[CS] 혼공네트 Chapter 7. 네트워크 심화

07-1 안정성을 위한 기술

안정성을 수치로 표현하는 가용성의 개념과 안정성을 높이기 위한 방법으로 물리적 장비나 프로그램 등을
여러 개 두는 기술인 이중화와 다중화, 그리고 트래픽을 고르게 분산하는 기술인 로드 밸런싱에 대해 알아본다.

 

가용성

• 안정성은 '특정 기능을 언제든 균일한 성능으로 수행할 수 있는 특성'으로 정의.
• 안정성의 정도를 나타내는 용어로 가용성(availability), 고가용성(High Availability)가 있다.
• 가용성이란 '컴퓨터 시스템이 특정 기능을 실제로 수행 할 수 있는 시간의 비율'을 의미.
  • 업타입: 정상적인 사용 시간
  • 다운타임: 정상적인 사용이 불가능한 시간
  • 가용성 = 업타임 / (업타임 + 다운타임)
• 수식의 결과값이 클수록 가용성이 높으며, 가용성이 높은 성질을 고가용성(HA)이라고 한다.
• 고가용성을 유지하는 것이 모든 웹 서비스 업체들의 중요한 목표.
• 일반적으로 안정적이라고 평가받는 시스템은 99.999% 이상을 목표로 한다.

퍼센트별 다운타임

• 다운타임을 낮추기 위한 핵심은 문제가 발생하지 않도록 하는 것이 아니라, 문제가 발생하더라도 계속 기능(결함 감내)할 수 있도록 설계하는 것.

 

이중화

• 결함을 감내하여 가용성을 높이기 위한 가장 기본적이고 대표적인 방법으로, 예비(백업)를 마련하는 방법.
• 이중화할 수 있는 대상은 대부분 '문제가 발생할 경우 시스템 전체가 중단될 수 있는 대상'(SPOF: 단일 장애점)이라는 공통점이 있다.
• 이중화 구성 두 가지 방식
  • 액티브/스탠바이 - 한 시스템은 가동하고, 다른 시스템은 백업 용도로 대기 상태로 두는 방식.
  • 액티브/액티브 - 두 시스템 모두를 가동 상태로 두는 방식.
  • 액티브 시스템에 문제가 생겼을 경우 예비된 스탠바이 시스템으로 자동 전환되는 기능을 failover라고 한다.
• '무언가를 여러 개 두는 기술'인 다중화는 이중화된 구성에 비해 더욱 안정적인 운영이 가능하다.
• 이중화/다중화의 사례로 티밍(teaming)과 본딩(bonding)이 있으며, 전자는 윈도우, 후자는 리눅스에서 사용되는 용어.
• 이 두 기술은 여러 개의 네트워크 인터페이스(NIC)를 이중화/다중화하여 마치 더 뛰어나고 안정적인 성능을 보유한 하나의 인터페이스처럼 보이게 하는 기술.

 

로드 밸런싱(load balancing)

• 트래픽: 주어진 시점에 특정 노드를 경유한 패킷의 양.
• 트래픽은 서버의 가용성에 큰 영향을 끼치는 요소이며, 서버를 다중화했더라도 트래픽을 고르게 분배해야 가용성이 높아진다.
• 로드 밸런싱은 트래픽의 고른 분배를 위해 사용되는 기술.
• 로드 밸런서는 L4, L7 스위치로 수행할 수 있지만, 로드 밸런싱 기능을 제공하는 소프트웨어를 설치하면 일반 호스트도 로드 밸런서로 사용할 수 있다.
  • 대표적인 소프트웨어로 HAProxy, Envoy 등이 있다.
  • 대표적인 웹 서버 소프트웨어인 Nginx에도 로드 밸런싱 기능이 내포되어 있다.
  • L4 스위치는 주로 IP 주소와 포트 번호와 같은 전송 계층까지의 정보를 바탕으로 로드 밸런싱을 수행.
  • L7 스위치는 URI, HTTP 메시지 일부, 쿠키 등 응용 계층의 정보까지 활용하여 로드 밸런싱 수행.
• 로드 밸런서는 이중화나 다중화된 서버와 클라이언트 사이에 위치한다.
• 클라이언트들은 로드 밸런서에 요청을 보내고, 로드 밸런서는 해당 요청을 각 서버에 균등하게 분배한다.

