기본적으로 HTTP는 앞서 설명한 전송 계층 위에 있는 애플리케이션 계층으로서 웹 서비스 통신에 사용된다. HTTP/1.0부터 시작해서 발전을 거듭하여 지금은 HTTP/3이다.

1. HTTP/1.0

HTTP/1.0은 기본적으로 한 연결당 하나의 요청을 처리하도록 설계되었다. 이는 RTT 증가를 불러오게 되었다.

1.1. RTT 증가

서버로부터 파일을 가져올 때마다 TCP의 3-웨이 핸드셰이크를 계속해서 열어야 하기 때문에 RTT가 증가하는 단점이 있다.

용어

• RTT
  패킷이 목적지에 도달하고 나서 다시 출발지로 돌아오기까지 걸리는 시간이며 패킷 왕복시간

1.2. RTT의 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 사용하곤 했다.

1.2.1. 이미지 스플리팅

많은 이미지를 다운로드받게 되면 과부하가 걸리기 때문에 많은 이미지가 합쳐 있는 하나의 이미지를 다운로드받고, 이를 기반으로 background-image의 position을 이용하여 이미지를 표기하는 방법이다.

1.2.2. 코드 압축

코드 압축은 코드를 압축해서 개행 문자, 빈칸을 없애서 코드의 크기를 최소화하는 방법이다.

1.2.3. 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.

용어

• 인코딩
  정보의 형태나 형식을 표준화, 보안, 처리 속도 향상, 저장 공간 절약 등을 위해 다른 형태나 형식으로 변환하는 처리 방식

2. HTTP/1.1

HTTP/1.0에서 발전한 것이 HTTP/1.1이다. 매번 TCP 연결을 하는 것이 아니라 한 번 TCP 초기화를 한 이후에 keep-alive라는 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있게 바뀌었다. 참고로 HTTP/1.0에서도 keep-alive가 있었지만 표준화가 되어 있지 않았고 HTTP/1.1부터 표준화가 되어 기본 옵션으로 설정되었다.

다음 그림처럼 한 번 TCP 3-웨이 핸드셰이크가 발생하면 그다음부터 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. 하지마 문서 안에 포함된 다수의 리소스(이미지, css 파일, script 파일)를 처리하려면 요청할 리소스 개수에 비례해서 대기 시간이 길어지는 단점이 있다.

2.1. HOL Blocking

HOL Blocking(Head Of Line Blocking)은 네트워크에서 같은 큐에 있는 패킷이 그 첫 번째 패킷에 의해 지연될 때 발생하는 성능 저하 현상을 말한다.

2.2. 무거운 헤더 구조

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

3. HTTP/2

HTTP/2는 SPDY 프로토콜에서 파생된 HTTP/1.x보다 지연 시간을 줄이고 응답 시간을 더 빠르게 할 수 있으며 멀티플렉싱, 헤더 압축, 서버 푸시, 요청의 우선순위 처리를 지원하는 프로토콜이다.

3.1. 멀티플렉싱

멀티플렉싱이란 여러 개의 스트림을 사용하여 송수신한다는 것이다. 이를 통해 특정 스트림의 패킷이 손실되었다고 해도 해당 스트림에만 영향을 미치고 나머지 스트림은 멀쩡하게 동작이 가능하다.

용어

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

HOL Blocking을 해결

3.2. 헤더 압축

HTTP/1.x에는 크기가 큰 헤더라는 문제가 있었다.

이를 HTTP/2에서는 헤더 압축을 써서 해결하는데, 허프만 코딩 압축 알고리즘을 사용하는 HPACK 압축 형식을 가진다.

3.2.1. 허프만 코딩

허프만 코딩(huffman coding)은 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 비트양을 줄이는 원리이다.

3.3. 서버 푸시

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

4. HTTPS

HTTP/2는 HTTPS위에서 동작한다. HTTPS는 애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣은 신뢰할 수 있는 HTTP 요청을 말한다. 이를 통해 '통신을 암호화'한다.

4.1. SSL/TLS

SSL(Secure Socket Layer)은 SSL 1.0부터 시작해서 SSL 2.0, SSL 3.0, TLS(Transport Layer Security Protocol) 1.0, TLS 1.3까지 버전이 올라가며 마지막으로 TLS로 명칭이 변경되었으나 보통 이를 합쳐 SSL/TLS로 많이 부른다.

SSL/TLS는 전송 계층에서 보안을 제공하는 프로토콜이다. 클라이언트와 서버가 통신할 때 SSL/TLS를 통해 제 3자가 메시지를 도청하거나 변조하지 못하도록 한다.

