gRPC 및 프로토콜 버퍼

gRPC 서비스는 프로토콜 버퍼 언어로 .proto 파일에 정의된다. 서비스 정의는 원격으로 호출할 수 있는 메서드들의 집합을 명시하며, 각 메서드는 하나의 요청 메시지 타입과 하나의 응답 메시지 타입을 가진다. 기본적인 서비스 정의는 service 키워드로 시작하고, 내부에 rpc 키워드를 사용하여 메서드 이름과 입력/출력 메시지 타입을 선언한다.

메서드는 네 가지 통신 패턴 중 하나를 따르도록 정의할 수 있다. 가장 기본적인 형태는 단일 요청과 단일 응답을 주고받는 단일 요청-응답 (Unary RPC)이다. 그 외에도 클라이언트가 메시지 스트림을 보내고 단일 응답을 받는 클라이언트 스트리밍, 서버가 단일 요청에 대해 메시지 스트림으로 응답하는 서버 스트리밍, 그리고 양측이 독립적인 메시지 스트림을 주고받는 양방향 스트리밍 메서드가 있다. 스트리밍 메서드는 stream 키워드를 요청 또는 응답 타입 앞에 붙여 정의한다.

.proto 파일은 protoc 컴파일러로 처리되어, 선택한 프로그래밍 언어에 맞는 서버 측과 클라이언트 측의 스텁 코드를 생성한다. 이 생성된 코드는 개발자가 서비스의 비즈니스 로직 구현에만 집중할 수 있도록 네트워크 통신의 복잡성을 추상화한다. 서비스 정의는 계약 우선 설계의 기초가 되어, 클라이언트와 서버 간의 명확한 인터페이스 계약을 보장한다.

gRPC는 클라이언트-서버 모델을 기반으로 하는 RPC 프레임워크이다. 이 모델에서 클라이언트 애플리케이션은 로컬 객체의 메서드를 호출하는 것처럼 서버 애플리케이션의 메서드를 직접 호출할 수 있다. 내부적으로는 네트워크를 통해 서버로 요청이 전송되고, 서버는 해당 요청을 처리한 후 응답을 클라이언트로 되돌려준다. 이 과정의 복잡한 네트워크 통신 세부 사항은 gRPC 스텁(Stub)에 의해 추상화되어 개발자는 비즈니스 로직에 집중할 수 있다.

통신의 기본 단위는 프로토콜 버퍼로 정의된 서비스의 메서드이다. 클라이언트는 서버에 구현된 정확한 메서드 이름과 규약에 맞는 프로토콜 버퍼 메시지를 전송해야 한다. 서버는 이를 역직렬화하여 비즈니스 로직을 실행하고, 결과를 다시 프로토콜 버퍼 형식으로 직렬화하여 클라이언트에 반환한다. 이 모델은 전통적인 REST API의 리소스 중심 접근 방식과 달리, 명시적으로 정의된 계약(Contract)에 기반한 강타입(Strongly-typed) 메서드 호출을 특징으로 한다.

gRPC 클라이언트-서버 통신은 HTTP/2 프로토콜 위에서 이루어진다. HTTP/2는 단일 TCP 연결 내에서 다중 요청과 응답을 처리할 수 있는 멀티플렉싱을 지원하여 연결 오버헤드를 줄인다. 또한 서버 푸시와 헤더 압축 같은 기능을 제공하여 효율성을 높인다. 기본 통신 흐름은 다음과 같은 단계를 거친다.

이 모델은 네트워크 경계를 넘는 원격 호출을 로컬 호출과 유사하게 만들어주지만, 지연 시간, 부분적 실패, 네트워크 불안정성 등 분산 시스템의 고유한 특성을 고려하여 설계하고 구현해야 한다는 점을 유의해야 한다[1].

gRPC는 HTTP/2의 다중화 기능을 기반으로 네 가지 스트리밍 통신 방식을 지원한다. 이는 기존의 단순한 요청-응답 모델을 넘어서는 다양한 실시간 데이터 교환 시나리오를 가능하게 한다.

주요 스트리밍 방식은 다음과 같다.

