[CS] 네트워크 - HTTP 버전 별 특징 및 HTTPS

Janet·2023년 7월 18일

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HTTP(HyperText Transfer Protocol, 하이퍼텍스트 전송 규약)

HTTP는 W3(World Wide Web) 상에서 정보를 주고받을 수 있는 프로토콜로 주로 HTML 문서를 주고받는 데에 쓰인다.
HTTP는 클라이언트와 서버 사이에 이루어지는 요청/응답 프로토콜이다.
HTTP는 응용 계층으로서 웹 서비스 통신에 사용된다.
HTTP/1.0부터 시작해서 발전을 거듭하여 현재는 HTTP/3이다.

1. HTTP/1.0

HTTP/1.0은 기본적으로 한 연결당 하나의 요청을 처리하도록 설계되었다. 이는 RTT 증가를 불러오게 되었다.
- cf. RTT(Round Trip Time, 왕복 시간)
  - RTT는 인터넷 상에서 송신지부터 목적지까지 패킷이 왕복하는데 걸리는 시간, 즉 패킷 왕복 시간을 말한다.
  - RTT는 네트워크 연결의 속도와 안정성을 진단할 때 주로 사용한다.
  - RTT에 영향을 주는 요소들
    - 전송 매체의 차이: 무선 혹은 유선 통신
    - 거리의 차이: 근거리, 원거리
    - 서버의 성능
    - 트래픽 양(혼잡도)

1-1. RTT 증가

서버로부터 파일을 가져올 때마다 TCP의 3-way handshake를 계속해서 열어야 하기 때문에 RTT가 증가하는 단점이 있었다.
매번 연결할 때마다 RTT가 증가하니 서버에 부담이 많이 가고 사용자 응답 시간이 길어지는 등의 문제가 발생하였다.

1-2. RTT의 증가를 해결하기 위한 방법

이미지 스프라이트(이미지 스플리팅), 코드 압축, 이미지 Base64 인코딩 등이 있다.
1-2-1. Image Sprite(Image Splitting)

이미지 스프라이트(이미지 스플리팅)는 많은 이미지를 다운로드 받게 되면 과부하가 걸리기 때문에 많은 이미지가 합쳐 있는 하나의 이미지를 다운로드받고, 이를 기반으로 CSS에서 background-image의 position을 이용하여 각각의 이미지를 표기하는 방법이다.
- 이미지 스프라이트의 예시: Naver.com의 스프라이트 이미지 파일
이미지 스프라이트의 장점
- 서버의 요청 수를 줄여 로딩 시간을 단축할 수 있다.
- 스프라이트 이미지 파일만을 관리하기에 관리에 용이하다.
이미지 스프라이트의 단점
- 스프라이트의 이미지에서 사용하려는 이미지의 정확한 position 값을 알아야 한다.
- 스프라이트 이미지 내에서 특정 이미지를 변경해야 할 때, 단일 파일보다 수정이 번거롭다.

1-2-2. 코드 압축

코드 압축: 코드를 압축해서 개행 문자, 빈칸을 없애서 코드의 크기를 최소화하는 방법이다.
- cf. 개행문자: 컴퓨터에서 줄바꿈을 나타내는 제어문자를 말한다. (ex: \n)

1-2-3. 이미지 Base64 인코딩

이미지 Base64 인코딩은 이미지 파일을 64진법으로 이루어진 문자열로 인코딩하는 방법이다.
이미지 Base64 인코딩의 장점: 서버와의 연결을 열고 이미지에 대해 서버에 HTTP 요청을 할 필요가 없다.
이미지 Base64 인코딩의 단점: Base64 문자열로 변환할 경우 37% 정도 크기가 더 커진다.
- cf. 인코딩(Encoding): 정보의 형태나 형식을 표준화, 보안, 처리 속도 향상, 저장 공간 절약 등을 위해 다른 형태나 형식으로 변환하는 처리 방식이다.

