1 - 3. 네트워크 기초

HTTP/1.0

HTTP/1.0은 기본적으로 한 연결당 하나의 요청을 처리하도록 설계되어있다. 서버로부터 파일을 가져올 때마다 TCP의 3-way-handshake를 계속해서 열어야 하기 때문에 RTT가 증가하는 단점이 있다.

 

RTT

패킷이 목적지에 도달하고 나서 다시 출발지로 돌아오기까지 걸리는 시간, 패킷 왕복 시간

 

RTT 증가를 해결하기 위한 방법

매번 연결할 때마다 RTT가 증가하니 서버에 부담이 많이 가고 사용자 응답 시간이 길어졌다. 이를 해결하기 위해 이미지 스플리팅, 코드 압축, 이미지 Base64 인코딩을 사용했다.

 

이미지 스플리팅

많은 이미지를 다운로드하게 되면 과부하가 걸리기 때문에 많은 이미지가 협쳐 있는 하나 이미지를 다운로드하고, 이를 기반으로 background-image의 position을 이용해 이미지를 표기하는 방법이다.

 

코드 압축

코드압축은 코드를 압축해 개행 문자, 빈칸을 없애서 코드의 크기를 최소화하는 방법이다.

개행 문자, 띄어쓰기 등이 사라져 코드가 압축되면 코드 용량이 줄어든다.

 

이미지 Base64 인코딩

이미지 파일을 64진법으로 이루어진 문자열로 인코딩하는 방법이다. 이 방법을 사용하면 서버와의 연결을 열고 이미지에 대해 서버에 HTTP 요청을 할 필요가 없다는 장점이 있다. 하지만 Base64 문자열로 변환할 경우 37% 정도 크기가 더 커지는 단점이 있다.

 

HTTP/1.1

매번 TCP 연결을 하는 것이 아니라 한 번 TCP 초기화를 한 이후에 keep-alive라는 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있게 바뀌었다. 한번 TCP 3-way-shake 가 발생하면 그다음부터 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. 하지만 문서 안에 포함된 다수의 리소스(이미지, css, script)를 처리하려면 요청할 리소스 개수에 비례해서 대기 시간이 길어지는 단점이 있다.

 

HOL Blocking

HOL Blocking은 네트워크에서 같은 큐에 있는 패킷이 그 첫 번째 패킷에 의해 지연될 때 발생하는 성능 저하 현상이다. 예를 들어 image.jpg와 style.css, data.xml을 다운로드받을 때 보통은 순차적으로 잘 받아지지만 image.jpg가 느리게 받아진다면 그 뒤에 있는 것들이 대기하게 되며 다운로드가 지연되는 상태가 된다.

 

무거운 헤더 구조

HTTP/1.1의 헤더에는 쿠키등 많은 메타데이터가 들어 있고 압축이 되지 않아 무거웠다.

 

HTTP/2.0

HTTP/2.0은 HTTP/1.x 보다 지연 시간을 줄이고 응답 시간을 더 빠르게 할 수 있으며 멀티플렉싱, 헤더 압축, 서버 푸시, 요청의 우선순위를 처리를 지원하는 프로토콜이다.

 

멀티플렉싱

멀티플렉싱이란 여러 개의 스트림을 사용하여 송수신한다는 것이다. 이를 통해 특정 스트림의 패킷이 손실되었다고 하더라도 해당 스트림에만 영향을 미치고 나머지 스트림은 멀쩡하게 동작할 수 있다. 멀티플렉싱을 통해 단일 연결을 사용하여 병렬로 여러 요청을 받을 수 있고 응답을 줄 수 있다. 이렇게 되면 HTTP/1.x에서 발생하는 HOL Blocking을 해결할 수 있다.

 

스트림

시간이 지남에 따라 사용할 수 있게 되는 일련의 데이터 요소를 가리키는 데이터 흐름

 

헤더 압축

HTTP/1.x에서 크기가 큰 헤더의 문제를 HTTP/2.0에서는 헤더 압축을 써서 해결하는데, 허프만 코딩 압축 알고리즘을 사용하는 HPACK 압축 형식을 가진다.

 

허프만 코딩

문자열을 문자 단위로 쪼개 빈도수를 세어 빈도가 높은 정보는 적은 비트 수를 사용하여 표현하고, 빈도가 낮은 정보는 비트 수를 많이 사용하여 표현해서 전체 데이터의 표현에 필요한 비트 양을 줄이는 원리이다.

 

서버 푸시

HTTP/1.1에서는 클라이언트가 서버에 요청을 해야 파일을 다운받을 수 있었다면, HTTP/2는 클라이언트 요청 없이 서버가 바로 리소스를 푸시할 수 있다.

 

HTTPS

HTTP/2는 HTTPS 위에서 동작한다. HTTPS는 애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣은 신뢰할 수 있는 HTTP 요청이다.

