1. 안정성을 위한 기술

웹 서비스를 개발했다고 가정해보자. 여러분의 목적은 최대한 많은 사용자를 모으는 것이고, 많은 사람을 끌어모았다.

• 그러다 이런 고민이 든다. : ‘사용자가 폭증하면 서버가 불안정해주고 부하가 가중된다고 들었는데, 괜찮은가?’
• 하지만 그러다고 사용자를 덜 받는 것은 적절한 해결책이 아니다.
• 즉, 안정성을 높여야 한다.
• 안전성을 수치로 표현하는 가용성이란 용어를 배우고,
  • 안정성을 높이기 위한 방법으로 물리적 장비나 프로그램 등을 여러 개 두는 기술인 이중화와 다중화,
  • 그리고 트래픽을 고르게 분산하는 기술인 로드 밸런싱에 대해 배운다.

1.1 가용성

‘네트워크가 안정적이다’, ‘서버가 불안정하다’와 같은 표현은 흔히 사용되는 표현이다. 여기서 ‘안전성’이란 용어란 무엇을 의미할까요?

• 안전성은 ‘특정 기능을 언제든 균일한 성능으로 수행할 수 있는 특성’으로 정의할 수 있다.
• e.g. 안정적인 웹 서버는 언제든지 응답 메시지를 제공할 수 있는 서버를 의미하며,
• e.g. 안정적인 라우터는 언제든지 라우팅 기능을 제공할 수 있는 라우터를 의미한다.

안정성을 수치화하기 위해, 안전성의 정도를 나타내는 가용성(availability), 고가용성(High Availability)라는 용어가 있다.

• 가용성은 ‘컴퓨터 시스템이 특정 기능을 실제로 수행할 수 있는 시간의 비율’을 의미한다.
  • 여기서 컴퓨터 시스템은 서버가 될 수도 있고, 네트워크가 될 수도 있으며, 프로그램이 될 수도 있다.
  • 다시 말해, 가용성은 ‘전체 사용 시간 중에서 정상적인 사용 시간’을 의미한다.
• 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
  • 가용성 = 업타임 / 업타임 + 다운타임
  • 정상적인 사용 시간을 업타입(uptime), 정상적인 사용이 불가능한 시간을 다운타임(downtime)으로 정의한다.

해당 수식의 결과값이 크다는 것은 전체 사용 시간 중에서 대부분을 사용가능하다는 말과도 같다.

• 이를 ‘가용성이 높다’라고 표현하며, 가용성이 높은 성질을 고가용성이라고 한다.
• 고가용성은 영어로 ‘High Availability’이고, 앞 글자를 따서 HA라고도 줄여 부른다.
• 고가용성을 유지하는 것은 모든 웹 서비스 업체들의 대단히 중요한 목표다.

그렇다면 이 수식을 백분율로 표기했을 떄, 안정적인 수준은 몇 퍼센트일까요?

• 일반적으로 ‘안정적’이라고 평가받는 시스템은 99.999% 이상을 목표로 한다.
• 99.999%라는 수치는 ‘9가 다섯 개’라는 의미에서 파이브 나인스라고도 한다.
• 이 수치를 달성하면 시스팀에 정상적으로 운영되지 않는 다운타임이 대략 1년에 5.26분, 1개월로 하면 26.3초가 된다.
• 다음은 퍼센트별 다운타임을 수치로 정리한 표다.

가용성을 높이려면 다운타임을 낮춰야 한다. 그렇다면 다운타임은 어떻게 낮출 수 있을까?

• 서비스가 다운되는 원인은 다양하다.
• 과도한 트래픽으로 인해 서비스가 다운될 수 있고, 예기치 못한 소프트웨어상의 오류,
  • 하드웨어 장애가 원인일 수도 있으며, 때로는 보안 공격이나 자연재해로 인해 서비스가 다운될 수도 있다.
• 따라서 다운타임의 발생 원인을 모두 찾아 원천적으로 차단하기는 현실적으로 어렵다.

핵심은 문제가 발생하지 않도록 하는 것이 아니라, 문제가 발생하더라도 계속 가능할 수 있도록 설계하는 것이다.

• 문제가 발생하더라도 기능할 수 있는 능력을 결함 감내(fault tolerance)라 부른다.
• 즉, 다운타임을 낮추고 가용성을 높이기 위해서는 결함을 감내할 수 있도록 서비스나 인프라를 설계하는 것이 중요하다.

1.2 이중화

이중화란 말 그대로 ‘무언가를 이중으로 두는 기술’이다.

• 이는 결함을 감내하여 가용성을 높이기 위한 가장 기본적이고 대표적인 방법으로,
• 쉽게 말해, ‘예비(백업)를 마련하는 방법’이다.
• 그렇다면 무엇을 이중으로 준비할 수 있을까?

이중화할 수 있는 대상은 다양하다. 표현의 편의를 위해 ‘시스템을 이중화한다’ 또는 ‘장비를 이중화한다’고 표현하겠지만,

• 서버 컴퓨터, 네트워크 인터페이스(NIC), 스위치와 같은 물리적 장비뿐만 아니라,
  • 데이터베이스, 웹 서버 프로그램 등도 이중화할 수 있는 대상이다.
• 그리고 이중화할 수 있는 대상들은 대부분 ‘문제가 발생할 경우 시스템 전체가 중단될 수 있는 대상’이란 공통점이 있다.

방금 필자가 ‘문제가 발생할 경우, 시스템 전체가 중단될 수 있는 대상’이라는 표현을 썻죠?

• 이를 가리키는 용어가 단일 장애점(SPoF; Single Point Of Failure)이다.
• e.g. 위 그림에서 SPOF는 라우터다.
  • 라우터가 고장나면 서버로부터 제공받는 서비스 전체가 동작하지 않으니까요.
  • 짐작할 수 있듯, SPOF는 최대한 없애는 것이 좋다.
  • 즉, 가용성을 높이기 위해서는 SPOF를 이중화하는 것이 좋다.

이중화 구성에는 크게 액티브/스탠바이(active-standby)와 액티브/액티브(active-active) 2가지 방식이 있다.