로드 밸런싱 알고리즘

• 부하가 균등하게 분산되도록 부하 대상(서버)을 선택하는 방법.
• 대표적으로 단순히 서버를 돌아가며 부하를 전달하는 라운드 로빈 알고리즘이 있고, 연결이 적은 서버부터 우선적으로 부하를 전달하는 최소 연결 알고리즘도 있다.
  • 가중치를 부여해 알고리즘에 따라 동작하되, 가중치가 높은 서버가 더 많이 선택되어 더 많은 부하를 받도록 할 수 있다.
  • 때로는 단순히 무작위로 고르기도 하고, 해시(hash) 자료구조를 이용하기도 하며, 응답 시간이 가장 짧은 서버를 선택하기도 한다.

 

포워드 프록시와 리버스 프록시

실제 클라이언트와 서버 사이에는 수많은 중간 서버들이 존재할 수 있다.
대표적인 HTTP 중간 서버의 유형으로 프록시와 게이트웨이가 있다.
프록시는 포워드 프록시, 게이트웨이를 리버스 프록시라고도 부른다.

프록시(proxy)는 클라이언트가 선택한 메시지 전달 대리자이다.(RFC 9110) 어떤 프록시를 언제 어떻게 사용할지 클라이언트가 선택하므로 일반적으로 오리진 서버(자원을 생성하고 클라이언트에게 권한 있는 응답을 보낼 수 있는 HTTP 서버)보다 클라이언트와 더 가까이 위치해 있다. 프록시는 주로 캐시 저장, 클라이언트 암호화 및 접근 제한 등의 기능을 제공한다.

게이트웨이(gateway)는 일반적으로 '네트워크 간의 통신을 가능케 하는 입구 역할을 하는 하드웨어 혹은 소프트웨어'를 의미하지만, HTTP 중간 서버라는 맥락에서 아웃바운드 연결에 대해 오리진 서버 역할을 하지만, 수신된 요청을 변환하여 다른 인바운드 서버로 전달하는 중개자 역할을 한다. 오리진 서버에 더 가까이 위치하며, 캐시를 저장할 수도 있고, 로드 밸런서로 동작할 수 있다.

 

07-2 안정성을 위한 기술

암호화(encryption)는 원문 데이터를 알아볼 수 없는 형태로 변경하는 것.
복호화(decryption)는 암호화된 데이터를 원문 데이터로 되돌이는 과정.
암호화 복호화는 안전한 데이터 송수신뿐만 아니라 인증서 기반의 검증도 가능하게 한다. 

암호

• 암호화 복호화의 핵심은 키(key).
• 대칭 키 암호화 방식과 공개 키(비대칭 키) 암호화 방식
  • 대칭 키 암호화 방식은 암호화와 복호화에 동일한 키를 사용한다.
    • 동일한 키를 사용하므로 키가 유출될 시 큰 문제가 발생.
    • 대신 적은  부하 덕분에 암호화 및 복호화를 빠르게 수행할 수 있다.
  • 공개 키 암호화 방식은 암호화를 위한 키(공개 키)와 복호화를 위한 키(개인 키)가 다르다.
    • 공개 키만으로는 개인 키를 유추할 수 없고 반대도 마찬가지이므로 보안적으로 유리.
    • 암호화 및 복호화에 시간과 부하가 상대적으로 많이 들지만, 키를 안전하게 공유할 수 있다.
  • 대칭 키 암호화 방식과 공개 키 암호화 방식을 함께 사용하는 세션 키
    • 대칭 키를 안전하게 전달하기 위해 공개 키로 대칭 키를 암호화
    • 개인 키로 암호화된 대칭 키를 복호화
    • 대칭 키를 안전아게 공유함과 동시에 공유한 대칭 키를 이용해 빠르게 암호화/복호화를 수행할 수 있다.

