[Network] HTTP/2: multiplexing, HPACK, server push의 종말

HTTP/2, h2, HPACK, stream multiplexing, server push, h2c

정의

HTTP/2 (2015, RFC 9113) 는 HTTP/1.1 의 문법은 유지하되 전송을 바이너리 + 멀티플렉싱 으로 바꾼다. Head-of-Line Blocking (HTTP 레벨) 해결이 핵심.

핵심 변경 3가지:

1. Binary framing: 텍스트 → 바이너리. 파싱 효율 + 정확성.
2. Stream multiplexing: 한 TCP 연결에서 여러 stream 병렬.
3. HPACK 헤더 압축: 반복 헤더의 압축 + 인덱싱.

Binary Framing

HTTP/1.1 의 텍스트 메시지 가 frame 으로 분해:

Frame Type	의미
DATA	본문
HEADERS	헤더
PRIORITY	스트림 우선순위
RST_STREAM	스트림 취소
SETTINGS	연결 설정
PUSH_PROMISE	server push (대부분 비활성)
PING	keep-alive 측정
GOAWAY	연결 종료
WINDOW_UPDATE	flow control
CONTINUATION	큰 헤더 분할

flowchart LR
    H1["HTTP/1.1 메시지<br/>(텍스트)"] -->|HTTP/2| Frames
    Frames["[HEADERS frame]<br/>[DATA frame]<br/>[DATA frame]"]

Multiplexing

한 TCP 연결에서 여러 stream (요청/응답 쌍) 이 frame 인터리빙 으로 동시 진행:

sequenceDiagram
    autonumber
    participant C as Client
    participant S as Server

    C->>S: HEADERS stream=1 (GET /a)
    C->>S: HEADERS stream=3 (GET /b)
    C->>S: HEADERS stream=5 (GET /c)
    S-->>C: HEADERS stream=3 (작은 응답 먼저)
    S-->>C: DATA stream=3 (완료)
    S-->>C: HEADERS stream=1
    S-->>C: DATA stream=5 (부분)
    S-->>C: DATA stream=1 (부분)
    S-->>C: DATA stream=1 (완료)
    S-->>C: DATA stream=5 (완료)

항목	HTTP/1.1	HTTP/2
동시 요청	N개 TCP 연결	1 TCP, N streams
HoL Blocking (HTTP)	있음 (pipelining)	없음
헤더 압축	없음	HPACK
Binary	텍스트	binary

HPACK 헤더 압축

반복되는 헤더 (User-Agent, Cookie 등) 를 인덱스로 참조. Static Table (61개 미리 정의) + Dynamic Table (연결마다 갱신) + Huffman.

요청 1: :method=GET, :path=/a, user-agent=Mozilla/5.0...
→ 보내고 dynamic table 에 등록 (예: index 62)

요청 2: :method=GET, :path=/b, user-agent=Mozilla/5.0...
→ index 62 만 보냄 (수십 바이트 → 1 바이트)

자세한 건 hpack 참고.

Server Push (사실상 폐기)

/index.html 요청에 서버가 미리 /style.css, /app.js 도 push:

sequenceDiagram
    C->>S: GET /index.html
    S-->>C: PUSH_PROMISE /style.css
    S-->>C: PUSH_PROMISE /app.js
    S-->>C: 200 /index.html
    S-->>C: 200 /style.css (요청 없이 미리)
    S-->>C: 200 /app.js (요청 없이 미리)

h2 vs h2c

프로토콜	의미
h2	TLS 위 HTTP/2 (대부분)
h2c	cleartext (내부 네트워크, gRPC mesh)

브라우저는 h2 만. 서버끼리는 h2c 도 흔함 (TLS 종료를 가까운 sidecar/proxy 에서).

Flow Control

스트림 / 연결마다 window size. WINDOW_UPDATE 로 backpressure. TCP 의 sliding window 와 별개 application 레벨 제어.

flowchart LR
    Server -->|WINDOW_UPDATE +65535| Client
    Client -->|"DATA (window 안에서만)"| Server

흔한 함정

Connection Preface

HTTP/2 연결의 첫 24 바이트 = magic octets:

PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n

이후 클라이언트 SETTINGS frame 전송. h2c (cleartext) 직접 연결 식별에 사용. h2 (TLS+ALPN) 에서는 ALPN 협상 후 magic 전송.