2. HTTP/1.1

HTTP/1.1는 HTTP/1.0에서 발전한 것으로, 매번 TCP 연결을 하는 것이 아닌 1번 TCP를 초기화 한 이후에 keep-alive라는 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있게 바뀌었다. (keep-alive는 1.0에서도 있었지만 1.1부터 표준화가 되어 기본 옵션으로 설정 되었다.)
아래 그림과 같이 한 번 TCP 3-way-handshake가 발생하면 그 다음부터는 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. ▼ HTTP/1.0과 HTTP/1.1의 비교
HTTP/1.1의 단점
- 문서 안에 포함된 다수의 리소스(이미지, 동영상, css파일, js파일 등)를 처리하려면 요청할 리소스 개수에 비례하여 대기 시간이 길어진다.
- HOL Blocking(Head Of Line Blocking) 현상 발생: ****네트워크에서 같은 큐에 있는 패킷이 그 첫 번째 패킷에 의해 지연될 때 발생하는 성능 저하 현상을 말한다.
- 무거운 헤더 구조: HTTP/1.1의 헤더에는 쿠키 등 많은 메타데이터가 들어 있고 압축이 되지 않아 무겁다.

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(Multiplexing, 다중화)

멀티플렉싱이란 여러 개의 스트림을 사용하여 송수신하는 것으로, 하나의 통신 채널을 통해서 둘 이상의 데이터를 전송하는데 사용되는 기술이다.
특정 스트림의 패킷이 손실되었어도 해당 스트림에만 영향을 미치고 나머지 스트림은 정상적으로 동작할 수 있다.
- cf. 스트림(stream): 시간이 지남에 따라 사용할 수 있게 되는 일련의 데이터 요소를 가리키는 데이터 흐름을 말한다.

3-2. 헤더 압축

HTTP/1.x에는 무거운 헤더 구조라는 문제가 있었다. HTTP/2에서는 헤더 압축을 써서 해결했는데, 허프만 코딩 압축 알고리즘을 사용하는 HPACK 압축 형식을 가진다.
- cf. 허프만 코딩(huffman coding): 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 클라이언트 요청 없이 서버가 바로 리소스를 푸시할 수 있다.
HTML에는 css나 js 파일이 포함되기 마련인데 HTML을 읽으면서 그 안에 들어 있던 css파일을 서버에서 푸시하여 클라이언트에 먼저 줄 수 있다.

4. HTTPS

HTTP/2는 HTTPS 위에서 동작한다. HTTPS는 애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣은 신뢰할 수 있는 HTTP 요청을 말한다. 이를 통해 통신을 암호화한다.