• 액티브/스탠바이는 한 시스템은 가동하고, 다른 시스템은 백업 용도로 대기 상태(스탠바이)로 두는 이중화 구성 방식
  • 액티브는 가동 상태를 의미
  • 스탠바이는 액티브의 백업으로서 대기하는 상태를 의미
• 액티브/액티브는 두 시스템 모두를 가동 상태로 두는 구성 방식

액티브/스탠바이로 구성하면,

• 액티브 상태인 시스템에 문제가 발생할 경우, 스탠바이 시스템이 자동으로 액티브 시스템을 대신하여 동작한다.
• 이는 안전한 구성 방식이지만, 하나의 장비를 사용할 떄에 비해 성능 상의 큰 변화를 기대하기는 어렵다.
• 두 장비가 동시에 가동되지 않고, 한 번에 하나만 가동되기 떄문이다.

💡 cf. 액티브 시스템에 문제가 생겼을 경우, 예비된 스탠바이 시스템으로 자동 전환되는 기능을 페일오버(failover)라고 한다.

액티브/액티브로 구성하면,

• 부하를 분산시킬 수 있고, 두 시스템이 함께 가동되므로 성능상의 이점도 있다.
• 다만 한 시스템에 문제가 발생하면,
  • 순간적으로 다른 시스템에 부하가 급증할 수 있으며, 이로 인해 추가적인 문제가 발생할 수 있다.
• 이중화 기술은 더욱 확장될 수 있는데, 이중화를 ‘무언가를 이중으로 두는 기술’이라 설명했듯,
  • 더 일반적인 개념으로 ‘무언가를 여러 개 두는 기술’이 다중화라고 한다.
• 위 그림처럼 3개 이상의 장비를 구성하면,
  • 즉 다중화하면 당연히 이중화된 구성에 비해 더욱 안정적인 운영이 가능하다.

이중화/다중화의 사례로 티밍(teaming)과 본딩(bonding)이 있다.

• 전자는 주로 윈도우, 후자는 주로 리눅스에서 사용되는 용어다.
• 이 두 기술은 여러 개의 네트워크 인터페이스(NIC)를 이중화/다중화하여,
  • 마치 더 뛰어나고 안정적인 성능을 보유한 하나의 인터페이스처럼 보이게 하는 기술이다.
• 위 화면은 1Gbps 속도를 지원하는 인터페이스 3개를 티밍하는 모습을 나타낸 화면이다.
  • 티밍 시에 액티브/액티브로 구성할지, 액티브/스탠바이로 구성할지 선택할 수 있다.
• 모든 인터페이스를 액티브 상태로 구성할 경우,
  • 마치 하나의 3Gbps 인터페이스를 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1.3 로드 밸런싱

고가용성을 요구하는 호스트는 클라이언트보다는 일반적으로 서버다.

• 그러나 서버의 입장에서 가용성을 보면, 서버를 다중화했더라도 아직 해결해야 할 문제가 남아있다.
  • 바로 트래픽 분배다.
  • 트래픽은 서버의 가용성에 큰 영향을 끼치는 요소다.
• 트래픽(traffic)의 정의는 ‘주어진 시점에 네트워크를 경유한 데이터의 양’이지만,
  • 일반적인 트래픽 측정은 노드에서 이루어지므로 일반적으로 표현하면,
  • ‘주어진 시점에 특정 노드를 경유한 패킷의 양’을 트래픽이라고 볼 수 있다.

서버는 과도한 트래픽이 몰리면 온갖 문제가 발생할 수 있다.

• 높은 부하로 인해 CPU는 발열이 심해지고, 메모리 공간은 수많은 트래픽 내용을 저장하기에 부족해질 수 있다.
• 제한된 대역폭과 병목 현상으로 인해 응답이 느려지거나 일부 요청에 대한 응답이 누락될 수도 있으며,
  • 프로그램의 일관성이 손상될 수도 있다.
  • 요컨대 과도한 트래픽은 서버의 가용성을 떨어뜨린다.
• 이는 서버를 다중화해도 마찬가지다.
  • 특정 서버에만 트래픽이 몰릴 경우 가용성이 떨어질 수 있다.
  • 따라서 서버를 다중화했더라도, 트래픽을 고르게 분산해야 가용성이 높아진다.

트래픽의 고른 분배를 위해 사용되는 기술이 로드 밸런싱(load balancing)이다.

• 로드 밸런싱은 부하를 의미하는 단어인 로드(load)와 균형 유지를 나타내는 단어인 밸런싱(balancing)의 합성어다.
• 로드 밸런싱은 로드 밸런서(load balancer)에 의해 수행된다.
• 로드 밸런서는 ‘L4 스위치’, ‘L7. 스위치’라 불리는 네트워크 장비로도 수행할 수 있지만,
  • 로드 밸런싱 기능을 제공하는 소프트웨어를 설치하면, 일반 호스트도 로드 밸런서도 사용할 수 있다.
• 대표적인 소프트웨어로 HAProxy, Envoy 등이 있다.
• 대표적인 웹 서버 소프트웨어인 Nginx에도 로드 밸런싱 기능이 내포되어 있다.

로드 밸런서는 일반적으로 위 그림처럼 이중화나 다중화된 서버와 클라이언트 사이에 위치한다.

• 클라이언트들은 로드 밸런서에 요청을 보내고, 로드 밸런서는 해당 요청을 각 서버에 균등하게 분배한다.

💡 L4 스위치는 주로 IP 주소와 포트 번호와 같은 전송 계층까지의 정보를 바탕으로 로드 밸런싱을 수행한다.

• 반면, L7 스위치는 URI, HTTP 메시지 일부, 쿠키 등 응용 계층의 정보까지 활용해 로드 밸런싱을 수행할 수 있다.

💡 서버의 상태를 검사하는 헬스 체크

다중화된 서버 환경에서 어떤 서버에 문제가 생긴다면, 다른 서버들이 이를 빠르게 감지할 수 있어야 한다.

• 그래서 다중화된 서버 환경에서는 현재 문제가 있는 서버는 없는지,
  • 현재 요청에 대해 올바른 응답을 할 수 있는 상태인지를 주기적으로 검사하는 경우가 많다.
  • 이러한 검사를 헬스 체크(health check)라고 한다.
  • 서버들의 건강 상태를 주기적으로 모니터링하고 체크하는 것이죠.
• 헬스 체크는 위 그림과 같이 주로 로드 밸런서에 의해 이루어지는 경우가 많으며,
  • HTTP, ICMP 등 다양한 프로토콜을 활용할 수 있다.
• cf. 로드 밸런서가 주도하는 헬스 체크 외에도
  • 서버 간에 하트비트(heartbeat)라는 메시지를 주기적으로 주고받는 방법도 있다.
  • 서버끼리 주기적으로 하트비트 메시지를 주고받다가, 신호가 끊겼을 떄 문제 발생을 감지하는 방법이다.