ALPN 협상

HTTP/2 를 사용하려면 TLS 핸드셰이크 중 ALPN (Application-Layer Protocol Negotiation) 으로 버전 협상.

sequenceDiagram
    participant C as Client
    participant S as Server
    C->>S: TLS ClientHello + ALPN: h2, http/1.1
    S-->>C: TLS ServerHello + ALPN: h2
    Note over C,S: 이후 HTTP/2 바이너리 프레임 교환

식별자	의미
h2	TLS 위 HTTP/2 (브라우저 표준)
h2c	Cleartext HTTP/2 (내부망, gRPC mesh)
http/1.1	ALPN fallback (h2 미지원 시)

서버 설정 예:

• Nginx: listen 443 ssl; http2 on; (nginx 1.26+ 권장)
• Caddy: 자동 ALPN 협상 (별도 설정 불필요)
• Go net/http: h2.ConfigureServer 또는 기본 TLS 서버
• Java Netty: ApplicationProtocolNegotiationHandler

Stream 상태 머신

각 HTTP/2 stream 은 상태 머신. RST_STREAM 으로 언제든지 즉시 취소.

stateDiagram-v2
    [*] --> idle
    idle --> open : HEADERS 전송 또는 수신
    open --> half_closed_local : END_STREAM 전송
    open --> half_closed_remote : END_STREAM 수신
    half_closed_local --> closed : RST_STREAM 또는 END_STREAM 수신
    half_closed_remote --> closed : RST_STREAM 또는 END_STREAM 전송
    open --> closed : RST_STREAM
    closed --> [*]

상태	의미
idle	미사용. 클라이언트 = 홀수 ID, 서버 push = 짝수 ID
open	양방향 송수신 가능
half_closed_local	로컬 전송 완료, 수신만
half_closed_remote	원격 전송 완료, 송신만
closed	완전 종료. ID 재사용 불가

gRPC 와 HTTP/2

gRPC 는 HTTP/2 를 전송 계층으로 사용. Protobuf 를 DATA frame 에 실어 보낸다.

flowchart LR
    Caller["gRPC Caller<br/>Protobuf 직렬화"]
    Caller --> H2["HTTP/2 DATA frames"]
    H2 --> Mux["Stream Multiplexing<br/>단일 TCP 연결"]
    Mux --> Svr["gRPC Server<br/>Protobuf 역직렬화"]

HTTP/2 개념	gRPC 매핑
stream 1개	RPC 호출 1개
HEADERS frame	gRPC metadata, trailer
DATA frame	Protobuf payload
RST_STREAM	오류 취소
SETTINGS: MAX_CONCURRENT_STREAMS	최대 동시 RPC 수 제한

gRPC 4가지 통신 모드:

모드	방향	적합 예
Unary	1:1	단순 API 호출
Server streaming	1:N	실시간 피드, 로그 스트림
Client streaming	N:1	파일 업로드, 배치 수집
Bidirectional streaming	N:N	채팅, 협업, 게임

HTTP/2 vs HTTP/3 빠른 비교

항목	HTTP/2	HTTP/3
전송 계층	TCP	QUIC (UDP 기반)
HoL Blocking	TCP 패킷 손실 시 전 스트림 대기	스트림별 독립 (없음)
헤더 압축	HPACK (dynamic table)	QPACK
0-RTT 재개	없음	있음 (session ticket)
배포 성숙도	광범위	CDN, 모던 브라우저 지원 확대 중

자세히는 http-3 참고.

실전 체크리스트

항목	확인 방법
h2 협상 여부	curl -I --http2 https://example.com
ALPN 선택값	openssl s_client -alpn h2 -connect example.com:443
Chrome h2 세션	chrome://net-internals/#http2
금지 헤더 제거	Connection, Upgrade, Keep-Alive 없애기
Server push 제거	http2_push 지시자 제거, 103 Early Hints 로 대체
gRPC LB	Envoy 또는 client-side LB 적용
우선순위 힌트	RFC 9218 Extensible Priorities (Urgency, Incremental 헤더)

관련 위키

• HTTP/1.1 (이전 버전)
• HTTP/3 (QUIC 위)
• hpack (헤더 압축 깊게)
• head-of-line-blocking (TCP 레벨 HoL)
• TCP, TLS
• gRPC (HTTP/2 위)