웹 소켓(WebSocket)

oyeon·2021년 9월 5일
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웹 소켓이란?

  • 웹 소켓이란 두 프로그램 간의 메시지를 교환하기 위한 통신 방법 중 하나이다.
  • W3C와 IETF에 의해 자리잡은 표준 프로토콜 중 하나
    - W3C : www(world wide web)을 위한 표준을 개발하고 장려하는 조직
    - IETF : 인터넷의 운영, 관리, 개발에 대해 협의하고 프로토콜과 구조적인 사안들을 분석하는 인터넷 표준화 작업 기구
  • 현재 인터넷 환경(HTML5)에서 많이 사용된다.
  • 웹 소켓을 지원하는 브라우저의 경우 웹 소켓 프로토콜을 지원한다.
    - 구글 크롬, 마이크로소프트 에지, 인터넷 익스플로러, 파이어폭스, 사파리, 오페라 등 대부분의 브라우저가 이 프로토콜을 지원

웹 소켓의 특징

1. 양방향 통신(Full-Duplex)

  • 데이터 송수신을 동시에 처리할 수 있는 통신 방법
  • 클라이언트와 서버가 서로에게 원할 때 데이터를 주고 받을 수 있다.
  • 통상적인 HTTP 통신은 Client가 요청을 보내는 경우에만 Server가 응답하는 단방향 통신

2. 실시간 네트워킹(Real Time-Networking)

  • 웹 환경에서 연속된 데이터를 빠르게 노출
  • Ex) 채팅, 주식, 비디오 데이터
  • 여러 단말기에 빠르게 데이터를 교환

웹 소켓 이전의 실시간 통신

1. Polling

  • 서버로 일정 주기 요청 송신
  • real-time 통신에서는 언제 통신이 발생할지 예측이 불가능하기 때문에 불필요하더라도 일정주기로 request와 connection을 생성
  • Real Time 통신이라고 부르기 애매할 정도의 실시간성

2. Long polling

  • 서버에 요청을 보내고 이벤트가 생겨 응답을 받을 때까지 연결 종료 X
  • 응답을 받으면 끊고 재요청
  • But, 많은 양의 메세지가 쏟아질 경우 polling과 같다.

3. Streaming

  • 서버에 요청을 보내고 끊기지 않은 연결상태에서 끊임없이 데이터를 수신
  • 클라이언트에서 서버로의 데이터 송신이 어렵다.

결과적으로 이 모든 방법이 HTTP를 통해 통신하기 때문에 Request, Response 둘 다 Header가 불필요하게 큼

웹 소켓 동작 방법

1. 핸드 쉐이킹

1) 클라이언트 요청

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13
Origin: http://example.com

GET /chat HTTP/1.1

  • 반드시 GET 메서드를 사용
  • 연결 수립 과정은 HTTP 프로토콜 사용
  • HTTP 버전은 1.1 이상

Host: server.example.com

  • 웹소켓 서버의 주소

Upgrade: websocket

  • 현재 클라이언트, 서버, 전송 프로토콜 연결에서 다른 프로토콜로 업그레이드 또는 변경하기 위한 규칙
  • 따라서, Upgrade: websocket의 경우 websocket 프로토콜로 변경하겠다는 의미

Connection: Upgrade

  • Upgrade 헤더 필드가 명시되었을 경우, 송신자는 반드시 Upgrade 옵션을 지정한 Connection 헤더 필드로 전송

Sec-WebSocket-Key: x3JJHMbDL1EzLkh9GBhXDw==

  • 길이가 16바이트인 임의로 선택된 숫자를 base64로 인코딩한 값
  • Clinet와 Server간의 신원을 인증

Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat

  • 클라이언트가 요청하는 여러 서브 프로토콜을 의미
  • 공백문자로 구분되며 순서에 따라 우선권이 부여
  • 서버에서 여러 프로토콜 혹은 프로토콜 버전을 나눠서 서비스할 경우 필요한 정보

Origin: http://example.com

  • 클라이언트의 주소
  • 클라이언트로 웹 브라우저를 사용하는 경우 필수항목

2) 서버 응답

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

  • 101 Switching Protocols가 Response로 오면 웹소켓이 연결

Sec-WebSocket-Accept: HSmrc0sMlYUkAGmm5OPpG2HaGWk=

  • 클라이언트로부터 받은 Sec-WebSocket-Key를 사용하여 계산된 값
  • 이 값이 클라이언트에서 계산한 값과 일치하지 않으면 연결 수립 X

