QUIC 프로토콜

QUIC 프로토콜

1. 인터넷 통신의 기본: QUIC 이전의 세계

1.1 인터넷 통신의 기본 개념

인터넷을 통해 데이터를 주고받는 과정을 이해하기 위해, 우선 우체국 시스템을 떠올려봅시다. 편지를 보낼 때, 우리는 편지를 봉투에 넣고, 주소를 쓰고, 우체통에 넣습니다. 이와 유사하게, 인터넷에서 데이터를 보낼 때도 정보를 '패킷'이라는 단위로 나누고, 각 패킷에 목적지 주소를 붙여 보냅니다.

1.2 TCP/IP: 신뢰성 있는 배달부

TCP(Transmission Control Protocol)는 인터넷의 주요 통신 프로토콜 중 하나로, 마치 우체국의 신뢰할 수 있는 배달부와 같습니다. TCP는 다음과 같은 특징을 가집니다:

1. 연결 지향적: 통신을 시작하기 전에 '핸드셰이크'라는 과정을 통해 연결을 설정합니다.
2. 순서 보장: 보낸 순서대로 데이터가 도착하도록 보장합니다.
3. 신뢰성: 데이터가 손실되면 재전송합니다.
4. 흐름 제어: 받는 쪽의 처리 능력에 맞춰 데이터 전송 속도를 조절합니다.

하지만 TCP에는 몇 가지 단점이 있습니다:

1. 느린 시작: 연결 설정에 시간이 걸립니다.
2. 회선 독점: 한 번에 하나의 데이터 스트림만 처리할 수 있습니다.
3. Head-of-line 블로킹: 하나의 패킷이 지연되면 뒤따르는 모든 패킷이 영향을 받습니다.

1.3 UDP: 빠르지만 불안정한 택배

UDP(User Datagram Protocol)는 TCP의 대안으로, 빠른 속도가 필요한 경우에 사용됩니다. UDP는 다음과 같은 특징을 가집니다:

1. 비연결형: 연결 설정 과정 없이 바로 데이터를 전송합니다.
2. 비신뢰성: 데이터 손실을 확인하거나 재전송하지 않습니다.
3. 순서 미보장: 데이터의 도착 순서를 보장하지 않습니다.

UDP는 빠르지만 신뢰성이 떨어져, 실시간 스트리밍이나 온라인 게임 등 약간의 데이터 손실이 허용되는 응용 프로그램에서 주로 사용됩니다.

2. QUIC: 혁신적인 新 프로토콜의 등장

2.1 QUIC의 탄생 배경

QUIC(Quick UDP Internet Connections)은 Google이 2012년에 개발을 시작한 새로운 인터넷 전송 프로토콜입니다. QUIC은 TCP의 신뢰성과 UDP의 속도를 결합하여, 현대 인터넷 환경에 최적화된 솔루션을 제공하고자 합니다.

QUIC 개발의 주요 동기는 다음과 같습니다:

1. 웹 페이지 로딩 시간 단축: 사용자 경험 개선을 위해 페이지 로드 시간을 줄이고자 했습니다.
2. 모바일 환경 최적화: 불안정한 모바일 네트워크에서도 원활한 연결을 유지하고자 했습니다.
3. 보안 강화: 기본적으로 암호화된 통신을 제공하고자 했습니다.
4. 프로토콜 진화의 용이성: 기존 TCP는 운영체제 커널에 내장되어 있어 업데이트가 어려웠습니다. QUIC은 이러한 제약을 극복하고자 했습니다.

2.2 QUIC의 기본 구조

QUIC은 UDP를 기반으로 하지만, 그 위에 TCP와 유사한 기능들을 구현했습니다. 이는 마치 불안정한 택배 서비스(UDP) 위에 신뢰할 수 있는 관리 시스템을 덧붙인 것과 같습니다.

QUIC의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

1. 전송 계층: UDP를 사용하여 기본적인 데이터 전송을 담당합니다.
2. 보안 계층: TLS 1.3을 통합하여 모든 통신을 암호화합니다.
3. 신뢰성 계층: TCP와 유사한 신뢰성 메커니즘을 구현합니다.
4. 멀티플렉싱 계층: 여러 개의 독립적인 스트림을 하나의 연결에서 처리합니다.

