HTTP/1.0
하나의 연결당 한개의 요청만 처리하도록 설계되었다. 서버로부터 파일을 가져올때마다 3-way handshake를 계속해서 열어야 했기 때문에 RTT가 증가하는 단점이 있다.
- RTT (Round Trip Time) : 네트워크 패킷이 송신 측에서 수신 측으로 전달되고, 다시 송신 측으로 돌아오기까지 걸리는 시간.
RTT 증가를 해결하기 위한 방법
1. 이미지 스플리팅
이미지를 여러개의 작은 조각들로 나누어 효율적으로 전송하는 방식이다. 필요한 부분만 전송하여 불필요한 RTT를 감소한다.
2. 코드 압축
코드를 압축해서 개행문자, 빈칸 등을 없애 코드의 크기를 최소화 하는 방식이다.
3. 이미지 Base 64 인코딩
이미지 파일을 64비트로 이루어진 문자열로 인코딩 하는 방식이다. 일반적으로 웹 페이지에서 이미지를 사용하려면 <img> 태그나 css 파일의 이미지 url을 참조해야한다. 이 방식은 브라우저가 html 파싱 후 별도의 요청을 통해 서버에서 이미지를 가지고 오는 것이다. 이미지 Base 64 인코딩을 사용하면 이미지를 외부 url에 직접 요청하지 않고, html 내부에 포함하는 것이다. 단점으로는 크기가 약 33% 커진다는 점이다.
HTTP/1.1
매번 TCP 연결을 하는 것이 아니라, TCP 초기화를 한 후 keep-alive 옵션으로 여러 개의 파일을 송수신할 수 있다. HTTP/1.0에서도 keep-alive가 있었지만 표준화가 되어있지 않고 HTTP/1.1표준화 되어 기본 옵션으로 설정되었다. 문서 안에 포함된 다수의 리소스(이미지, 동영상, css 파일, js 파일 등)를 처리하려면 요청할 리소스 개수에 비례해서 대기 시간이 길어지는 단점이 있다.
HTTP/1.1 단점
- HOL Blocking(Head Of Line Blocking)
- 네트워크에서 데이터 전송 시 앞선 데이터가 지연되면서 뒤따르는 데이터의 처리가 막혀 발생하는 성능 저하 현상.
- 무거운 헤더 구조
HOL Blocking 자세히 살펴보기
파이프라이닝이란, 요청에 대한 응답을 기다리지 않고도 단일 TCP 연결을 통해 여러 HTTP 요청을 보내는 것이다.
1. 파이프라이닝이 없는 경우
HTTP/1.1에서는 기본적으로 직렬 요청-응답 모델을 사용한다. 요청은 한 번에 하나씩 처리되고, 서버 응답이 완료될 때까지 다음 요청은 대기 상태애 놓여진다.
2. 파이프라이닝이 있는경우
파이프라이닝은 요청을 병렬로 보내더라도 응답 순서를 보장해야 하기 때문에, 앞선 요청이 지연되면 뒤따르는 요청도 차단된다.
HTTP/2
HTTP/1.X보다 지연 시간을 줄이고 응답 시간을 더 빠르게 할 수 있으며 멀티플렉싱, 헤더 압축, 서버 푸시, 요청의 우선순위 처리를 지원하는 프로토콜이다.
멀티플렉싱
멀티 플렉싱이란, 여러 개의 스트림을 사용하여 송수신하는 것이다.
HTTP/2.0은 기존에 text로 보내던 메시지를 binary화 하여 header frame, body frame이라는 데이터 단위를 만들었다. HTTP/2.0은 여러개의 스트림을 사용하여 데이터를 송수신하였는데, 스트림은 고유한 스트림 ID를 가진다. 그리고 각 frame을 구분하고자 Stream ID를 frame에 붙이게 된다. HTTP/2는 같은 스트림 ID를 공유하는 프레임들을 하나의 스트림으로 묶어 처리한다.
