Socket이란 무엇인가 (Http Socket, Web Socket)

💡 소켓 이란?
🟡 HTTP Socket
🔵 Web Socket
📚 참고 자료

thumbnail

[출처] https://korea.ul.com/ict/

💡 소켓 이란?

소켓은 특정한 파이프의 끝, 파이프 이음쇠 또는 위생 기구를 수용하기 위해 확장한 것으로, 또 다른 파이프의 끝이나 파이프 이음쇠을 가리킨다. 또한 소켓(socket)은 통신선 또는 전기선, 전구 따위를 끼워 넣어 연결선과 접속하게 하는 연결기구를 가리킨다.

[출처] Wikipedia

쉽게 말해, 특정 지점의 Endpoint를 의미하는 것이다.

오늘 알아볼 내용은 소켓 중 네트워크 소켓을 알아보는 것이 목적이고, 네트워크 소켓도 위에 설명된 소켓과 유사한 개념이다. 단지 Endpoint가 특정 프로세스 일 뿐이다.

🌐 네크워크 소켓

네트워크 소켓은 네트워크를 통해 데이터를 보내고 받기 위한 Endpoint의 끝점 역할을 하는 네트워크 노드 내의 소프트웨어 구조다.

소켓의 구조와 속성은 네트워크 API에 따라 정의되며, 일반적인 경우 소켓은 실행 중인 프로세스의 생명주기와 맞물린다.

🟡 HTTP Socket

[출처] Mozilla HTTP

우리가 매일 사용하는 HTTP 통신도 Socket 통신으로 작동한다.

TCP/UDP 통신 위에 입혀진 HTTP는 Socket Connection이 된 후에 들어온 패킷의 Payload를 읽어내는 식으로 동작하게 정의된 규약이다.

이 글은 TCP 기반 HTTP 통신을 설명합니다.

🔌 Socket Connection

tcp-connection
[출처] https://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_Control_Protocol

Server에 Binding된 Port로 Client가 요청을 보냈을 때 도달하는 지점이 Server Socket 이다.

위 그림의 SYN이라 보면 된다.

그 뒤 Client 정보를 accept 해주고, Client에 SYN-ACK 응답이 내려간다.

이렇게 소켓을 이용해 Client - Server 간 파이프라인이 구축되는 것이다.

이러한 연결이 수립되면, Client와 Server는 HTML, CSS, JS, JSON, Binary 등과 같은 데이터를 주고 받을 수 있다.

❗️ Client가 SYN만 보내고 끝내면 어떻게 되지?

syn backlog queue

[출처] https://blog.cloudflare.com/ko-kr/syn-packet-handling-in-the-wild-ko-kr/

Client가 SYN만 보내고 ACK를 Server에 보내지 않으면, Server의 Backlog Queue에 담겨있는 Client 정보가 계속 남게 된다.

그 때 Server는 리눅스 기준 5번까지 SYN-ACK요청을 다시 보내고 응답이 없으면 Timeout처리를 하게 된다.

서버 소켓 설정에 따라 다르겠지만, Backlog Queue가 다 찬 경우, 새로운 Client의 연결 요청은 SYN Cookie형식으로 대체된다고 한다.

여기에서 SYN 패킷 처리 방법을 보는 것을 정말 추천한다. 설명이 너무 잘되어 있다.

🚪 Client가 Server에 연결되는 방법

socket fd

[출처] https://luckyyowu.tistory.com/71

Client가 최초 SYN 요청을 보냈을 때, Server 커널에 Client 정보가 담긴 Payload가 들어온다.

Server는 Socket으로 Binding된 fd를 통해 poll()을 사용하여 지속적으로 커널을 읽어와, Client의 정보를 Application Layer로 불러와 accept()하는 과정을 거친다.

poll() 뿐 아니라, select(), kqueue() 등 여러 시스템 콜 함수도 있다.

이 때, Server에서 Client로 SYN-ACK 요청이 가게 된다.

accept()가 끝났다면, HTTP 통신을 위해 Client Disconnected가 될때 까지 Client의 정보를 커널에 저장한다.

이러한 프로세스 커널을 이용한 연결 수립 과정을 통해 Client - Server간 통신이 가능한 것이다.

🌊 HTTP Packet 전송 방식

packet

[출처] (https://d2.naver.com/helloworld/47667)

우선 NIC가 들어온 패킷을 자신의 메모리에 기록하고, CRC검사로 패킷이 유효한지 확인한 뒤 호스트의 메모리 버퍼로 이동시킨다.

이 버퍼는 드라이버가 커널에 요청하여 패킷 수신용으로 미리 할당한 메모리이고, 할당을 받은 후 드라이버는 NIC에 메모리 주소와 크기를 알려 준다.

NIC가 패킷을 받았는데, 드라이버가 미리 할당해 놓은 호스트 메모리 버퍼가 없으면 NIC가 패킷을 버릴 수 있다 (packet drop).

그 뒤 제조사 별 정의된 Driver 통신 규약에 따라 상위 Layer로 패킷을 전송하고, Ethernet에선 헤더를 제거한 패킷을 상위 Layer로 전달한다.

IP Layer에선 목적 ip에 대한 라우팅을 진행한다.

ip가 현재 장비인지 다른 장비인지 확인한다.

IP, TCP Layer를 통과했다면, 패킷은 목적 Port와 매핑된 프로세스의 커널에 저장될 것이다.

이때 Server 프로세스에서 커널 버퍼를 읽는 과정을 진행하고, Application Layer로 데이터를 전송한다.

이제 Server에서 HTTP에 정의된 내용으로 header와 body를 읽어 그에 맞는 Business Logic이 실행된 뒤 적절한 응답이 내려간다.

HTTP에 대한 내용은 RFC-7230 문서를 보면 잘 설명 되어있다.

🔵 Web Socket

Web Socket Connection

[출처] https://geekflare.com/websocket-servers

Web Socket은 위 TCP 접속에 전이중 통신을 지원하는 통신 프로토콜이다.

Web Socket은 HTTP 통신과 같은 반이중 방식보다 오버헤드가 낮은 웹 브라우저와 웹 서버 간의 상호 작용을 가능하게 하여 서버에서 실시간 데이터 전송을 용이하게 한다.

이것은 Client와 Server간에 연결 수립을 하지 않고 Payload만 전송할 수 있다는 것을 의미한다.

HTTP에서 억지로 양방향 통신을 구현한 것이고, Observer 패턴과 비슷하다고 볼 수 있지만, 서로 Request를 계속 보내는 형식이다.

🤝 Web Socket 연결 수립 과정

Client Handshake Request

GET /change/protocol HTTP/1.1

Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Origin: http://example.com
Sec-WebSocket-Protocol: chat, superchat
Sec-WebSocket-Version: 13

Server Handshake Response

HTTP/1.1 101 Switching Protocols

Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=
Sec-WebSocket-Protocol: chat

우선 HTTP 연결이 우선이 되어야 하고, Client에서 Server에 Web Socket으로 프로토콜을 변경한다는 요청을 보낸다.

그 뒤 Server에서 Client로 프로토콜이 변경됐다는 응답을 보낸다.

이제, 각 프로세스에서 HTTP가 아닌, WS 프로토콜로 통신을 하게 되는 것이다.