3. QUIC의 주요 특징과 장점

3.1 빠른 연결 설정

QUIC의 가장 큰 장점 중 하나는 연결 설정 속도입니다.

• 0-RTT 연결: 이전에 연결한 적이 있는 서버의 경우, 추가적인 왕복 없이 즉시 데이터를 전송할 수 있습니다. 이는 마치 단골 식당에 가서 주문 없이 바로 음식이 나오는 것과 같습니다.

  sequenceDiagram
    actor Client
    participant Server
  
    Note over Client,Server: 이전 연결 정보 저장
    Client->>Server: 초기 연결 및 서버 정보 저장
  
    Note over Client,Server: 0-RTT 연결
    Client->>Server: ClientHello + 0-RTT 데이터
    Note right of Server: 저장된 서버 정보 사용
  
    Server->>Client: ServerHello + EncryptedExtensions + Finished
    Note left of Client: 0-RTT 데이터 즉시 처리 가능
  
    Client->>Server: Finished

• 1-RTT 연결: 새로운 서버와 연결할 때도 단 한 번의 왕복으로 암호화된 데이터 전송을 시작할 수 있습니다. TCP+TLS의 경우 최소 2-3번의 왕복이 필요한 것에 비해 큰 개선입니다.

  sequenceDiagram
    actor Client
    participant Server
  
    Note over Client,Server: 1-RTT 연결
    Client->>Server: ClientHello (QUIC Version + Transport Parameters)
  
    Server->>Client: ServerHello + EncryptedExtensions + Finished
    Note left of Client: 서버 인증서 및 키 교환 정보 포함
  
    Note over Client: 서버 인증 및 키 생성
  
    Client->>Server: Finished + 암호화된 애플리케이션 데이터

3.2 향상된 혼잡 제어

QUIC은 네트워크 혼잡 상황을 더 빠르고 정확하게 감지하고 대응합니다.

1. 독립적인 패킷 번호: 각 패킷에 고유한 번호를 부여하여 손실을 정확히 파악합니다. 이는 교통 체증 시 각 차량의 위치를 정확히 추적하는 것과 유사합니다.
2. 유연한 혼잡 제어 알고리즘: 네트워크 상황에 따라 다양한 알고리즘을 적용할 수 있습니다. 이는 도로 상황에 따라 다른 교통 통제 방식을 사용하는 것과 비슷합니다.

3.3 연결 마이그레이션

QUIC의 또 다른 중요한 특징은 연결 마이그레이션입니다.

1. 연결 ID 사용: IP 주소나 네트워크가 변경되어도 같은 연결을 유지할 수 있습니다. 이는 마치 이사를 해도 전화번호를 그대로 유지할 수 있는 것과 유사합니다.
2. 원활한 네트워크 전환: Wi-Fi에서 모바일 데이터로 전환되어도 연결이 끊기지 않습니다. 이는 지하철을 타고 이동하면서도 통화가 끊기지 않는 것과 비슷합니다.

3.4 향상된 보안

QUIC은 보안을 기본으로 제공합니다.

1. 전체 암호화: 헤더를 포함한 거의 모든 정보를 암호화합니다. 이는 편지의 내용뿐만 아니라 봉투의 정보까지 암호화하는 것과 같습니다.
2. 최신 암호화 프로토콜: TLS 1.3을 사용하여 최신의 보안 기능을 제공합니다.

3.5 스트림 멀티플렉싱

QUIC은 하나의 연결 내에서 여러 개의 독립적인 데이터 스트림을 처리할 수 있습니다.

1. 병렬 처리: 여러 요청을 동시에 처리할 수 있어 효율성이 높습니다. 이는 마치 하나의 파이프라인으로 여러 종류의 액체를 동시에 흘려보내는 것과 유사합니다.
2. Head-of-line 블로킹 해결: 한 스트림의 문제가 다른 스트림에 영향을 주지 않습니다. 이는 한 계산대의 지연이 다른 계산대에 영향을 주지 않는 슈퍼마켓 계산대와 비슷합니다.