SSL/TLS는 보안 세션을 기반으로 데이터를 암호화하여 보안 세션이 만들어질 때 인증 메커니즘, 키 교환 암호화 알고리즘, 해싱 알고리즘이 사용된다.

4.1.1. 보안 세션

보안 세션이란 보안이 시작되고 끝나는 동안 유지되는 세션을 말하고, SSL/TLS는 핸드셰이크를 통해 보안 세션을 생성하고 이를 기반으로 상태 정보 등을 공유한다.

용어

• 세션
  운영체제가 어떠한 사용자로부터 자신의 자산 이용을 허락하는 일정한 기간을 뜻한다. 즉, 사용자는 일정 시간동안 응용 프로그램, 자원 등을 사용할 수 있다.

1. 클라이언트와 서버와 키를 공유
2. 이를 기반으로 인증, 인증 확인 등의 작업이 일어나는 1-RTT 생성
3. 클라이언트에서 사이퍼 슈트를 서버에 전달
4. 서버는 사이퍼 슈트의 암호화 알고리즘 리스트를 제공할 수 있는지 확인
5. 제공 가능하면 서버에서 클라이언트로 인증서를 보내는 인증 메커니즘이 시작
   -> 인증 메커니즘은 CA에서 발급한 인증서를 기반
6. 해싱 알고리즘 등으로 암호화된 데이터의 송수신 시작

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

4.1.2. 암호화 알고리즘

키 교환 암호화 알고리즘으로는 대수곡선 기반의 ECDHE(Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephermeral) 또는 모듈식 기반의 DHE(Diffie-Hellman Ephermeral)를 사용한다. 둘 다 디피-헬만 방식을 근간으로 만들어졌다.

디피-헬만 키 교환 암호화 알고리즘
g와 x와 p를 안다면 y는 구하기 쉽지만 g와 y와 p만 안다면 x를 구하기는 어렵다는 원리에 기반한 알고리즘

4.1.3. 해싱 알고리즘

해싱 알고리즘은 데이터를 추정하기 힘든 더 작고, 섞여 있는 조각으로 만드는 알고리즘이다. SSL/TLS는 해싱 알고리즘으로 SHA-256 알고리즘을 사용한다.

SHA-256 알고리즘
결괏값이 256비트인 알고리즘이며 비트 코인을 비롯한 많은 블록체인 시스템에서도 사용한다. SHA-256 알고리즘은 해싱을 해야 할 메시지에 1을 추가하는 등 전처리를 하고 전처리된 메시지를 기바능로 해시를 반환한다.

용어

• 해시
  다양한 길이를 가진 데이터를 고정된 길이를 가진 데이터로 매핑한 값
• 해싱
  임의의 데이터를 해시로 바꿔주는 일이며 해시 함수가 이를 담당
• 해시 함수
  임의의 데이터를 입력으로 받아 일정한 길이의 데이터로 바꿔주는 함수

4.2. HTTPS 구축 방법

1. 직접 CA에서 구매한 인증키를 기반으로 HTTPS 서비스 구축
2. 서버 앞단의 HTTPS를 제공하는 로드밸런서 두어 구축
3. 서버 앞단에 HTTPS를 제공하는 CDN을 두어 구축

5. HTTP/3

HTTP/3은 HTTP/1.1 및 HTTP/2와 함께 World Wide Web에서 정보를 교환하는데 사용되는 HTTP의 세 번째 버전이다. TCP 위에서 돌아가는 HTTP/2와는 달리 HTTP/3은 QUIC이라는 계층 위에서 돌아가며, TCP 기반이 아닌 UDP 기반으로 돌아간다. 또한 HTTP/2에서 장점이었던 멀티플렉싱을 가지고 있으며 초기 연결 설정 시 지연 시간 감소라는 장점도 있다.

5.1. 초기 연결 설정 시 지연 시간 감소

QUIC는 TCP를 사용하지 않기 때문에 통신을 시작할 때 번거로운 3-웨이 핸드셰이크 과정을 거치지 않아도 된다.

QUIC는 첫 연결 설정에 1-RTT만 소요된다. 클라이언트가 서버에 어떤 신호를 한 번 주고, 서버도 거기에 응답하기만 하면 바로 본 통신을 시작할 수 있다.

참고로 QUIC는 순방향 오류 수정 메커니즘(FEC, Forword Error Correction)이 적용되었다. 이는 전송한 패킷이 손실되었다면 수신 측에서 에러를 검출하고 수정하는 방식이며 열악한 네트워크 환경에서도 낮은 패킷 손실률을 자랑한다.