로드 밸런서가 요청을 전달할 수 있는 서버가 여러 개가 있을 경우, 어떤 서버에 요청을 전달해야 할까요?

• 어떤 서버를 선택해야 부하가 고르게 분배될까요?
• 부하가 균등하게 분산되도록 부하 대상을 선택하는 방법을 로드 밸런싱 알고리즘이라 부른다.

로드 밸런싱 알고리즘의 종류는 다양하며 로드 밸런서마다 이해하는 알고리즘에는 차이가 있을 수 있다.

• 대표 알고리즘은 위 그림처럼 단순히 서버를 돌아가며 부하를 전달하는 라운드 로빈(round robin) 알고리즘이 있고,
• 연결이 적은 서버부터 우선적으로 부하를 전달하는 최소 연결(least connection) 알고리즘이 있다.
• 때로는 단순히 무작위로 고르기도 하고,
  • 해시(hash)라는 자료구조를 이용하기도 하고, 응답 시간이 가장 짧은 서버를 선택하기도 한다.

라운드 로빈 알고리즘이나 최소 연결 알고리즘에서는 서버마다 가중치를 부여할 수 있다.

• 이는 알고리즘에 따라 동작하되, 가중치가 높은 서버가 더 많이 선택되어 더 많은 부하를 받도록 하는 것이다.
• 이렇게 가중치가 부여된 알고리즘은 각각 가중치 라운드 로빈(weight round robin) 알고리즘과
  • 가중치 최소 연결(weight least connection) 알고리즘이다.
• 위 그림은 가중치 라운드 로빈 알고리즘의 예시다.
  • 서버 1에는 가중치가 5, 서버 2에는 가중치가 1로 부여되어 있다.
  • 서버 1, 2에 클라이언트 1~6의 요청 부하를 분산할 경우,
    • 서버를 돌아가며 선택하되 서버1에 5배 많은 부하를 전달한다.
  • 서버 간 성능이 다른 경우에는 주로 이렇게 가중치가 적용된 알고리즘이 사용된다.

1.4 포워드 프록시와 리버스 프록시

처음 네트워크를 학습할 떄는 단순화를 위해 클라이언트와 서버가 나란히 붙어 있는 것처럼 서술하는 경우가 많지만,

• 실제로는 클라이언트와 서버 사이에는 수많은 서버들이 존재할 수 있다.
• 이떄 클라이언트가 최종적으로 메시지를 주고받는 대상(서버),
  • 다시 말해, 자원을 생성하고 클라이언트에게 권한있는 응답을 보낼 수 있는 HTTP 서버를 오리진 서버(origin server)라고 한다.
• 즉, 클라이언트와 오리진 서버 사이에는 많은 중간 서버가 있을 수 있다.
• 클라이언트와 중간 서버, 그리고 다중화된 오리진 서버는 위 그림과 같이 표현할 수 있다.

💡 이때, 인바운드(inbound) 메시지는 오리진 서버를 향하는 메시지를 의미하고, 아웃바운드(outbound) 메시지는 클라이언트를 향하는 메시지를 의미한다.

대표적인 HTTP 중간 서버의 유형으로 프록시와 게이트웨이가 있다.

• 프록시는 포워드 프록시, 게이트웨이를 리버스 프록시라고도 부른다.
• cf. 프록시는 게이트웨이와 다른 개념이지만 혼용되어 사용되거나 모호하게 정의되는 경우가 많다.

명확한 정의를 위해 인터넷 표준 문서 정의를 알아보면,

💡 RFC 9110

• A “proxy” is a message-forwarding agent that is chosen by the clinet, …
  • 프록시(proxy)는 클라이언트가 선택한 메시지 전달 대리자이다.
• 핵심은 색칠된 부분으로, 어떤 프록시를 언제 어떻게 사용할 지는 클라이언트가 선택한다.
• 따라서 일반적으로 프록시는 위 그림과 같은 구성하에 오리진 서버보다 클라이언트와 더 가까이에 위치해 있다.
  • 프록시는 주로 캐시 저장, 클라이언트 암호화 및 접근 제한 등의 기능을 제공한다.

게이트웨이는 일반적으로 ‘네트워크 간의 통신을 가능케 하는 입구 역할을 하는 하드웨어 혹은 소프트웨어’를 의미한다.

• 하지만 ‘HTTP 중간 서버’라는 맥락에서 게이트웨이는 다음과 같이 정의된다.

💡 게이트웨이

• A “gateway” (a.k.a “reverse proxy”) is an intermediary that acts as an origin server for the outbound connection but translates received requests and forwards them inbound to another server or servers.
  • 게이트웨이(gateway, 리버스 프록시)는 아웃바운드 연결에 대해 오리진 서버 역할을 하지만,
  • 수신된 요청을 변환하여 다른 인바운드 서버(들)로 전달하는 중개자 역할을 한다.
• 이번에도 색칠된 부분을 보면, 게이트웨이는 네트워크 외부에서 보면 오리진 서버와 같이 보인다.
  • 하지만 게이트웨이에 요청을 보내면, 오리진 서버에게 요청을 전달하게 된다.
  • 따라서 일반적으로 게이트웨이는 위 그림과 같은 구성 하에 오리진 서버(들)에 더 가까이 위치한다.
  • 게이트웨이도 캐시를 저장할 수 있고, 로드 밸런서도 동작할 수 있다.

다중화된 오리진 서버들의 네트워크를 ‘오리진 서버들이 사는 대저택’에 비유한다면,

• 프록시는 클라이언트들을 대신해 대저택에 심부름을 가는 심부름꾼,
• 게이트웨이는 대저택을 지키는 경비에 비유하 수 있다.

2. 안전성을 위한 기술

멀리 떨어진 컴퓨터와 통신할 떄 평문으로 메시지를 주고받아도 괜찮을까요?

• 민감한 정보를 주고받을 떄는 그래서는 안된다.
• 제 3자가 여러분이 주고받는 메시지를 훔쳐보거나 메시지를 가로채 변조할 수 있기 때문이다.
• 그래서 암호화가 필요하다.

