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C로 HTTP 서버 만들기

C로 HTTP의 원리를 이해하며 HTTP 서버를 만듭니다.

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2025-05-08
19 mins

맨날 HTTP 프로그래밍을 할 때 이미 만들어진 라이브러리 위에서 작업을 해 왔습니다. 그저 "딸깍" 한번이면 HTTP 서버가 뚝딱 만들어지고 멀티스레딩, 여러 처리 등을 완벽하게 수행해주는 라이브러리가 널렸습니다. 현대 언어에서는 HTTP 관련 라이브러리가 내장되어 있기도 합니다. 그래서 더더욱 HTTP가 어떻게 동작하는지 잘 모르고 있었습니다. 이번 포스트에서는 C로 내장 라이브러리만 사용하여 HTTP 서버를 만들어 보겠습니다. C로 low-level 프로그래밍을 하면서 HTTP의 원리를 살펴봅시다.

OSI 7 Layer

OSI 7 계층은 컴퓨터 네트워크의 통신 프로토콜을 7개의 계층으로 나눈 것입니다. 네트워크 통신은 복잡한 프로세스를 통해 이루어집니다. 각 계층을 나눠 설계함으로써 각 계층의 독립성을 높이고 유지보수를 용이하게 합니다.

OSI 7 Layer

HTTP는 OSI 7 계층 중 7번째인 애플리케이션 계층에 해당합니다. HTTP는 TCP/IP 프로토콜을 기반으로 데이터를 전송합니다. TCP/IP는 OSI 7 계층 중 4번째인 전송 계층에 해당합니다. 저희는 HTTP 서버를 만들기 위해 TCP/IP 소켓 프로그래밍을 사용할 예정입니다. 즉, TCP가 어떻게 작동하는지 등은 저희가 고려할 부분이 아닙니다. 이것이 계층화의 장점입니다. 사용자는 그저 데이터가 전송된다는 사실만 알면 되지 어떤 방식으로 전송되는지, 3-way handshake가 어떻게 이루어지는지, 패킷이 어떻게 전송되는지 알 필요가 없습니다.

HTTP의 구조

HTTP는 Hyper Text Transfer Protocol의 약자입니다. 이름에서 알 수 있듯이 텍스트를 전송하는 프로토콜입니다. HTTP는 클라이언트가 서버에 요청을 보내고 서버가 다시 클라이언트에게 응답을 보내는 방식으로 동작합니다. 이 과정에서 텍스트로 데이터를 주고받습니다.

HTTP message

이 텍스트는 위 그림처럼 생겼습니다. 이 텍스트를 HTTP message라고 부릅니다. HTTP 메시지는 크게 요청(request)과 응답(response)로 나뉘지만 형태가 거의 똑같습니다. 각 메세지는 크게 세 부분으로 이루어져 있습니다. HTTP 메소드와 URL, 버전을 알려주는 start line과 헤더(header), 그리고 실제 데이터인 body입니다. 지금 보고 있는 페이지도 제 블로그 서버에 GET 요청을 보내고 서버가 HTML을 응답으로 보내준 결과입니다.

HTTP 서버/클라이언트를 만든다는 것은 저 메시지를 주고받는 프로그램을 만드는 것입니다. HTTP 메시지를 적절하게 생성해 전송하고, 수신한 메시지를 적절하게 파싱해 처리하는 것이 HTTP 애플리케이션의 전부입니다. 저 메시지 자체가 TCP 계층에서 어떻게 전송되는지는 관심이 없고 HTTP 메시지를 수신/전송하는 것이 저희의 목표입니다.

참고로 이 포스트에서 사용할 C 라이브러리는 Unix/Linux 계열에서만 사용할 수 있습니다. C 자체가 굉장히 운영체제에 종속적이기 때문에 Windows에서 사용하려면 다른 라이브러리를 사용해서 완전히 다른 코드를 작성해야 합니다. 대신 개념은 비슷하니 Windows용 코드로 작성하는 것은 그리 어렵지 않을 것입니다.