4-1. SSL/TLS

SSL(Secure Socket Layer)은 SSL 1.0부터 시작해서 TLS(Transport Layer Security Protocol)로 명칭이 변경되었으나 보통 이를 합쳐 SSL/TLS로 많이 부른다.
SSL/TLS는 전송 계층에서 보안을 제공하는 포로토콜이다. 클라이언트와 서버가 통신을 할 때 SSL/TLS를 통해 제3자가 메시지를 도청하거나 변조하지 못하도록 한다.
- 예를 들어 SSL/TLS를 통해 공격자가 서버인 척하며 사용자 정보를 가로채는 네트워크상의 '인터셉터'를 방지할 수 있다.
SSL/TLS는 보안 세션을 기반으로 데이터를 암호화하며 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 말한다.
SSL/TLS는 handshake를 통해 보안 세션을 생성하고 이를 기반으로 상태 정보 등을 공유한다.
- cf. 세션(session): 세션의 사전적 의미는 (특정 활동을 위한) '시간' 혹은 '기간'으로, 운영체제가 어떠한 사용자로부터 자신의 자산 이용을 허락하는 일정한 기간을 뜻한다. 즉, 사용자는 일정 시간 동안 응용 프로그램, 자원 등을 사용할 수 있다.
TLS의 연결 과정과 Handshake
- 사용자가 TLS를 사용하는 웹사이트를 접속하면 클라이언트와 웹 서버간에 TLS Handshake가 시작되는데 먼저, 클라이언트는 서버의 인증서를 받아 서버의 무결성을 확인하고 신뢰할 수 있는 서버라면, 암호화 통신에 사용할 대칭키를 서버의 공개키로 암호화 하여 전달한다. 여기서 데이터를 주고 받기 전, 서버의 무결성을 확인하고 대칭키를 전달하는 과정이 TLS Handshake이다.
- 서버의 무결성, 신뢰할 수 있는 서버인지 판단하는 기준
  - 서버가 SSL 인증서(공개키와 서비스의 정보)를 제공하면 브라우저는 해당 인증서를 발급한 CA(Certificate Authorities)가 자신의 CA 리스트에 있는지 확인한다. 리스트에 존재한다면 CA의 공개키를 이용하여 인증서를 복호화하는데 이러한
TLS Handshake의 진행 과정
1) Client: Client Hello
- 클라이언트는 서버에 접속하여 클라이언트가 서버에게 ‘Client Hello’ 메시지를 전송한다.
- ‘Client Hello’ 패킷 내부에 들어있는 메시지 정보: TLS version, Cipher Suite List, Client Random Data, Session ID, SNI
  - TLS version: Client에서 사용하는 TLS version
  - Cipher Suite List: 사이퍼 스위트는 Client가 지원하는 암호화 방식들 집합서버와 클라이언트가 서로 지원하는 암호화 방식이 다를 수 있으니 Handshake를 통해 어떤 암호화 방식을 사용할 것인지를 정해야 한다.
  - Cipher Suite의 구성: 프로토콜, 키 교환 암호 알고리즘, 인증 알고리즘, 대칭 암호 알고리즘, 블록 암호 운용 방식, 해시 알고리즘으로 나열된 규약이다.
  - Client Random Data: 클라이언트에서 생성한 난수이다. 나중에 대칭키를 만들 때 사용한다.
  - Session ID: 매 연결 마다 handshake 과정을 수행하는 것이 비효율적이기에 최초 한 번의 full handshake 과정을 진행하고 이후에는 Session ID를 사용함으로써 같은 작업을 반복하지 않는다.
  - Session ID는 최초 handshake에서는 0이지만, handshake을 한 번 진행하면 서버로부터 Session ID를 받는다.
  - SNI(Server Name Indication): 서버명을 표시하는 부분
2) Server: Server Hello
- 클라이언트가 보낸 ‘Client Hello’에 대한 서버의 응답으로 ‘Server Hello’ 메시지를 전송한다.
- ‘Server Hello’ 패킷 내부에 들어있는 정보는 TLS version, Selected Suite, Server Random Data, Session ID, SNI
  - TLS version: 서버에서 사용하는 TLS version
  - Selected Suite: 클라이언트가 보낸 암호화 방식 중에 서버가 사용 가능한 암호화 방식을 선택하여 보낸다.
  - Server Random Data: 서버에서 생성한 난수로, 대칭키를 만들 때 사용한다.
  - Session ID: 클라이언트에서 보낸 Session ID 0이면 생성해서 보내고, 0이 아니면 해당 Session ID가 유효한지 확인 후 보낸다.
  - SNI(Server Name Indication): 서버에서는 SNI를 비우고 보낸다(empty).
3) Server: Server Certificate
- 서버의 인증서를 클라이언트에게 보내는 단계로, 필요에 따라 CA의 인증서도 함께 전송한다. 해당 메시지(패킷)을 통해 클라이언트는 서버의 인증서가 무결한지 검증한다.
- 무결성이 검증되면 이전에 주고 받았던 클라이언트의 난수(Client Random Data)와 서버의 난수(Server Random Data)를 조합하여 pre master secret이라는 대칭키를 생성한다.
- 해당 대칭키를 서버의 공개키로 암호화한다.
4) Server: Server Hello Done
- 서버가 클라이언트에게 보낼 메시지를 모두 보냈다는 의미로 전송하는 메시지이다.
5) Client: Client Key Exchange
- 클라이언트는 pre master secret(대칭키)를 서버의 공개키로 암호화한 것을 서버에게 전송한다.
6) Server & Client: Cipher Spec Exchange
- 이후로 전송되는 모든 패킷(메시지)은 선택된 알고리즘과 키를 이용하여 암호화 하겠다고 서로에게 공유하는 메시지.
7) Server & Client: Finished
- 서버와 클라이언트가 TLS Handshake를 성공적으로 마치고 종료한다.