암호화(encryption)는 원문 데이터를 알아볼 수 없는 형태로 변경하는 것을 의미한다.

• 반대로 복호화란 암호화된 데이터를 원문 데이터로 되돌리는 과정을 말한다.
• 암호화와 복호화는 비단 안전한 데이터 송수신뿐만 아니라 인증서 기반의 검증도 가능하게 한다.

2.1 암호와 인증서

먼저 암호화와 복호화의 핵심은 키(key)다.

• 소중히 보호해야 하는 물건을 자물쇠로 잠가 놓는 것처럼,
• 컴퓨터 세상에도 소중히 보호해야 할 데이터를 키(key)로 암호화할 수 있다.

2.1.1 대칭 키 암호화 방식과 공개 키 암호화 방식

키(key)는 자물쇠의 영문 표현이지만, 컴퓨터 보안에서 사용되는 키는 언뜻 보면, 무작위해보이는 문자열처럼 생겼다.

• 키와 원문 데이터에 수학적 연산 과정을 거치면 암호문이 생성된다.
  • 이 수학적 연산 과정을 암호화 알고리즘이라 부른다.
• 그리고 암호문을 수신자 측에서 복호화하면, 원문 메시지를 얻을 수 있다.
• 당연하게도 복호화하지 않은 암호문은 제 3자가 몰래 본다 해도 그 의미를 알 수 없다.

주고받는 데이터를 암호화하고 복호화하는 방법에는 대칭 키 암호화와 비대칭 키 암호화라는 2가지 방식이 있다.

cf. 비대칭 키 암호화는 공개 키 암호화라고도 부른다.

먼저 대칭 키 암호화(symmetric key cryptography) 방식을 살펴보면,

• 대칭 키 암호화 방식에서는 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용한다.
• 다시 말해, 메시지를 암호화할 떄 사용하는 키와 복호화할 떄 사용하는 키가 동일하다.
• 위 그림은 A와 B가 대칭 키 암호로 메시지를 주고받는 과정을 나타낸 그림이다.
• 데칼코마니처럼 두 호스트가 메시지를 같은 키로 암호화 및 복호화를 수행하고 있죠?
  • 그래서 대칭 키라는 이름이 붙은 것이다.

하지만 대칭 키 암호화 방식에는 한 가지 문제가 있다.

• 바로 상대방에게 안전하게 키를 전달하기가 어렵다는 점이다.
• 대칭 키 암호화 방식은 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용하므로 키가 유출되면 큰 문제가 발생한다.
• 지금까지의 암호화 통신이 모두 무용지물이 될 수도 있다.
• 그렇기에 상대방에게 키를 안전하게 전달하는 방법이 필요하다.

애초에 암호화를 사용하는 목적 자체가 ‘제 3자의 도청과 변조를 피해 상대방에게 안전하게 정보를 전달하는 것’이다.

• 만약 상대방에게 키를 안전하게 전달할 수 있는 방법이 있다면,
• 그 방법으로 메시지를 주고받으면 됐지, 굳이 암호화할 필요가 없을 것이다.

그래서 등장한 것이 공개 키 암호화(public key cryptograhpy) 방식이다.

• 비대칭 키 암호화(asymmetric key cryptography)라고도 부른다.
• 암호화와 복호화에 단일한 키를 사용했던 대칭 키 암호와는 달리,
  • 공개 키 암호 방식에서는 암호화를 위한 키와 복호화를 위한 키가 다르다.
• 한 키로 암호화했다면, 다른 키로 복호화할 수 있다.
  • 이 한 쌍의 키를 공개 키(public key)와 개인 키(private key)라 부른다.
  • 그래서 비대칭 키 암호화라는 이름이 붙었다.
• cf. 한 키로 암호화하고 다른 키로 복호화가 가능하다 해도, 한 키로 다른 키를 유추할 수 없다.
  • 다시 말해, 공개 키만으로는 개인 키를 유추할 수 없고, 반대로 개인 키만으로 공개 키를 유추할 수도 없다.

공개 키로 암호화하고 개인 키로 복호화할 수 있다면, 공개 키는 이름처럼 누구에게나 공개해도 무방하다.

• 암호화만을 위해 사용되었기 때문에, 공개 키를 안다고 해서 원문 메시지를 유추할 수 있는 것은 아니다.
• 반면에, 개인 키 만큼은 절대로 유출되지 않도록 보안을 유지해야겠죠.

e.g. A가 B에게 ‘안녕, 나는 A야’라는 문자열을 안전하게 전송하려고 한다면, 위와 같은 과정을 거친다.

• 일단 A가 B의 공개 키를 요청하고, B는 A에게 공개 키를 전달한다.
• 앞서 설명했듯, 공개 키는 누구에게나 공개해도 무방하므로, 그냥 전송해도 된다.

A는 전달받은 B의 공개 키로 메시지를 암호화한 뒤, 그 암호문을 B에게 전송한다.

• 암호문이기에 제 3자가 메시지를 봐도 이를 이해할 수 없다.
• 반면, B는 개인 키가 있으므로sda 암호를 복호화해서 ‘안녕, 나는 A야’라는 문자열을 확인할 수 있다.

반대로, B가 A에게 메시지를 안전하게 보내고 싶을 떄는 동일한 과정을 거친다.

• A는 자신의 공개 키를 B에게 전달하고, B는 A의 공개 키로 메시지를 암호화한 뒤 A에게 전송한다.
• A는 개인 키로 암호를 복호화해서 B가 보낸 메시지를 확인한다.

대칭 키 암호화 방식과 공개 키 암호화 방식은 각각 장단점이 있다.

• 대칭 키 암호화는 키를 안전하게 전송하기 어렵지만, 적은 부하 덕분에 암호화 및 복호화를 빠르게 수행할수 있다.
• 공개 키 암호화는 암호화 및 복호화에 시간과 부하가 상대적으로 많이 들지만, 키를 안전하게 공유할 수 있다.

이런 장단점을 고려해 대칭 키 암호화 방식과 공개 키 암호화 방식을 함께 사용하는 경우가 많다.

• e.g. 대칭 키(세션 키)를 상대에게 안전하게 전달하기 위해 공개 키로 대칭 키(세션 키)를 암호화하고,
  • 개인 키로 암호화된 대칭 키(세션 키)를 복호화할수 있다.
• 이렇게 하면 대칭 키를 안전하게 공유하면서, 공유한 대칭 키를 이용해 빠르게 암호화/복호화를 수행할 수 있다.
  • cf. 이런 방식으로 활용하는 대칭 키를 세션 키(session key)라고 부른다.