2. 데이터 전송

  • 프로토콜이 ws로 변경
  • wss(443) : 데이터 보안을 위해서 SSL을 적용한 프로토콜
  • Message : 여러 frame이 모여서 구성하는 하나의 메시지 단위
  • frame : communication에서 가장 작은 단위의 데이터, 작은 헤더 + payload로 구성
    - cf) payload : 전송되는 데이터 자체를 의미한다.(헤더, 메타데이터, 에러 체크 비트 등을 제외한 부분)
  • 웹소켓 통신에 사용되는 데이터는 UTF-8 인코딩
    Ex) 0x00 (보내고 싶은 데이터) 0xff

frame 헤더 구조

END : 이 프레임이 전체 메시지의 끝인지 나타내는 플래그
RSV : 프로토콜별로 사용할 수도 있고, 아닐 수도 있다.
Opcode

  • Continue (0x0) : 전체 메시지의 일부임을 의미
  • Text (0x1) : 포함된 데이터가 UTF8 텍스트라는 의미
  • Binary (0x2) : 포함된 데이터가 이진 데이터라는 의미
  • Close (0x8) : Close 핸드쉐이크를 시작한다는 의미

Length : 이 프레임에 포함된 데이터의 총 길이를 나타내는 단위

간단 정리

웹 소켓 프로토콜의 특징

  • 최초 접속에서만 http 프로토콜 위에서 handshaking을 하기 때문에 http header를 사용한다.
  • 웹 소켓을 위한 별도의 포트는 없으며, 기존 포트(http-80, https-443)을 사용
  • 프레임으로 구성된 메시지라는 논리적 단위로 송수신
  • 메시지에 포함될 수 있는 교환 가능한 메시지는 텍스트와 바이너리 뿐이다.

웹 소켓 한계

HTML5 이전의 기술로 구현된 서비스에서는?

Socket.io, SockJS

  • HTML5 이전의 기술로 구현된 서비스에서 웹 소켓처럼 사용할 수 있도록 도와주는 기술
  • Javascript를 이용하여 브라우저 종류에 상관없이 실시간 웹을 구현
  • WebSocket, FlashSocket, AJAX Long Polling, AJAX Multi part Streaming, IFrame, JSONP Polling을 하나의 API로 추상화
  • 즉, 브라우저와 웹 서버의 종류와 버전을 파악하여 가장 적합한 기술을 선택하여 사용하는 방식

형식이 정해지지 않아 생기는 문제

  • WebSocket은 문자열들을 주고 받을 수 있게 해줄 뿐 그 이상의 일을 하지 않는다.
  • 주고 받는 문자열의 해독은 온전히 어플리케이션에 맡긴다.
  • HTTP의 경우 형식을 정해주었기 때문에 모두가 약속을 따르기만 하면 해석할 수 있다.
  • But, WebSocket은 형식이 정해져 있지 않기 때문에 어플리케이션에서 쉽게 해석하기 힘들다.
  • 따라서, WebSocket을 사용할 때 sub-protocols을 사용해서 주고 받는 메시지의 형태를 약속하는 경우가 많다.
    Ex) STOMP

STOMP(Simple Text Oriented Message Protocol)

  • 채팅 통신을 하기위한 형식을 정의
  • HTTP와 유사하게 간단히 정의되어 해석하기 편한 프로토콜
  • 일반적으로 웹 소켓 위에서 사용

STOMP 프레임 구조

  • 프레임 기반의 프로토콜이다. 프레임은 명령, 헤더, 바디로 구성된다.
  • 자주 사용되는 명령은 CONNECT, SEND, SUBSCRIBE, DISCONNECT 등이 있다.
  • 헤더와 바디는 빈 라인으로 구분하며, 바디의 끝은 NULL 문자로 설정한다.

reference
https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9B%B9%EC%86%8C%EC%BC%93
https://d2.naver.com/helloworld/1336
https://www.youtube.com/watch?v=MPQHvwPxDUw
https://wondongho.tistory.com/69
https://skout90.github.io/2017/08/15/Web/%EC%86%8C%EC%BC%93%EC%9D%B4%EB%9E%80/
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=scw0531&logNo=221097188275

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