaxLifetimeMinutes { get; set; } = 120;
    public bool PersistFilesystem { get; set; } = true;
    public long? MemoryLimitMB { get; set; }
    public long? CpuShares { get; set; }
}

CommandResult

public sealed class CommandResult
{
    public string? Id { get; set; }
    public bool Success { get; set; }
    public object? Result { get; set; }
    public string? Error { get; set; }
    public int DurationMs { get; set; }

    public static CommandResult Ok(object? result = null, int durationMs = 0);
    public static CommandResult Fail(string error, int durationMs = 0);
}

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성능 최적화

1. 컨테이너 재사용 (Session)

Before (Stateless):
- Container create: ~200ms
- Code execution: 100-500ms
- Container cleanup: ~100ms
- Total: 400-800ms per execution

After (Session):
- First execution: ~400ms (create session)
- Subsequent: ~100-200ms (reuse container)
- Improvement: 50-75% faster

2. Shell 우회 (Command System)

Before (Shell-based):
Request → "/bin/sh -c 'command'" → Parse → Execute
- Shell overhead: ~20-50ms

After (Direct API):
Request → Docker API → Direct Execute
- No shell parsing
- Improvement: ~20% faster

3. 병렬 처리

• 세션 풀링: ConcurrentDictionary 기반
• 명령 실행: SemaphoreSlim 동시성 제어
• 자동 정리: Background worker (1분 간격)

---

보안 아키텍처

1. Docker 격리

var createParams = new CreateContainerParameters
{
    Image = dockerImage,
    Cmd = new[] { "sleep", "infinity" },
    HostConfig = new HostConfig
    {
        Memory = 512 * 1024 * 1024,      // 512MB 제한
        CPUShares = 1024,                // CPU 제한
        NetworkMode = "none",            // 네트워크 격리
        AutoRemove = false               // 수동 관리
    }
};

2. 리소스 제한

• 메모리: 기본 512MB (설정 가능)
• CPU: 기본 1024 shares
• 네트워크: 격리 (none)
• 실행 시간: ExecutionConfig.TimeoutSeconds

3. 세션 관리

• IdleTimeout: 30분 (기본)
• MaxLifetime: 120분 (기본)
• 자동 정리: Background worker

---

확장성

수평 확장 (향후)

┌──────────────┐   ┌──────────────┐   ┌──────────────┐
│ API Server 1 │   │ API Server 2 │   │ API Server 3 │
└──────┬───────┘   └──────┬───────┘   └──────┬───────┘
       │                  │                  │
       └──────────────────┴──────────────────┘
                          │
                          ▼
                 ┌─────────────────┐
                 │ Redis (Sessions)│
                 └─────────────────┘

현재 제약사항

• 단일 인스턴스: 세션이 메모리에 저장
• 로컬 Docker: 단일 Docker 엔진

향후 개선

• Redis 기반 세션 스토리지
• 분산 Docker 오케스트레이션
• Kubernetes 배포
• 로드 밸런싱

---

모니터링 & 관리

Health Check

GET http://localhost:5000/health

메트릭 (계획)

• 활성 세션 수
• 평균 실행 시간
• 에러율
• 컨테이너 리소스 사용량

로깅

• Serilog 통합 (Console + File)
• 구조화된 로그
• 에러 추적

---

참조 문서

• Phase 1: JSON-RPC + WebSocket
• Phase 2: Custom Commands
• Phase 3: Session Management
• 통합 테스트
• 프로덕션 준비

---

CodeBeaker Architecture v1.0 - 2025-10-27