2.1.2 인증서와 디지털 서명

인증서(certificate)는 네트워크뿐만 아니라 일상 생활에서도 자주 사용되는 용어다. 말 그대로 무엇인가를 증명하기 위한 문서를 의미한다.

네트워크(인터넷)에서 사용되는 ‘인증서’라는 용어는 일반적으로 공개 키 인증서를 말한다.

• 공개키 인증서(public key certificate)란 공개 키와 공개 키의 유효성을 입증하기 위한 전자 문서다.
• e.g. 여러분이 컴퓨터와 웹 서버가 공개 키 암호화 방식으로 통신한다고 가정하면,
  • 여러분의 컴퓨터는 웹 서버로부터 공개 키를 전달받게 된다.
• 이떄 여러분이 전달받은 공개 키가 절말 신뢰할 수 있는지, 전송 도중에 조작되지 않았는지 확신할수 있을까요?
  • 단순히 공개 키 하나만 전달받는다면 확신할 수 없다.
• 그래서 웹 서버는 공개 키뿐만 아니라 누가 생성했는지, 조작되지는 않았는지,
  • 유효 기간은 언제까지인지 등의 내용을 포함한 인증서를 전송한다.
• 외울 필요는 없지만, ‘공개 키가 포함되어 있다’는 점은 기억해두세요.

이러한 인증서는 인증 기관(CA; Certification Authority)이라는 제 3의 기관에서 발급한다.

• 인증 기관은 인증서의 발급, 검증, 저장과 같은 역할을 수행할 수 있는 공인 기관이다.
  • 일반적으로는 CA라고 줄여서 부른다.
• 전 세계적으로 다양한 CA들이 존재하며, 대표적으로 IdenTrust, DigiCert, GlobalSign 등이 있다.

CA가 발급한 인증서에는 ‘이 공개 키 인증서는 진짜야, 내가 보증할게’라는 내용을 담은 서명값(signature)이 있다.

• 클라이언트는 이 서명값을 바탕으로 인증서를 검증할 수 있다.

서명값은 (1) 인증서 내용에 대한 해시 값을 (2) CA의 개인 키로 암호화하는 방식으로 만들어 진다.

• CA는 이렇게 얻어낸 정보를 서명값으로 삼아 클라이언트에게 인증서와 함께 전송한다.
• cf. (1)의 결과인 ‘인증서 내용에 대한 해시 값’을 지문(fingerpoint)이라 한다.

💡 해시 값

앞의 (1)번에서 해시 값이라는 새로운 용어가 등장했죠? 해시 값은 해시 함수를 적용시킨 결과값을 의미한다.

• 그리고 해시 함수란 ‘임의의 길이의 데이터를 고정된 길이의 데이터로 변환해주는 함수’를 의미한다.
• 이 함수를 적용시키면 일정한 길이의 데이터가 생성되는 것이죠.
• 대표적인 해시 함수로 MD5, SHA-1, SHA-2(SHA-256, SHA-384, SHA-512) 등이 있다.

해시 함수는 입력 데이터가 조금 달라져도 완전히 다른 결과가 나온다는 특징이 있다.

• e.g. ‘he’라는 단어에 대해 특정 해시 함수를 적용시킨 해시 값은
  • 30F088EA6673877C2E2C1EDBE7513FF90EDA9A6F다.
  • 그런데 여기서 단 한글자만 바꾼 ‘hi’의 해시 값은
  • C22B5F91783426009428D6F51B2C5AF4C9BDE6A42다.
  • 완전히 다른 값이 되버리죠.
• 해시 함수와 그에 따른 해시 값은 입력값의 변화에 매우 민감하므로, 주로 데이터 변조 여부를 검사하는데 사용된다.

어떤 데이터를 송신할 떄, ‘보내고자 하는 데이터’와 더불어 ‘그 데이터에 대해 특정 해시 함수를 적용시킨 해시 값’을 같이 전송한다고 가정해보면,

• 수신자가 전달받은 데이터에 대한 해시 값을 직접 계산한 뒤,
• 계산 결과를 전달받은 해시 값과 비교했을 떄,
• 같은 값이 도출된다면, 데이터 전송 도중 변조되거나 소실되지 않았다고 판단할 수 있다.

여러분이 위 그림처럼 웹 브라우저를 통해 서버로부터 서명 값이 붙은 인증서를 전달받았다고 가정해보면,

• 인증서 검증을 위해 가장 먼저 할 일은 서명값과 인증서를 분리하는 것이다. (그림 속 1번)
  • 서명 값은 ‘인증서 내용에 대한 해시 값’을 CA의 개인 키로 암호화한 것이었죠.
• CA의 공개 키는 공개되어 있기에, 서명 값은 CA의 공개 키로 복호화할 수 있다.
  • 서명 값은 CA의 공개 키로 복호화하면, ‘인증서 내용에 대한 해시 값’을 얻을 수 있겠죠? (그림 속 2번)
• 다음으로 인증서 데이터에 대한 해시 값을 직접 구한 뒤(그림 속 3번), 이를 복호화한 값과 비교한다. (그림 속 4번)

만일 값이 일치한다면, 전달받은 인증서는 확실히 CA의 개인 키로 만들어졌다고 보장할 수 있습니다.

• CA의 공개 키로 복호화가 가능하다는 뜻이니까요.
• 따라서 인증서에 포함된 공개 키를 안심하고, 사용할 수 있습니다.
• 개인 키로 암호화된 메시지를 공개 키로 복호화함으로써,
  • 신원을 증명하는 이런 절차를 디지털 서명(digital signature)이라 부른다.

2.2 HTTPS: SSL과 TLS

지금까지 대칭 키 암호화와 공개 키 암호화 방식, 그리고 공개 키 인증서를 학습했다.

• 이를 기반으로 동작하는 프로토콜로 SSL(Secure Sockets Layer), TLS(Transport Layer Security)가 있다.
• SSL과 TLS는 인증과 암호화를 수행하는 프로토콜이며, TLS는 SSL을 계승한 프로토콜이다.
• 초기 SSL 2.0과 SSL 3.0을 거쳐 TLS 1.0, TLS 1.1, TLS 1.2, TLS 1.3이 순차적으로 출시되었다.
  • cf. SSL 1.0은 출시되지 않았다.
• 따라서 SSL과 TLS의 작동 과정은 사용되는 암호 알고리즘과 버전에 따라 세부적인 차이가 있을 수 있으나,
  • 큰 틀에서 보면 유사하다.