4. QUIC의 실제 적용과 성능

4.1 Google의 성능 측정 결과

Google은 QUIC을 자사의 서비스에 적용하고 그 성능을 측정했습니다:

1. 검색 페이지 로딩 시간: 평균 8-13% 감소
2. YouTube 리버퍼링: 최대 18.5% 감소
3. 모바일 환경: 네트워크 변경 시 연결 유지로 사용자 경험 개선

이러한 개선은 특히 느린 네트워크나 모바일 환경에서 더욱 두드러집니다.

4.2 다른 기업들의 적용 사례

1. Facebook: 2020년부터 QUIC 도입, 특히 사진과 동영상 로딩 속도 개선
2. Cloudflare: CDN 서비스에 QUIC 적용, 전반적인 웹사이트 성능 향상
3. Akamai: 콘텐츠 전송 네트워크에 QUIC 도입, 특히 모바일 사용자의 경험 개선

5. QUIC의 도전과제와 한계

5.1 CPU 사용량 증가

QUIC은 기존 프로토콜보다 더 많은 연산을 필요로 합니다.

1. 암호화 연산: 모든 데이터를 암호화하므로 CPU 사용량이 약 3.5% 증가합니다.
2. 최적화 노력: 더 효율적인 암호화 알고리즘 사용 등으로 이 문제를 완화하고 있습니다.

5.2 네트워크 장비 호환성

기존 네트워크 장비들이 QUIC을 제대로 인식하지 못하는 경우가 있습니다.

1. UDP 트래픽 제한: 일부 방화벽이나 NAT 장비에서 UDP 트래픽을 제한할 수 있습니다.
2. 장비 업데이트 필요: QUIC을 제대로 처리하기 위해 네트워크 장비들의 업데이트가 필요합니다.

5.3 디버깅의 어려움

QUIC의 암호화 특성으로 인해 네트워크 문제 진단이 어려울 수 있습니다.

1. 암호화된 트래픽: 대부분의 정보가 암호화되어 있어 패킷 분석이 쉽지 않습니다.
2. 새로운 도구 필요: QUIC 트래픽을 분석하기 위한 새로운 도구와 방법이 필요합니다.

6. QUIC의 미래와 전망

QUIC 프로토콜은 인터넷의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 다음은 QUIC의 미래와 관련된 주요 측면들입니다:

6.1 HTTP/3의 기반 기술로서의 QUIC

QUIC은 HTTP/3의 기반 기술로 채택되었습니다. 이는 웹의 미래에 QUIC이 중요한 역할을 할 것임을 의미합니다.

1. HTTP/3 채택 증가:
   • 주요 웹 브라우저(Chrome, Firefox, Safari 등)가 이미 HTTP/3를 지원하고 있거나 지원 계획을 발표했습니다.
   • 대형 웹 서버 소프트웨어(Apache, Nginx 등)도 HTTP/3 지원을 추가하고 있습니다.
2. 성능 이점:
   • 페이지 로딩 시간 단축, 특히 모바일 환경에서의 성능 향상이 기대됩니다.
   • 불안정한 네트워크에서도 더 나은 사용자 경험을 제공할 것으로 예상됩니다.
3. 보안 강화:
   • QUIC의 기본 암호화로 인해 웹 전반의 보안이 강화될 것으로 기대됩니다.

6.2 5G 네트워크와의 시너지

QUIC은 5G 네트워크의 특성과 잘 맞아 시너지 효과를 낼 것으로 예상됩니다.

1. 낮은 지연시간 활용:
   • 5G의 낮은 지연시간과 QUIC의 빠른 연결 설정이 결합되어 더욱 빠른 웹 경험을 제공할 수 있습니다.
2. 높은 대역폭 활용:
   • QUIC의 멀티플렉싱 기능은 5G의 높은 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있습니다.
3. 모바일 환경 최적화:
   • QUIC의 연결 마이그레이션 기능은 5G 네트워크 간 빠른 전환을 지원하여 끊김 없는 모바일 경험을 제공할 수 있습니다.

