[CS 전공지식 노트] HTTP

 

'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 읽고 개인적으로 정리한 글입니다.

 

 

2.5.1 HTTP/1.0

 

 

 

 

HTTP/1.0은 기본적으로 한 연결당 하나의 요청만 처리하도록 설계되었음

 

=> 이는 RTT 증가를 불러옴

 

RTT는 패킷이 목적지에 도달하고 나서 다시 출발지로 돌아오기까지 걸리는 시간이며 패킷 왕복 시간임

 

 

RTT의 증가를 해결하기 위한 방법

 

매번 연결할 때마다 RTT가 증가하니 서버에 부담이 많이 가고 사용자 응답 시간이 길어졌음

 

=> 이를 해결하기 위해 이미지 스플리팅, 코드 압축, 이미지 Base64 인코딩 사용

 

이미지 스플리팅

 

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

 

 

코드 압축

 

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

 

이미지 Base64 인코딩

 

이미지 파일을 64진법으로 이루어진 문자열로 인코딩하는 방법임

 

=> 이 방법을 사용하면 서버와의 연결을 열고 이미지에 대해 서버에 HTTP 요청을 할 필요 없다는 장점이 있음

 

(Base64 문자열로 변환할 경우 37% 정도 크기가 더 커지는 단점이 있음)

 

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

 

2.5.2 HTTP/1.1

 

 

HTTP/1.0 처럼 매번 TCP 연결을 하는 것이 아니라 한 번 TCP 초기화를 한 이후에 keep-alive 라는 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있게 바뀌었음

 

그림처럼 한 번 TCP 3-way handshake가 발생하면 그 다음부터 발생하지 않는 것을 볼 수 있음

 

=> 하지만 문서 안에 포함된 다수의 리소스(이미지, 동영상, css 파일, js 파일 등)를 처리하려면 요청할 리소스 개수에 비례해서 대기 시간이 길어지는 단점이 있음

 

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 말함

 

=> image.jpg가 느리게 받아진다면 그 뒤에 있는 것들이 대기하게 되며 다운로드가 지연되는 상태가됨

 

무거운 헤더 구조

 

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

 

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 프로토콜임

 

멀티플렉싱

 

하나의 연결 내 여러 스트림을 캡처한 모습

 

 

멀티플렉싱이란 여러 개의 스트림을 사용하여 송수신한다는 것임

 

=> 이를 통해 특정 스트림의 패킷이 손실되었다고 하더라도 해당 스트림에만 영향을 미치고 나머지 스트림은 멀쩡하게 동작할 수 있음

 

스트림(stream) : 시간이 지남에 따라 사용할 수 있게 되는 일련의 데이터 요소를 가리키는 데이터 흐름

 

 

그림을 살펴보면 병렬적인 스트림들을 통해 데이터를 서빙하고 있음

=> 스트림 내의 데이터들도 쪼개져 있는걸 알 수 있음

 

 

 

애플리케이션에서 받아온 메세지를 독립된 프레임으로 조각내어 서로 송수신한 이후 다시 조립하여 데이터를 주고 받음

 

=> 이를 통해 단일 연결을 사용하여 병렬로 여러 요청을 받을 수 있고 응답을 줄 수 있음

 

(이렇게 되면 HTTP/1.x에서 발생하는 문제인 HOL Blocking을 해결할 수 있음)

 

 

헤더 압축

 

 

 

 

HTTP/1.x 에는 크기가 큰 헤더라는 문제가 있었음

 

=> 이를 HTTP/2 에서는 헤더 압축을 써서 해결하는데, 허프만 코딩 압축 알고리즘을 사용하는 HPACK 압축 형식을 가짐

 

 

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 원리임

 

 

서버 푸시

 

 

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

 

=> html에는 css나 js 파일이 포함되기 마련인데 html을 읽으면서 그 안에 들어 있던 css 파일을 서버에서 푸시하여 클라이언트에 먼저 줄 수 있음

 

2.5.4 HTTPS

 

HTTP/2는 HTTPS 위에서 동작함

 

=> HTTPS는 애플리케이션 계층과 전송 계층 사이에 신뢰 계층인 SSL/TLS 계층을 넣은 신뢰할 수 있는 HTTP 요청을 말함

 