SSL/TLS를 사용하는 대표적인 프로토콜은 HTTPS(HTTP over TLS)이다.

• HTTPS는 HTTP 메시지의 안전한 송수신을 위해 개발된 프로토콜이다.
• 웹 브라우저를사용해 웹 서핑을 하다보면, 위 그림에 있는 것처럼 도메인 네임 좌측의 자물쇠 모양을 볼 수 있다.
• 이는 해당 사이트가 HTTPS를 사용한다는 의미로,
  • ‘해당 웹 사이트와 여러분의 브라우저 간에 SSL/TLS 기반 암호화 통신이 이뤄진다’는 점을 시사한다.

오늘날 주로 사용되는 TLS 1.3을 기반으로 HTTPS가 어떻게 동작하는지 간략하게 알아봅시다. HTTPS 메시지는 크게 다음과 같은 3단계를 거쳐 송수신된다.

1. TCP 3-way-handshake
2. TLS handshake
3. 암호화된 메시지 송수신

첫 번째 단계는 4장에서 학습했다. TCP 연결을 수립하기 위해 두 호스트가 각각 SYN, SYN+ACK, ACK 플래그가 설정된 TCP 세그먼트를 주고받는 것이 3-way-handshake이다.

두 번쨰 단계는 TLS handshake로 위 그림은 TLS 1.3 handshake 과정의 주요 메시지를 나타낸다.

• 클라이언트가 처음으로 서버에게 요청을 보내고, 인증서를 응답받는 상황을 가정합니다.
• TLS는 암호학에 대한 기반 지식을 요하기 때문에, 처음부터 모든 메시지와 의미를 외울 필요는 없다.
• TLS handshake의 핵심은 2가지다.
  • 하나는 암호화 통신을 위한 키를 교환한다는 점이고,
  • 또 하나는 인증서 송수신과 검증이 이루어진다는 점이다.

굵은 글자로 표기한 메시지를 위주로 보면, 가장 먼저 클라이언트는 ClientHello 메시지를 보낸다.

• 이 메시지는 암호화된 통신을 위해 서로 맞춰 봐야 할 정보들을 제시하는 메시지다.
  • 지원되는 TLS 버전, 사용 가능한 암호화 방식과 해시 함수,
  • 키를 만들기 위해 사용할 클라이언트의 난수 등이 포함되어 있다.
• 이떄, ‘사용 가능한 암호화 방식과 해시 함수’를 담은 정보를 암호 스위트(cipher suite)라고 한다.
• 위 쪽 그림과 같이 생긴 정보다.

서버는 ClientHello 메시지에 대한 응답으로 ServerHello 메시지를 전송한다.

• ClientHello 메시지가 암호화 이전에 맞춰 봐야할 정보들을 제시하는 메시지라면,
  • ServerHello 메시지는 제시된 정보들을 선택하는 메시지다.
• 따라서 이 메시지에는 선택된 TLS 버전, 암호 스위트 등의 정보, 키를 만들기 위해 사용할 서버의 난수 등이 포함되어 있다.
• ClientHello 메시지와 ServerHello 메시지를 주고받으면,
  • 암호화된 통신을 위해 사전협의해야 할 정보들이 결정된다.
• 이렇게 결정된 정보를 토대로 서버와 클라이언트는 암호화에 사용할 키를 만들어낼 수 있다.
  • 이것이 TLS 핸드셰이크에서의 키 교환이다.
• 이 단계 이후부터 클라이언트와 서버는 키로 암호화된 암호문을 주고받을 수 있게 된다.

또 서버는 Certificate 메시지와 CertificateVerify 메시지를 전송한다.

• 이는 각각 인증서와 검증을 위한 디지털 서명을 의미한다.
• 클라이언트는 이 메시지를 토대로 서버의 공개 키를 검증하게 된다.
• 이어서 서버와 클라이언트는 TLS 핸드셰이크의 마지막을 의미하는 Finished 메시지를 주고 받는다.

이제 TLS 핸드셰이크를 통해 얻어낸 키를 기반으로 암호화된 데이터를 주고받으면 된다. cf. 위 그림처럼 TLS 1.3에서는 Finished 메시지와 함께 암호화된 메시지(Application Data)를 전송할 수 있다.

3. 무선 네트워크

카페에 가서 주변을 둘러보면, 많은 사람이 노트북이나 스마트폰으로 인터넷을 사용하고 있지만,

• 카페의 공유기나 라우터에 직접 유선으로 연결된 기기는 없다.
• 모든 사람이 무선 네트워크를 이용하고 있다는 증거죠.

이처럼 많은 사람들이 유선 연결 네트워크보다는 무선 연결 네트워크에 더 익숙할 것이다.

• 유선 네트워크와 관련된 연결 매체와 표준, 네트워크 장비가 있듯이,
• 무선 네트워크에도 전파라는 연결 매채, 802.11이라는 표준, 그에 기반한 Wi-Fi라는 기술, AP라는 장비가 있다.

3.1 전파와 주파수

무선 네트워크를 이해하기 위해서는 먼저 무선 통신의 기반이 되는 전파(radio wave)를 간략하게나마 이해해야 한다.

• 전파는 약 3kHz부터 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파이다.
• 쉽게 말해, ‘눈에 보이지 않는 전자기파의 일종’정도로 정의할 수 있다.

TV, 라디오, 무전기, 노트북, 스마트폰처럼 수많은 무선 통신 기기가 전파를 이용해 통신한다.

• 이러한 기기들이 주고받는 정보들은 눈에 보이지 않는 전파의 형태를 띠고 있고,
  • 지금 이 순간에도 우리 주변 공간에 흐르고 있다고 볼 수 있다.
• 무선 통신 기기가 사용하는 전파는 대부분 인위적으로 생성되고 관측되지만,
  • 사실 전파는 자연적으로도 생성되고 관측된다.
• 번개에서도 전파가 생성되고, 태양에서도 전파가 발생하며, 우주에서도 전파가 존재한다.

