[기술 면접] 웹소켓 개념 및 동작 원리

웹소켓(WebSockets)

웹소켓은 웹 브라우저와 웹 서버 간의 양방향 통신을 지원하는 프로토콜이다. 이것은 HTTP 프로토콜의 단점 중 하나인 클라이언트에서 서버로 요청을 보내고 서버는 그에 대한 응답을 보내는 단방향 통신 모델을 극복하기 위해 개발되었다. 웹소켓을 사용하면 실시간으로 데이터를 주고받을 수 있으며, 서버 또는 클라이언트 측에서 데이터를 보낼 때 지연 시간을 최소화하고 효율적인 양방향 통신을 구현할 수 있다.

웹소켓은 주로 실시간 채팅, 온라인 게임, 주식 시장의 실시간 데이터 전송, 협업 도구 등의 분야에서 활용된다.

웹소켓 특징

1. 양방향 통신: 웹소켓을 통해 클라이언트와 서버 간에 실시간 양방향 통신이 가능하다. 서버는 클라이언트로부터 요청 없이도 데이터를 전송할 수 있다.

2. 지속적 연결: 웹소켓은 HTTP와 달리 연결을 계속 유지한다. 이로써 데이터를 전송하거나 수신하기 위해 매번 새로운 연결을 설정할 필요가 없다.

3. 낮은 지연 시간: 웹소켓은 헤더 정보의 크기를 최소화하고, 연결 설정과 해제에 드는 시간을 줄여 실시간 통신에서 높은 성능을 제공한다.

4. 프레임워크 지원: 많은 프레임워크와 라이브러리에서 웹소켓을 지원하고 있어, 상대적으로 쉽게 구현하고 사용할 수 있다.

5. 이벤트 기반: 서버와 클라이언트 간의 데이터 전송은 이벤트 기반으로 이루어지며, 이로써 실시간 업데이트와 상호작용을 구현할 수 있다.

웹소켓 동작 원리

1. 핸드쉐이크(Handshake):
웹소켓 연결은 HTTP를 통해 시작된다. 클라이언트가 서버에게 웹소켓 연결을 요청하면, 클라이언트와 서버 간에 일련의 핸드쉐이크 과정이 발생한다. 클라이언트는 HTTP Upgrade 요청 헤더를 사용하여 웹소켓 연결로 업그레이드하고, 서버는 이를 승인하며 101 Switching Protocols 응답을 보낸다.

2. 연결 유지(Keeping Connection):
핸드쉐이크 이후에는 TCP 기반의 연결이 설정되며, 이 연결은 지속적으로 유지된다. 이로써 양방향 데이터 전송이 가능해진다.

3. 데이터 교환(Data Exchange):
연결이 확립되면 클라이언트와 서버 간에 데이터를 교환할 수 있다. 데이터는 메시지의 형태로 주고받으며, 이 메시지는 이벤트 기반으로 동작한다. 클라이언트 또는 서버는 언제든지 메시지를 보낼 수 있으며, 상대방은 이에 응답할 수 있다.

4. 연결 종료(Connection Termination):
웹소켓 연결을 종료하려면 클라이언트 또는 서버가 종료 프레임을 보내면 된다. 이 프레임은 연결을 명시적으로 닫는 데 사용된다. 또한, 연결이 비정상적으로 종료되는 경우에는 네트워크 문제 또는 다른 이유로 인해 연결이 끊어진 것으로 판단된다.

5. 프로토콜과 데이터 형식(Protocol and Data Format):
웹소켓 프로토콜은 헤더 정보를 최소화하여 낮은 오버헤드로 데이터를 전송한다. 메시지는 프레임 단위로 나눠지며, 각 프레임은 데이터를 포함하거나 컨트롤 명령을 전송하는 데 사용된다.

웹소켓은 단일 연결을 통해 클라이언트와 서버 간에 실시간 양방향 통신을 제공하기 위해 설계되었다. 이러한 특징을 통해 웹소켓은 HTTP의 한계를 극복하고, 실시간 업데이트와 상호작용이 필요한 다양한 애플리케이션에 적합한 기술로 사용된다.