4-1-2. 인증 메커니즘

인증 메커니즘은 CA(Certificate Authorities)에서 발급한 인증서를 기반으로 이루어진다.
CA에서 발급한 인증서는 안전한 연결을 시작하는 데 있어 필요한 공개키를 클라이언트에게 제공하고 사용자가 접속한 서버가 신뢰할 수 있는 서버임을 보장한다.
인증서는 서비스 정보, 공개키, 지문, 디지털 서명 등으로 이루어져 있다.
CA는 신뢰성이 엄격히 공인된 기업들만 참여할 수 있다. (Amazon, Comodo, GoDaddy, GlobalSign 등)
CA 발급 과정: 특정 서비스가 CA 인증서를 발급받으려면 해당 사이트의 정보와 공개키를 CA에 제출해야 한다. 이후 CA는 공개키를 해시한 값인 지문(finger print)을 사용하는 CA의 비밀키 등을 기반으로 CA 인증서를 발급한다.

4-1-3. 암호화 알고리즘(encryption algorithm)

키 교환 알고리즘으로는 ECDHE와 DHE가 있는데 둘 다 디피-헬만(Diffie-Hellman) 방식을 근간으로 만들어졌다.
- 대수곡선 기반의 ECDHE(Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephermeral)
- 모듈식 기반의 DHE(Diffie-Hellman Ephermeral)
디피-헬만 키 교환 암호화 알고리즘
- 암호키를 교환하는 하나의 방법으로, 서버와 클라이언트가 처음에 서로의 공개 값을 공유하고 각자의 비밀 값과 혼합한 후 혼합 값을 공유한다. 이후 각자의 비밀 값과 다시 혼합하여 공통의 암호키인 PSK(Pre-Shared Key)가 생성된다.
- 따라서 악의적인 공격자가 개인키 또는 공개키를 가져도 PSK가 없기에 키를 안전하게 지킬 수 있다.

4-1.4 해싱 알고리즘(hashing algorithm)

해싱 알고리즘은 데이터를 추정하기 힘든 더 작고 섞여 있는 조각으로 만드는 알고리즘이다. SSL/TLS는 해싱 알고리즘으로 SHA-256 알고리즘과 SHA-384 알고리즘을 쓰며, 그중 많이 쓰는 것은 SHA-256 알고리즘이다.
SHA-256 알고리즘
- SHA-256 알고리즘은 해시 함수의 결괏값이 256비트인 알고리즘으로 비트 코인을 비롯한 많은 블록체인 시스템에서도 쓰인다.
- 해싱을 해야 할 메시지에 1을 추가하는 등 전처리를 하고 전처리된 메시지를 기반으로 해시를 반환한다.
cf. 해시(Hash): 다양한 길이를 가진 데이터를 고정된 길이를 가진 데이터로 mapping한 값을 말한다.