많은 기기가 전파를 통해 통신한다면, 서로 다른 전파 신호가 같은 공간에 혼재할 수도 있겠죠?

• 이런 상황을 위해 서로 다른 전파 신호를 구분할 수 있는 방법이 필요하다.
• 그래서 통신에서 사용되는 전파에는 ‘주파수 대역’이 미리 정해져 있다.

어떤 주파수 대역을 어떤 용도로 사용할지는 나라마다 다르다.

• 2020년을 기준으로 대한민국에서는 주파수 대역을 위 사진과 같이 분배된다. (암기할 필요는 없다.)
• 방송용 주파수, 위성 통신용 주파수, 항공/해양 통신을 위한 주파수 등으로 나누어져 있는 것을 알 수 있다.
• cf. https://ballpen.blog/wp-content/uploads/2021/08/frequency_tbl_01.pdf
• cf. 전파누리

전파는 자연적으로도 발생할 수 있다.

• 번개, 태양의 활동 등으로 인해 발생한 전파의 주파수가 우연히 할당된 주파수 대역과 겹친다면,
  • 통신 중 잡음이 발생할 수 있다.
• 번개가 심하게 치는 날에 라디오를 들을 떄,
  • ‘지직’ 소리와 함께 음질이 떨어지는 일이 빈번하게 발생하는 것은 이러한 이유 때문이다.

3.2 와이파이와 802.11

이제 무선 통신 네트워크에서 사용되는 주파수를 알아보면,

• 2장에서 ‘오늘날 LAN 환경에서의 유선 통신은 IEEE 802.3으로 표준화되어 있다’고 했던 것을 기억하나요?
• IEEE 802.3의 다양한 표준들은 802.3u 혹은 802.3ab처럼,
  • 숫자 802.3 뒤에 버전을 나타내는 알파벳으로 표현한다고 했다.
• 이와 유사하게 오늘날 LAN 환경에서의 무선 통신은 IEEE 802.11로 표준화되어 있고,
  • 802.11b, 802.11g처럼 숫자 802.11 뒤의 알파벳으로 다양한 규격을 표현한다.

그리고 IEEE 802.11 표준은 대부분 2.4GHz, 5GHz 대역을 사용한다.

• 무선 네트워크를 사용하기 위해 와이파이를 선택할 떄,
  • 2.4G(2.4GHz), 5G(5GHz)라는 글귀가 자주 보이는 것은 이러한 이유 때문이다.

IEEE 802.3 버전에 따라 지원되는 네트워크 장비의 종류와 속도 등이 달라질 수 있는 것처럼,

• 무선 통신 규격인 IEEE 802.11 버전에 따라 사용되는 주파수 뿐만 아니라,
  • 전송 속도, 대역폭, 전송 가능한 거리, 변조 방식 등 많은 것이 달리진다.
• 다음 표를 참고해보면, IEEE 802.11 규격에 따른 주파수 대역과 최대 전송 속도다.

💡 변조(modulation)란 정보를 원하는 형태의 신호로 변환하는 것을 의미한다. 반대로 복조(demodulation)는 변조된 신호를 원래의 정보로 다시 변환하는 것을 의미한다.

무선 통신 기술을 설명할 떄, 와이파이를 빼놓을 수는 없겠죠.

• 와이파이(Wi-Fi)라는 용어는 ‘IEEE 802.11 표준을 따르는 무선 LAN 기술’을 가리키는 말로도 많이 사용되지만,
  • 본래는 와이파이 얼라이선스(Wi-Fi Alliance)라는 비영리 단체의 트레이드마크(브랜드) 이름이다.
• 와이파이는 다음 표처럼 ‘와이파이 4’, ‘와이파이 5’ 등으로 구분할 수 있는 세대가 있고,
  • 각 세대는 각기 다른 IEEE 802.11 표준 규격을 준수한다.

이러한 이유로 와이파이는 일종의 인증 마크 역할을 한다.

• 특정 제품에 특정 와이파이 인증 마크가 붙어 있을 경우,
  • 해당 제품이 특정 IEEE 802.11 규격을 지켰음을 알 수 있고, 다른 제품과의 호환성도 알 수 있기 때문이다.
• 그래서 무선 LAN 제품을 개발한 회사에서는
  • 위 그림과 같이 인증 시험을 거쳐 Wi-Fi 인증과 인증 로고 사용 권한을 얻게 된다.

윈도우 노트북을 사용하는 독자들은 현재 사용 중인 무선 네트워크의 속성을 자세히 확인해보면,

• 위 화면처럼 와이파이 버전과 802.11 표준을 확인할 수 있다.

💡 2.4GHz 와이파이 vs 5GHz 와이파이, 무엇이 더 좋은가?

오늘날 대부분 IEEE 802.11 표준은 2.4GHz, 5GHz 대역을 사용한다고 했다.

• 그렇다면 2.4GHz 대역 와이파이와 5GHz 대역 와이파이 중에서 무엇이 더 좋을까요?
• 언뜻 보면 5GHz가 무조건적으로 좋아 보일 수 있지만, 사실 답은 ‘상황에 따라 다르다’이다.

5GHz 와이파이는

• 2.4GHz 와이파이에 비해 일반적으로 송수신 속도가 빠르지만,
• 2.4GHz 와이파이에 비해 장애물의 영향을 크게 받는다는 단점이 있다.

반대로 2.4GHz 와이파이는

• 5GHz 와이파이에 비해 일반적인 송수신 속도는 느리지만, 장애물의 영향을 덜 받는다.

왜 그럴까? 주파수에 따른 회절성때문이다.

• 회절성이란 파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 떄, 파동이 그 뒤편까지 전파되는 현상을 의미한다.
• 2.4GHz 와이파이처럼 상대적으로 낮은 주파수는 회절성이 좋지만,
  • 5GHz 와이파이처럼 주파수가 상대적으로 높으면 회절성이 저하된다. (위 그림처럼 말이죠.)
• 이는 비단 전파 뿐만 아니라 소리, 빛과 같은 다른 파동에서도 마찬가지다.

따라서 와이파이 공유기와 여러분의 기기 사이에 벽과 장애물이 많으면,

• 5GHz 와이파이 신호는 금방 약해지는 것을 확인할 수 있다.
• 와이파이 목록들만 봐도 유독 5GHz 와이파이 신호의 약화가 두드러지게 나타난다.
  • 반면, 2.4GHz 와이파이는 비교적 일정한 성능으로 이용할 수 있다.
• 결론적으로 장애물이 많다면, 2.4 GHz 와이파이를 이용하는 것이 좋고,
  • 장애물이 적은 상황에서 속도가 필요하다면 5GHz 와이파이가 좋다.