(이를 통해 통신을 암호화함)

 

SSL/TLS

 

SSL(Secure Socket Layer)은 SSL 1.0부터 시작해서 SSL 2.0, SSL3.0, TLS(Transport Layer Security Protocol) 1.0, TLS 1.3까지 버전이 올라가며 마지막으로 TLS로 명칭이 변경되었으나 보통 이를 합쳐 SSL/TLS로 많이 부름

 

=> SSL/TLS는 전송 계층에서 보안을 제공하는 프로토콜로 클라이언트와 서버가 통신할 때 SSL/TLS를 통해 제 3자가 메시지를 도청하거나 변조하지 못하도록함

 

 

 

위 그림처럼 SSL/TLS를 통해 공격자가 서버인 척하며 사용자 정보를 가로채는 네트워크상의 인터셉터를 방지할 수 있음

 

=> SSL/TLS는 보안 세션을 기반으로 데이터를 암호화하며 보안 세션이 만들어질 때 인증 메커니즘, 키 교환 암호화 알고리즘, 해싱 알고리즘들이 사용됨

 

보안 세션

 

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

 

세션 : 운영체제가 어떠한 사용자로부터 자신의 자산 이용을 허락하는 일정한 기간을 뜻함

=> 사용자는 일정 시간 동안 응용 프로그램, 자원 등을 사용할 수 있음

 

 

TLS의 핸드셰이크

 

클라이언트와 서버가 키를 공유하고 이를 기반으로 인증, 인증 확인 등의 작업이 일어나는 단 한 번의 1-RTT가 생긴 후 데이터를 송수신하는 것을 볼 수 있음

 

참고로 TLS 1.3은 사용자가 이전에 방문한 사이트로 다시 방문한다면 SSL/TLS에서 보안 세션을 만들 때 걸리는 통신을 하지 않아도됨 

=> 이를 0-RTT라고함

 

 

클라이언트에서 사이퍼 슈트(cypher suites)를 서버에 전달하면 서버는 받은 사이퍼 슈트의 암호화 알고리즘 리스트를 제공할 수 있는지 확인함

 

=> 제공할 수 있다면 서버에서 클라이언트로 인증서를 보내는 인증 메커니즘이 시작되고 이후 해싱 알고리즘 등으로 암호화된 데이터의 송수신이 시작됨

 

사이퍼 슈트

 

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

 

예를 들어 TLS_AES_128_GCM_SHA256가 있고 여기에는 3가지 규약이 들어 있는데 

 

TLS는 프로토콜, AES_128_GCM은 사이퍼 모드, SHA256은 해싱 알고리즘을 뜻함

 

AEAD 사이퍼 모드

 

AEAD(Authenticated Encryption with Associated Data)는 데이터 암호화 알고리즘이며 AES_128_GCM 등이 있음

 

=> AES_128_GCM이라는건 128비트의 키를 사용하는 표준 블록 암호화 기술과 병렬 계산에 용이한 암호화 알고리즘 GCM이 결합된 알고리즘을 뜻함

 

인증 메커니즘

 

인증 메커니즘은 CA(Certificate Authorities)에서 발급한 인증서를 기반으로 이루어짐

 

=> CA에서 발급한 인증서는 안전한 연결을 시작하는 데 있어 필요한 '공개키'를 클라이언트에 제공하고 사용자가 접속한 '서버가 신뢰'할 수 있는 서버임을 보장함

 

(인증서는 서비스 정보, 공개키, 지문, 디지털 서명 등으로 이루어져 있음)

 

CA 발급 과정

 

 

자신의 서비스가 CA 인증서를 발급받으려면 자신의 사이트 정보와 공개키를 CA에 제출해야함

 

=> CA는 공개키를 해시한 값인 지문(finger print)을 사용하는 CA의 비밀키 등을 기반으로 CA 인증서를 발급함

 

암호화 알고리즘

 

키 교환 암호화 알고리즘으로는 대수곡선 기반의 ECDHE(Elliptic Curve Diffie-Hellman Ephermeral) 또는 모듈식 기반의 DHE(Diffie-Hellman Ephermeral)를 사용함