 

인증서

• 공개 키 인증서란 공개 키와 공개 키의 유효성을 입증하기 위한 전자 문서.
• 인증서는 인증 기관(CA)이라는 제3의 기관에서 발금, 검증, 저장과 같은 역할을 수행할 수 있는 공인 기관.
  • 대표적으로 IdenTrust, DigiCert, GlobalSign 등이 있다.
• 인증서에 담긴 서명 값은 인증서 내용에 대한 해시 값을 CA의 개인 키로 암호화 하는 방식으로 만들어진다.
• 인증서 검증을 위해 서명 값과 인증서를 분리하고 CA의 공개 키는 공개되어 있기에, 서명 값은 CA의 공개 키로 복호화할 수 있다.
• 인증서 데이터에 대한 해시 값을 직접 구한 뒤, 이를 복호화한 값을 비교해 일치한다면 인증서는 확실히 CA의 개인 키로 만들어졌다고 보장할 수 있다.
• 개인 키로 암호화된 메시지를 공개 키로 복호화함으로써 신원을 증명하는 이러한 절차를 디지털 서명이라 부른다.

 

HTTPS: SSL과 TLS

• SSL과 TLS는 인증과 암호화를 수행하는 프로토콜이며, TLS는 SSL을 계승한 프로토콜.
• 초기 SSL 2.0과 SSL 3.0을 거쳐 TLS 1.0, TLS 1.1, TLS 1.2, TLS 1.3이 순차적으로 출시되었다.
• SSL/TLS를 사용하는 대표적인 프로토콜은 HTTPS.
  • HTTP 메시지의 안전한 송수신을 위해 개발되었다.
• HTTPS 메시지 송수신 단계(오늘날 주로 사용되는 TLS 1.3 기반)
  1. TCP 쓰리 웨이 핸드셰이크: TCP 연결 수립을 위해 두 호스트가 각각 SYN, SYN+ACK, ACK 플래그가 설정된 TCP 세그먼트를 주고받는 것.
  2. TLS 핸드셰이크: 암호화 통신을 위한 키를 교환하고, 인증서 송수신과 검증이 이루어진다.
  3. 암호화된 메시지 송수신

 

07-3 무선 네트워크

전파와 주파수

• 전파는 약 3kHz부터 3THz 사이의 진동수를 갖는 전자기파.
• 무선 네트워크를 이용하는 많은 문선 통신 기기가 전파를 이용하여 통신한다.
• 통신에 사용되는 전파에는 '주파수 대역'이 미리 정해져 있으며, 어떤 용도로 사용할지는 나라마다 다르다.

 

와이파이와 802.11

• 오늘날 LAN 환경에서의 무선 통신은 IEEE 802.11로 표준화되어 있으며 2.4GHz, 5GHz 대역을 사용한다.

• '와이파이(Wi-Fi)'는 IEEE 802.11 표준을 따르는 무선 LAN 기술을 가리키는 말로 사용되지만, 본래는 Wi-Fi Alliance라는 비영리단체의 트레이드 마크 이름이다.

 

AP와 서비스 셋

• 무선 네트워크를 생성하기 위해서는 '무선 액세스 포인트(AP)'라는 네트워크 장비가 필요하다.
• AP(Access Point)는 무선 통신 기기들을 연결하여 무선 네트워크를 구성하는 장치.
  • 가정용 무선 공유기도 AP 역할을 수행한다.
• 인프라스트럭처 모드(infrastructure mode): AP를 경유하여 무선 LAN 통신이 이루어지는 무선 네트워크 통신 방식.
• 서비스 셋(Service Set): AP를 중심으로 연결된 여러 장치들의 집합.
  • 서비스 셋 식별자(SSID): 무선 네트워크를 구분짓는 수단이자 무선 네트워크를 지칭하는 고유한 이름.
  • SSID에는 와이파이 이름이 명시되어 있다.