Hello World 서버 만들기

이제 본격적으로 HTTP 서버를 만들어 보겠습니다. 처음 만들 서버는 어떤 응답에 대해서도 항상 Hello World를 반환하는 서버입니다. 우선 TCP 소켓 통신을 위해 소켓을 생성해야 합니다. arpa/inet.h 헤더를 include해서 socket 함수를 통해 소켓을 생성할 수 있습니다.

int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

첫 번쨰 파라미터인 AF_INET은 IPv4를 사용하겠다는 의미입니다. IPv6를 사용하려면 AF_INET6을 사용하면 됩니다. 두 번째 파라미터인 SOCK_STREAM은 TCP 소켓을 사용하겠다는 의미입니다. UDP 소켓을 사용하려면 SOCK_DGRAM을 사용합니다. 마지막 인자로는 사용할 프로토콜을 지정합니다. 0을 사용하면 알아서 프로토콜을 선택해줍니다. 지금은 TCP를 사용합니다. socket 함수는 int값을 리턴합니다. 리턴값은 소켓의 파일 디스크립터입니다. 일종의 id라고 생각하면 됩니다. 이 파일 디스크립터를 사용하여 소켓에 접근할 수 있습니다. 만약 소켓 생성에 실패했다면 -1을 리턴합니다.

리눅스/유닉스에서는 모든 것을 파일로 취급합니다. 즉, 소켓도 파일의 일종입니다. 파일 디스크립터는 열린 파일을 식별하는 정수입니다. 0은 표준 입력(stdin), 1은 표준 출력(stdout), 2는 표준 에러(stderr)를 의미합니다. 그 외의 숫자는 사용자가 열어놓은 파일을 의미합니다. 파일 디스크립터는 프로세스마다 다릅니다. 즉, 프로세스가 종료되면 파일 디스크립터도 사라집니다.

이제 소켓을 만들었으니 소켓을 bind해야 합니다. bind는 소켓에 IP 주소와 포트를 할당하는 작업입니다. bind 함수는 다음과 같이 생겼습니다.

int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

sockaddr이라는 구조체가 보입니다. sockaddr은 IP 주소와 포트를 저장하는 구조체입니다.

struct sockaddr {
    sa_family_t sa_family;
    char        sa_data[14];
};

struct sockaddr_in {
    sa_family_t     sin_family;  // same as sa_family
    uint16_t        sin_port;
    struct in_addr  sin_addr;
    char            sin_zero[8]; // fills up the rest
};

sockaddr_in 구조체도 함께 소개했는데, 이 구조체는 사람이 이해하기 편하게 IPv4 주소를 저장하기 위한 구조체입니다. 두 구조체의 구조를 자세히 살펴보면 sockaddr_in 구조체를 sockaddr 구조체로 변환할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 그래서 sockaddr_in의 인스턴스를 만든 후 sockaddr로 변환하여 bind에 넘겨주면 됩니다. bind의 마지막 인자는 sockaddr 구조체의 크기입니다.

struct sockaddr_in addr;
addr.sin_family = AF_INET;
addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
addr.sin_port = htons(PORT);

bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

INADDR_ANY는 모든 IP 주소를 의미합니다. 즉, 모든 IP 주소에서 접속을 허용하겠다는 의미입니다. htons는 host to network short의 약자로 호스트의 바이트 순서를 네트워크의 바이트 순서로 변환하는 함수입니다. 대부분 PC는 리틀 엔디안(낮은 바이트가 앞) 방식을 사용하지만 네트워크에서는 빅 엔디안(높은 바이트가 앞) 방식을 사용합니다. 따라서 htons를 사용하여 바이트 순서를 변환해야 합니다.

bind가 성공적으로 끝났다면 이제 listen을 통해 클라이언트의 요청을 기다립니다.

listen(socket_fd, 10);

여기서 두 번째 인자 10은 대기열의 크기를 의미합니다. 10으로 설정하면 최대 10개의 요청을 대기시킬 수 있습니다. 즉, 아직 처리하지 않은 요청이 들어오면 큐에 넣어두고 다음에 처리하게 됩니다. 만약 대기열이 가득 차면 클라이언트는 연결을 거부당합니다.