4-2. SEO와 HTTPS

SEO(Search Engine Optimization, 검색 엔진 최적화)는 사용자들이 검색 엔진(구글, 네이버 등)으로 웹 사이트를 검색했을 때 그 결과를 페이지 상단에 노출시켜 많은 사람들이 볼 수 있도록 최적화하는 방법을 말한다.
Google은 SSL 인증서를 강조해왔고 사이트 내 모든 요소가 동일하다면 HTTPS 서비스를 하는 사이트가 그렇지 않은 사이트보다 SEO 순위가 높을 것이라고 공식적으로 밝혔다.
SEO 관리를 위한 방법: 캐노니컬 태그 설정, 메타 태그 설정, 정기적인 사이트맵(sitemap.xml) 관리, 페이지 속도 개선 등

4-2-1. 캐노니컬 태그(canonical tag) 설정

캐노니컬(canonical)의 사전적 의미는 ‘표준[기준]이 되는’으로, 캐노니컬 태그는 한 페이지를 가리키는 여러 개의 주소가 존재할 때, 검색 엔진의 로봇이 어떤 주소가 원본인지 알 수 있도록 하기 위해 사용하는 태그이다.

🔗 아래 URL들이 모두 동일한 콘텐츠를 가진 하나의 웹 페이지인 경우

https://www.ex.com/
https://m.ex.com/
https://ex.com/
https://www.ex.com/index.html
https://ex.com/index.html
캐노니컬 태그의 구현
- 캐노니컬은 HTML 문서 상에 명시하는 법과 HTTP 응답 헤더에 명시하는 방법 등이 있다.
- HTML 문서 상에 명시하는 방법
  - Link 태그에 rel 프로퍼티 값을 ‘canonical’로, 프로퍼티 값에 표준 URL을 명시하여 사용한다.
```
<link rel="canonical" href="https://www.ex.com/index.html" />
```
- HTTP 응답 헤더에 명시하는 방법
  - HTML이 아닌 PDF와 같은 파일 형식인 경우엔 HTTP 응답 헤더에 표준 URL과 rel 프로퍼티를 명시하여 문서의 표준 URL을 나타낼 수 있다.
```
Link: <https://www.ex.com/downloads/paper.pdf>; rel="canonical"
```

4-2-2. 메타 태그(meta tag) 설정

<meta> 태그는 웹 페이지에 대한 정보를 제공하는 기능을 하며, 해당 정보를 ‘메타 데이터’라고 부른다. 메타 데이터는 웹 페이지에 나타나지 않고, 검색엔진이나 웹 크롤러를 통해 수집된다.
검색엔진이 웹페이지를 읽어야할 때 메타 태그의 내용들이 해당 서비스에서 어떻게 표시될지를 결정하는 매우 핵심적인 요소이다.
HTML 문서의 맨 위쪽에 위치하는 태그로 HTML 페이지의 <head> 섹션에 추가한다.

4-3. HTTPS 구축 방법

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

5. HTTP/3

TCP 위에서 돌아가는 HTTP/2와는 달리 HTTP/3은 QUIC라는 계층 위에서 돌아가며, UDP 기반으로 돌아간다.
장점: HTTP/2에서 장점이었던 멀티플렉싱을 가지고 있으며, 초기 연결 설정 시 지연 시간 감소라는 장점이 있다.

5-1. 초기 연결 설정 시, 지연 시간 감소

QUIC는 TCP를 사용하지 않기 때문에 통신을 시작할 때 번거로운 3-way handshake 과정을 거치지 않아도 된다.
QUIC는 첫 연결 설정에 1-RTT(Round Trip Time, 왕복 시간)만 소요된다. 클라이언트가 서버에 어떤 신호를 한 번 주고, 서버도 거기에 응답하기만 하면 바로 본 통신을 시작할 수 있다.
QUIC는 순방향 오류 수정 메커니즘(FEC, Forward Error Correction, 정방향 오류 정정)이 적용되었다. FEC는 전송한 패킷이 손실되었다면 수신 측에서 에러를 검출하고 수정하는 방식이며, 열약한 네트워크 환경에서도 낮은 패킷 손실률을 자랑한다.

Reference.