 

SSL/TLS

SSL/TLS는 전송 계층에서 보안을 제공하는 프로토콜이다. 클라이언트와 서버가 통신할 때 SSL/TLS를 통해 제삼자가 메시지를 도청하거나 변조하지 못하도록 한다. SSL/TLS를 통해 공격자가 서비인 척하며 사용자 정보를 가로채는 네트워크 상의 인터셉터를 방지할 수 있다.

SSL/TLS는 보안 세션을 기반으로 데이터를 암호화하며 보안 세션이 만들어질 때 인증 메커니즘, 키 교환 암호화 알고리즘, 해싱 알고리즘이 사용된다. 참고로 TLS 1.3은 사용자가 이전에 방문한 사이트로 다시 방문한다면 SSL/TLS에서 보안 세션을 만들 때 걸리는 통신을 하지 않아도 된다. 이를 0-RTT라 한다.

 

보안 세션

보안 세션이란 보안이 시작되고 끝나는 동안 유지되는 세션을 말하고, SSL/TLS는 핸드셰이크를 통해 보안 세션을 생성하고 이를 기반으로 상태 정보 등을 공유한다. 클라이언트와 서버와 키를 공유하고 이를 기반으로 인증, 인증 확인 등의 작업이 일어나는 단 한 번의 1-RTT가 생긴 후 데이터를 송수신하는 것을 볼 수 있다. 클라이언트에서 사이퍼 슈트를 서버에 전달하면 서버는 받은 사이퍼 슈트의 암호화 알고리즘 리스트를 제공할 수 있는지 확인한다. 제공할 수 있다면 서버에서 클라이언트로 인증서를 보내는 인증 메커니즘이 시작되고 이후 해싱 알고리즘 등으로 암호화된 데이터의 송수신이 시작된다.

 

사이퍼 슈트

사이퍼 슈트는 프로토콜, AEAD 사이퍼 모드, 해싱 알고리즘이 나열된 규약을 말하며 다섯 개가 있다.

• TLS_AES_128_GCM_SHA256
• TLS_AES_256_GCM_SHA384
• TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256
• TLS_AES_128_CCM_SHA256
• TLS_AES_128_CCM_8_SHA256

TLS_AES_128_GCM_SHA256에는 세가지 규약이 들어 있는데 TLS는 프로토콜, AES_128_GCM은 AEAD 사이퍼 모드, SHA256은 해싱 알고리즘을 뜻한다.

 

AEAD 사이퍼 모드

AEAD는 데이터 암호화 알고리즘이며 AES_128_GCM 등이 있다. 예를 들어 AES_128_GCM이라는 것은 128비트의 키를 사용하는 표준 블록 함호화 기술과 병렬 계산에 용이한 암호화 알고리즘 GCM이 결합된 알고리즘을 뜻한다.

 

암호화 알고리즘

키 교환 암호화 알고리즘으로는 대수곡선 기반의 ECDHE 또는 모듈식 기반의 DHE를 사용한다. 둘 다 디피-헬만 방식을 근간으로 만들어졌다.

 

디피-헬만 키 교환 암호화 알고리즘

디피-헬만 키 교환 암호화 알고리즘은 암호키를 교환하는 하나의 방법이다.

처음에 공개 값을 공유하고 각자의 비밀 값과 혼합한 후 혼합 값을 공유한다. 각자 비밀 값과 또 혼합한다. 그 이후에 공통의 암호키가 생성되는 것이다.

 

SHA-256 알고리즘

SHA-256 알고리즘은 해시 함수의 결괏값이 256비트인 알고리즘이며 해싱을 해야 할 메세지에 1을 추가하는 등 전처리를 하고 전 처리된 메시지를 기반으로 해시를 반환한다.

 

 

HTTPS 구축 방법

직접 CA에서 구매한 인증키를 기반으로 HTTPS 서비스를 구축하거나, 서버 앞단의 HTTPS를 제공하는 로드밸런서를 두거나, 서버 앞단에 HTTPS를 제공하는 CDN을 둬서 구축한다.

 

HTTP/3

TCP 위에서 돌아가는 HTTP/2와는 달리 HTTP/3은 QUIC이라는 계층 위에서 돌아가며, TCP 기반이 아닌 UDP 기반으로 돌아간다.

QUIC는 TCP를 사용하지 않기 때문에 통신을 시작할 때 번거로운 3-way-handshake과정을 거치지 않아도 된다. QUIC는 첫 연결 설정에 1-RTT만 소요된다. QUIC는 순방향 오류 수정 메커니즘이 적용되었다. 전송한 패킷이 손실되었다면 수신 측에서 에러를 검출하고 수정하는 방식이며 열악한 네트워크 환경에서도 낮은 패킷 손실률을 자랑한다.