같은 주파수 대역(2.4GHz 혹은 5GHz)을 사용하는 네트워크라 할지라도 별개의 무선 네트워크들이 존재할 수 있다.

• e.g. 2.4GHz 대역에서 통신하는 여러 독립적인 무선 네트워크들이 있을 수 있고,
  • 5GHz 대역에도 여러 독립적인 무선 네트워크들이 존재할 수 있다.
• 이러한 경우, 같은 대역을 사용할지라도 별개의 무선 네트워크는 서로의 신호에 간섭하지 말아야겠죠?

그래서 2.4GHz, 5GHz 주파수 대역은 채널(channel)이라 불리는 하위 주파수 대역으로 또 한 번 세분화되고,

• 해당 채널 대역에서 통신이 이루어진다. 통신 주파수 대역을 채널로 간주하는 것이죠.
• 채널에는 번호가 할당되어 있다.
• 위 그림에는 각각 2.4GHz, 5GHz 대역의 일부 채널들을 표현한 그림이다.
  • 각 포물선은 주파수 대역에 따른 채널을 나타내며, 포물선 상단에 표시된 번호는 채널 번호다.
• 동일한 2.4GHz 혹은 5GHz 대역의 네트워크를 이용할지라도,
  • 세부적인 주파수는 채널에 따라 달라진다는 점을 알 수 있다.

채널은 일반적으로 자동으로 설정되지만, 수동으로 설정할 수도 있다.

• 그러나 같은 공간에서 같은 대역의 서로 다른 네트워크를 구성하거나 이용할 떄는 가급적 간섭을 일으키지 않는 채널을 이용하는 것이 좋다.
• e.g. 위 그림에서 1, 6, 11번 채널은 주파수가 서로 중첩되지 않다.
  • 간섭이 많은 채널이 설정된 경우, 이는 성능 저하의 주 원인이 될 수 있다.
• e.g. 같은 공간에서 위 그림의 1, 2, 3번 채널을 이용하면,
  • 신호가 중첩될 여지가 많아 간섭이 자줄 발생하고, 원활한 통신이 어려워질 수 있다.

3.3 AP와 서비스 셋

이제 무선 네트워크 관련 네트워크 장비를 알아보자면,

• 무선 네트워크를 생성하기 위해서는 무선 네트워크 포인트(이하 AP)라는 네트워크 장비가 필요하다.
• AP(Access Point)는 무선 통신 기기들을 연결하여 무선 네트워크를 구성하는 장치다.
• 가정에 무선 공유기가 있다면, 그것이 AP 역할을 수행하는 장치라 볼 수 있다.
  • 일반적으로 AP에는 유선 연결 매체를 연결할 수 있는 지점이 함께 제공되어,
  • 유선 네트워크와 무선 네트워크의 연결을 담당하는 역할도 수행할 수 있다.

무선 LAN의 기기들은 AP를 경유해 인터넷에 접속하거나 서로 메시지를 주고받을 수 있다.

• 달리 말해, AP는 무선 LAN에서 통신을 중개하는 역할을 한다.
• 이렇게 AP를 경유하여 통신이 이루어지는 무선 네트워크 통신 방식을 인프라스트럭처 모드(infrastructure mode)라고 한다.
• 오늘날 많은 무선 LAN이 API가 중개하는 인프라스트럭처 모드로 동작한다.

💡 AP의 간섭없이 호스트 간에 일대일로 통신하는 무선 통신 모드를 애드 혹 모드(Ad Hoc mode)라 한다.

위 그림을 보면, AP를 중심으로 연결된 여러 장치가 무선 네트워크를 형성한다는 것을 볼 수 있다.

• 이처럼 무선 네트워크를 이루는 AP와 여러 장치들의 집합을 서비스 셋(Service Set)이라 부른다.
• 같은 서비스 셋에 속한 장치들은 같은 무선 네트워크에 속한다고 볼 수 있다.

이떄, 각기 다른 서비스 셋을 구분할 수 있는 수단이 필요하다.

• 그래서 서비스 셋을 식별하기 위해 서비스 셋 식별자(SSID; Service Set Identifier)를 사용한다.
• SSID는 무선 네트워크를 구분짓는 수단이자 무선 네트워크를 지칭하는 고유한 이름이다.

💡BSS와 ESS는 무엇인가?

인프라스트럭처 모드로 구성된 무선 LAN은 하나의 AP만으로 구성될 수도 있고, 여러 AP로도 구성될 수 있다.

• 하나의 AP로 구성된 무선 LAN을 BSS(Basic Service Set),
  • 여러 AP로 구성된 무선 LAN을 ESS(Extended Service Set)라 한다.
• 여기서 언급하는 서비스 셋, 무선 LAN, 무선 네트워크라는 용어는 기본적으로 BSS를 기준으로 한다.

사실 우리는 SSID라는 용어를 직접적으로 사용하지 않더라도, 이미 일상에서 다양한 SSID들을 접하고 있다.

• 일반적으로 특정 무선 네트워크에 접속하려면 무엇을 먼저 확인하나요?
  • 와이파이 이름(들)을 확인하죠? 와이파이 이름이 바로 SSID입니다.
• 현재 사용 중인 무선 네트워크의 속성을 확인해보면, SSID에 와이파이 이름이 명시된 것을 확인할 수 있다.

AP는 외부에 자신의 존재를 지속해서 알려야 한다.

• AP가 자신의 존재를 알리지 않는다면, 호스트는 연결 가능한 무선 네트워크가 존재한다는 사실조차 알 수 없죠.
• 따라서 AP는 불특정 다수 모두에게 자신을 알리는 브로드캐스트 메시지를 주기적으로 전송한다.
  • 이 브로드캐스트 메시지를 비턴 프레임(beacon frame)이라 한다.
• 비컨 프레임 안에는 SSID와 AP의 MAC 주소 등이 포함되어 있다.
• 여러분의 장치에 와이파이를 연결하고자 할 떄,
  • 연결 가능한 와이파이 목록이 뜨는 것은 여러분의 장치가 AP로부터 비컨 프레임을 받았기 떄문이다.