6.3 IoT(사물인터넷) 및 실시간 통신에의 적용

QUIC은 IoT 기기와 실시간 통신 애플리케이션에도 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

1. IoT 기기 통신 개선:
   • 저전력, 불안정한 네트워크 환경에서 동작하는 IoT 기기들에게 QUIC의 효율적인 연결 관리는 큰 이점이 될 수 있습니다.
   • 연결 마이그레이션 기능은 이동하는 IoT 기기(예: 자율주행차량)에 특히 유용할 수 있습니다.
2. 실시간 통신 향상:
   • 화상 회의, 온라인 게임 등 실시간 통신 애플리케이션에서 QUIC의 낮은 지연시간과 효율적인 패킷 관리는 사용자 경험을 크게 개선할 수 있습니다.
   • WebRTC와 QUIC의 결합은 더욱 안정적이고 효율적인 P2P 통신을 가능하게 할 것입니다.

6.4 엣지 컴퓨팅과의 통합

QUIC은 엣지 컴퓨팅 환경에서도 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

1. 빠른 연결 설정:
   • 엣지 서버와의 빠른 연결 설정은 지연 시간에 민감한 애플리케이션(예: AR/VR)에 큰 이점이 될 수 있습니다.
2. 효율적인 리소스 사용:
   • QUIC의 효율적인 연결 관리는 제한된 리소스를 가진 엣지 서버에서 특히 유용할 수 있습니다.

6.5 지속적인 프로토콜 개선 및 최적화

QUIC은 계속해서 발전하고 있으며, 앞으로도 다양한 개선이 이루어질 것으로 예상됩니다.

1. 성능 최적화:
   • CPU 사용량 감소, 메모리 효율성 증가 등을 위한 지속적인 최적화가 이루어질 것입니다.
2. 새로운 기능 추가:
   • 네트워크 환경과 애플리케이션 요구사항의 변화에 따라 새로운 기능들이 추가될 수 있습니다.
3. 보안 강화:
   • 새로운 보안 위협에 대응하기 위한 지속적인 보안 기능 개선이 이루어질 것입니다.

6.6 QUIC 채택의 확산

QUIC의 사용은 점차 확대될 것으로 예상됩니다.

1. CDN 서비스:
   • Cloudflare, Akamai 등 주요 CDN 제공업체들이 이미 QUIC을 지원하고 있으며, 이는 전 세계적으로 QUIC 사용을 크게 증가시킬 것입니다.
2. 대형 웹 서비스:
   • Google, Facebook 등 대형 웹 서비스들의 QUIC 채택은 다른 기업들의 채택을 촉진할 것입니다.
3. 모바일 앱:
   • 모바일 앱 개발자들이 QUIC의 이점을 인식하면서, 많은 모바일 앱들이 QUIC을 기반으로 한 통신을 채택할 것으로 예상됩니다.

7. 결론

QUIC은 현대 인터넷 환경의 요구사항을 충족시키기 위해 설계된 혁신적인 프로토콜입니다. TCP와 UDP의 장점을 결합하고 현대적인 웹 애플리케이션의 요구사항을 반영하여, 더 빠르고 안전하며 효율적인 인터넷 통신을 가능하게 합니다.

QUIC의 주요 장점인 빠른 연결 설정, 향상된 보안, 효율적인 멀티플렉싱, 그리고 연결 마이그레이션은 다양한 인터넷 서비스의 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 특히 HTTP/3의 기반 기술로 채택되면서, QUIC은 웹의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.

물론 QUIC에는 CPU 사용량 증가, 네트워크 장비 호환성 문제 등의 도전과제도 있습니다. 그러나 이러한 문제들은 시간이 지남에 따라 기술의 발전과 최적화를 통해 해결될 수 있을 것으로 기대됩니다.

https://medium.com/rate-labs/quic-%ED%94%84%EB%A1%9C%ED%86%A0%EC%BD%9C-%EA%B5%AC%EA%B8%80-%EB%98%90-%EB%84%88%EC%95%BC-932befde91a1

[QUIC 프로토콜 | 구글 또 너야?

QUIC 프로토콜은 2012년 구글이 처음 발표한 범용 전송 계층 네트워크 프로토콜이다. TCP/IP와 TLS레이어가 나누어져 있어서 불필요한 라운드 트립 딜레이(RTT)가 발생했는데, QUIC은 이 과정을 UDP 위에

medium.com](https://medium.com/rate-labs/quic-%ED%94%84%EB%A1%9C%ED%86%A0%EC%BD%9C-%EA%B5%AC%EA%B8%80-%EB%98%90-%EB%84%88%EC%95%BC-932befde91a1)