웹소켓 장점

1. 실시간 통신:
웹소켓은 실시간으로 데이터를 주고받을 수 있어서 실시간 업데이트가 필요한 애플리케이션에 적합하다. 채팅 애플리케이션, 실시간 게임, 주식 시장 데이터 전송 등에서 활용된다.

2. 낮은 지연 시간:
핸드쉐이크 후에 지속적으로 연결을 유지하기 때문에 HTTP와 비교하여 지연 시간이 낮다. 이로써 사용자 경험이 향상되고 실시간성이 보장된다.

3. 효율적인 통신:
웹소켓 프로토콜은 헤더 정보의 크기를 최소화하고, 오버헤드를 줄여 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다.

4. 양방향 통신:
클라이언트와 서버 간의 양방향 통신이 가능하며, 언제든지 데이터를 주고받을 수 있다. 서버가 클라이언트에게 푸시 메시지를 보낼 수 있어서 서버-클라이언트 상호작용이 원활하다.

5. 다양한 플랫폼 지원:
웹소켓은 다양한 프로그래밍 언어와 플랫폼에서 지원되어 구현이 비교적 쉽다.

웹소켓 단점

1. 추가 구현 복잡성:
HTTP와는 달리 핸드쉐이크 등의 추가적인 프로토콜 로직이 필요하며, 이로 인해 초기 구현 복잡성이 증가할 수 있다.

2. 지원 브라우저 문제:
모든 브라우저가 웹소켓을 지원하지 않을 수 있으며, 특정 버전의 브라우저에서는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 경우 폴백(fallback) 기능을 구현해야 할 수도 있다.

3. 보안 고려사항:
웹소켓을 사용할 때 보안을 고려해야 한다. 적절한 보안 메커니즘을 구현하지 않으면 보안 위험에 노출될 수 있다.

4. 서버 부하:
실시간 연결을 유지하기 위해 서버에 부하가 발생할 수 있다. 이에 대한 스케일링 및 최적화가 필요할 수 있다.

웹소켓 이외의 실시간 통신 방식

1. Long Polling (장기 폴링):
Long Polling은 클라이언트가 서버에 요청을 보내고, 서버는 새로운 데이터가 도착할 때까지 응답을 대기하는 방식이다. 데이터가 도착하면 응답을 보내고, 클라이언트는 즉시 새로운 요청을 보내서 연결을 유지한다. 이 방식은 웹소켓처럼 실시간성을 제공하지만 연결을 유지하는 동안 서버 부하가 발생할 수 있다.

2. Server-Sent-Events (SSE, 서버 전송 이벤트):
SSE는 단방향 통신 방식으로, 서버에서 클라이언트로 실시간 데이터를 전송하는 기술이다. 클라이언트는 서버로부터 이벤트 스트림을 받고, 이벤트가 발생할 때마다 데이터를 수신한다. 웹소켓처럼 양방향 통신은 아니지만, 일반적으로 클라이언트가 서버로부터 데이터를 주기적으로 받을 수 있다.

4. Push Notifications (푸시 알림):
푸시 알림은 서버에서 클라이언트로 알림을 보내는 방식이다. 모바일 앱과 웹 애플리케이션에서 주로 사용되며, 사용자가 앱을 열지 않은 상태에서도 중요한 정보나 알림을 전송할 수 있다.

5. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):
MQTT는 경량 메시징 프로토콜로, IoT (사물 인터넷) 분야에서 널리 사용된다. 발행-구독 모델을 기반으로 하면, 실시간 데이터를 다루는 데 적합하다.

6. WebRTC (Web Real-Time Communication):
WebRTC는 주로 웹 브라우저 간에 음성 통화, 영상 통화, 파일 공유 등의 실시간 미디어 통신을 위한 기술이다. P2P (Peer-to-Peer) 통신을 지원하며, 화상 회의나 실시간 커뮤니케이션에 활용된다.