=> 둘다 디피-헬만(Diffie-Hellman key exchange) 방식을 근간으로 만들어짐

 

 

• 디피-헬만 키 교환 암호화 알고리즘

 

 

 

디피-헬만 키 교환(Diffie-Hellman key exchange) 암호화 알고리즘은 암호키를 교환하는 하나의 방법임

 

=> 위 식에서 g와 x와 p를 안다면 y는 구하기 쉽지만 g와 y와 p만 안다면 x를 구하기는 어렵다는 원리에 기반한 알고리즘임

 

위 그림처럼 처음에 공개 값을 공유하고 각자의 비밀 값과 혼합한 후 혼합 값을 공유함

 

=> 그 다음 각자의 비밀 값과 또 혼합하면 공통의 암호키인 PSK(Pre-Shared Key)가 생성됨

 

이런식으로 클라이언트와 서버 모두 개인키와 공개키를 생성하고, 서로에게 공개키를 보내고 공개키와 개인키를 결합하여 PSK가 생성된다면, 악의적인 공격자가 개인키 또는 공개키를 가지고도 PSK가 없기 때문에 아무것도 할 수 없음

=> 이를 통해 키를 암호화할 수 있는 것임

 

해싱 알고리즘

 

해싱 알고리즘은 데이터를 추정하기 힘든 더 작고, 섞여 있는 조각으로 만드는 알고리즘임

 

=> SSL/TLS는 해싱 알고리즘으로 SHA-256 알고리즘과 SHA-384 알고리즘을 쓰며, 그중 많이 쓰는건 SHA-256 알고리즘

 

• SHA-256 알고리즘

 

 

SHA-256 알고리즘은 해시 함수의 결괏값이 256비트인 알고리즘이며 비트 코인을 비롯한 많은 블록체인 시스템에서도 사용함

 

=>해싱을 해야 할 메시지에 1을 추가하는 등 전처리를 하고 전처리된 메시지를 기반으로 해시를 반환함

 

해시 : 다양한 길이를 가진 데이터를 고정된 길이를 가진 데이터로 매핑(mapping)한 값

해싱 : 임의의 데이터를 해시로 바꿔주는 일이며 해시 함수가 이를 담당

해시 함수 : 임의의 데이터를 입력으로 받아 일정한 길이의 데이터로 바꿔주는 함수

 

 

HTTPS 구축 방법

 

HTTPS 구축 방법은 크게 3가지임

 

• CA에서 구매한 인증키를 기반으로 HTTPS 서비스를 구축
  
  
• 서버 앞단의 HTTPS를 제공하는 로드밸런서를 구축
  
  
• 서버 앞단에 HTTPS를 제공하는 CDN을 둬서 구축

 

2.5.5 HTTP/3

 

HTTP/3은 HTTP/1.1 및 HTTP/2와 함께 World Wide Web에서 정보를 교화하는 데 사용되는 HTTP의 3번째 버전임

 

 

TCP 위에서 돌아가는 HTTP/2와는 달리 HTTP/3은 QUIC라는 계층 위에서 돌아가며, TCP 기반이 아닌 UDP 기반으로 돌아감

 

=> HTTP/2에서 장점이었던 멀티플렉싱을 가지고 있으며 초기 연결 설정 시 지연 시간 감소라는 장점이 있음

 

초기 연결 설정 시 지연 시간 감소

 

 

RTT의 감소

 

QUIC은 TCP를 사용하지 않기 때문에 통신을 시작할 때 번거로운 3-way handshake 과정을 거치지 않아도됨

 

=> QUIC은 첫 연결 설정에 1-RTT만 소요됨 

(클라이언트가 서버에 어떤 신호를 한 번 주고, 서버도 거기에 응답하기만 하면 바로 본 통신을 시작할 수 있음)

 

QUIC은 순방향 오류 수정 메커니즘(FEC, Forword Error Correction)이 적용되었음

=> 전송한 패킷이 손실되었다면 수신 측에서 에러를 검출하고 수정하는 방식이며 열악한 네트워크 환경에서도 낮은 패킷 손실률을 자랑함