HTTP/2는 멀티플렉싱을 지원하면서, 여러 스트림의 header, data 프레임이 혼합되어 전송될 수 있다. 그러나, 스트림ID를 공유하는 각 스트림 내에서는 header frame, data frame의 순서를 유지해야한다. 그림처럼 요청3의 header frame이 요청 2의 header frame보다 먼저 오는 것은 가능하다. 각 스트림별로 header, data 순서만 지키면된다.
멀티플렉싱과 HOL Blocking
HTTP/2는 하나의 TCP 연결에서 여러 스트림을 동시에 처리하는 멀티플렉싱을 도입하여, HTTP/1.1에서 발생하던 HOL Blocking을 애플리케이션 계층에서는 해결할 수 있었다. HTTP/1.1은 요청에 대한 응답의 순서가 지켜져야 하는데, HTTP/2의 스트림은 독립적으로 작동하며 특정 스트림이 지연되더라도 다른 스트림이 영향을 받지 않는 구조이기 때문이다.
그러나, HTTP/2는 TCP를 기반으로 동작한다. 따라서, TCP에서 발생하는 HOL Blocking은 여전히 해결하지 못하는 한계가 있다.
TCP는 신뢰성을 보장하기 위해 데이터를 순서대로 전송해야 하며, 패킷 손실이 발생하면 해당 패킷을 재전송받기 전까지 다음 데이터를 처리하지 않는다. 따라서, 그 연결을 사용하는 모든 스트림이 영향을 받는다.
헤더 압축
HTTP/1.x에는 헤더의 크기가 큰 문제가 있었다. 이를 HTTP/2에서는 헤더 압축을 써서 해결하였다.
서버 푸시
HTTP/2는 클라이언트의 요청 없이 서버가 바로 리소스를 푸시할 수 있다. html에는 css나 js 파일이 포함되기 마련인데 html을 읽으면서 그 안에 들어 있는 파일들을 서버에서 푸시하여 클라이언트에게 먼저 줄 수 있다.
HTTP/3
TCP 위에서 돌아가는 HTTP/2와는 달리, HTTP/3는 QUIC(Quick UDP Internet Connections)이라는 계층 위에서 돌아가며 UDP 기반으로 돌아간다. HOL Blocking 문제를 해결하는데 중점을 두고 설계되었다.
HOL Blocking 문제 해결
UDP에 기반한 QUIC 프로토콜을 사용하게 되면서 각 스트림은 독립적이게 되었다. 따라서, 하나의 스트림에서 패킷 손실이 발생하더라도 다른 스트림에 영향을 주지 않는다. 패킷 손실은 해당 스트림에만 영향을 미치며 나머지 스트림은 중단 없이 계속 데이터를 전송할 수 있게 된다.
0-RTT Handshake
0-RTT(Zero Round-Trip Time) Handshake는 연결 과정에서 데이터 전송을 지연없이 즉시 시작할 수 있도록 설계된 기술이다. QUIC은 TCP를 사용하지 않기 때문에 통신을 시작할때 번거로운 3-way handshake가 불필요하다.
기존 TLS Handshake
1. TLS 1.2 및 TCP
초기 연결에는 3-way handshake와 TLS 설정이 필요하며, 데이터 전송 전에 여러 RTT가 소모된다.
2. TLS 1.3
Handshake가 간소화되었지만, 여전히 첫 연결 시 1-RTT가 필요하다.
QUIC와 0-RTT
0-RTT 기능은 이전 연결에서 얻은 정보를 재활용하여 핸드셰이크를 건너뛰도록 허용한다. QUIC은 UDP 기반으로 3-way handshake가 필요 없고, TLS 1.3과 통합되어 0-RTT가 더 효과적으로 구현된다. 이전 연결에서 세션 키 또는 PSK를 사용하여 즉시 데이터 전송을 시작할 수 있다.
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