이제 accept를 통해 클라이언트의 요청을 받습니다. accept는 클라이언트의 요청을 받고 새로운 소켓을 생성합니다. accept는 다음과 같이 생겼습니다.

int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

이제 클라이언트의 요청을 수신할 준비가 되었습니다. accept를 통해 얻은 소켓을 통해 read와 write를 사용하여 데이터를 주고받을 수 있습니다.

#include <unistd.h>

// ... 생략
int main() {
    // ... 생략
   while (1) {
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        int client_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);

        char buffer[3000] = { 0 };
        ssize_t n = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                if (buffer[i] == '\r') printf("\\r");
                else if (buffer[i] == '\n') printf("\\n\n");
                else putchar(buffer[i]);
            }
        } else {
            printf("No data received or read failed.\n");
        }
    }
}

요청을 수신했으니 write를 통해 응답을 보내야 합니다. 저희는 일단 Hello World를 반환하는 서버를 만들 것이기 때문에 Hello World를 응답으로 보내면 됩니다. 요청을 완료한 후에는 소켓을 닫아 연결을 종료합니다.

#include <string.h>

const char *response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 14\r\n\r\nHello, World!\n";
write(client_fd, response, strlen(response));
close(client_fd);

지금까지 작성한 모든 코드를 합치면 다음과 같습니다.

#include <stdio.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define PORT 8080

int main() {
    int socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (socket_fd < 0) {
        perror("Socket creation failed");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    addr.sin_port = htons(PORT);

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
    listen(socket_fd, 10);


    while (1) {
        socklen_t addrlen = sizeof(addr);
        int client_fd = accept(socket_fd, (struct sockaddr *)&addr, &addrlen);

        char buffer[3000] = { 0 };
        ssize_t n = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            for (int i = 0; i < n; i++) {
                if (buffer[i] == '\r') printf("\\r");
                else if (buffer[i] == '\n') printf("\\n\n");
                else putchar(buffer[i]);
            }
        } else {
            printf("No data received or read failed.\n");
        }

        const char *response = "HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: 14\r\n\r\nHello, World!\n";
        write(client_fd, response, strlen(response));
        close(client_fd);
    }
}

드디어 HTTP 요청을 받고 응답하는 정말 간단한 서버가 완성되었습니다. 이제 이 서버를 실행하고 웹 브라우저에서 http://localhost:8080에 접속하면 Hello World를 볼 수 있습니다. curl을 사용하여 요청을 보내면

❯ curl -v localhost:8080
* Host localhost:8080 was resolved.
* IPv6: ::1
* IPv4: 127.0.0.1
*   Trying [::1]:8080...
* connect to ::1 port 8080 from ::1 port 56092 failed: Connection refused
*   Trying 127.0.0.1:8080...
* Connected to localhost (127.0.0.1) port 8080
> GET / HTTP/1.1
> Host: localhost:8080
> User-Agent: curl/8.7.1
> Accept: */*
> 
* Request completely sent off
< HTTP/1.1 200 OK
< Content-Length: 14
< 
Hello, World!
* Connection #0 to host localhost left intact

처럼 완벽한 요청과 응답을 볼 수 있습니다. 사실 이 서버는 부끄러울 정도로 기능이 많이 없습니다. 이제 받은 저 문자열을 파싱하여 올바른 HTTP 응답을 만들어 내는 서버를 만들면 온전한 HTTP 서버가 됩니다. 실제 HTTP 서버는 저렇게 간단하지 않습니다. 수많은 클라이언트의 요청을 멀티스레딩을 통해 동시에 처리해야 하고, 요청에 따라 DB에 접근하면서, 캐싱, 세션, keep-alive 등 다양한 기능을 제공해야 합니다. 오늘날 편하게 사용하는 수많은 라이브러리가 사랑받는 이유기도 합니다.

저희는 HTTP의 작동 방식을 이해하기 위해 간단한 서버를 native C로 만들어 보았습니다. 네트워크의 각 계층을 분리해 둔 덕분에 TCP/IP가 정확히 어떻게 동작하는지 알 필요 없이, 함수 사용법만 알면 HTTP 서버를 만들 수 있었습니다. 더 나아가서 Java 처럼 여러 처리가 편한 언어로 더 많은 기능을 가진 HTTP 서버를 직접 만들어 보면 좋은 공부가 될 것입니다.