스트리밍 방식의 구현은 .proto 파일에서 stream 키워드를 사용해 정의한다. 예를 들어, 서버 스트리밍 메서드는 rpc GetUpdates(Request) returns (stream Response);와 같이 선언한다. 이러한 스트리밍 연결은 하나의 HTTP/2 연결 내에서 유지되므로, 연결 설정 오버헤드를 반복적으로 발생시키지 않으면서도 지속적인 데이터 흐름을 관리할 수 있다. 이는 대량의 실시간 데이터를 효율적으로 처리해야 하는 모바일 백엔드 통신이나 마이크로서비스 간의 상태 동기화에 특히 유용하다.

.proto 파일은 프로토콜 버퍼의 데이터 구조와 서비스 인터페이스를 정의하는 스키마 파일이다. 이 파일은 사람이 읽을 수 있는 텍스트 형식으로 작성되며, protoc 컴파일러를 통해 특정 프로그래밍 언어의 코드로 변환된다. 기본적인 구조는 syntax 지시자로 시작하며, package 선언, import 문, message 정의, 그리고 service 정의로 구성된다.

파일의 주요 구성 요소는 다음과 같다.

message 정의 내부에서는 각 필드에 고유한 번호를 할당하는 것이 필수적이다. 이 번호는 직렬화된 바이너리 데이터에서 필드를 식별하는 데 사용되며, 한 번 할당된 번호는 변경해서는 안 된다[2]. 각 필드는 스칼라 타입(예: string, int32, bool), 다른 message 타입, 또는 repeated나 map 같은 복합 타입 중 하나로 정의된다. service 정의는 gRPC의 핵심으로, rpc 키워드로 메서드 이름, 입력 메시지 타입, 출력 메시지 타입을 명시하여 원격 호출 계약을 만든다.

프로토콜 버퍼의 .proto 파일 내에서 데이터 구조는 message 키워드를 사용하여 정의된다. 각 메시지는 하나 이상의 필드로 구성되며, 각 필드는 고유한 번호인 필드 번호와 함께 특정 데이터 타입을 가진다. 이 필드 번호는 메시지의 이진 형식에서 필드를 식별하는 데 사용되므로, 메시지가 정의된 후에는 변경해서는 안 된다[3].

프로토콜 버퍼는 다양한 스칼라 데이터 타입을 제공한다. 기본적인 타입으로는 정수형(int32, int64, uint32, uint64, sint32, sint64), 부동소수점형(float, double), 불리언형(bool), 문자열형(string), 바이트 배열(bytes) 등이 있다. 또한, 사용자 정의 message 타입이나 enum 타입을 필드의 타입으로 사용할 수 있다. 필드는 required, optional, repeated 중 하나의 규칙을 가진다. repeated 규칙은 해당 필드가 배열이나 리스트 형태로 반복될 수 있음을 의미한다.

메시지 정의는 중첩이 가능하며, 다른 메시지 타입을 필드로 포함할 수 있다. 복잡한 데이터 구조를 표현하기 위해 메시지 안에 메시지를 정의하는 것도 가능하다. 아래는 간단한 메시지 정의의 예시이다.

```protobuf

syntax = "proto3";

message SearchRequest {

string query = 1;

int32 page_number = 2;

int32 result_per_page = 3;

enum Corpus {

UNIVERSAL = 0;

WEB = 1;

IMAGES = 2;

}

Corpus corpus = 4;

}

message SearchResponse {

repeated Result results = 1;

}

message Result {

string url = 1;

string title = 2;

}

```

proto3 문법에서는 필드 규칙이 명시적으로 optional이 되었으며, 스칼라 숫자 타입 필드는 명시적으로 설정되지 않았을 경우 기본값(예: 숫자 타입은 0, 문자열은 빈 문자열)을 가진다. repeated 필드는 기본적으로 빈 리스트이다. 메시지 정의는 프로토콜 버퍼 컴파일러(protoc)에 의해 특정 프로그래밍 언어(예: Java, Go, Python)의 클래스나 구조체 코드로 변환되어, 애플리케이션에서 직렬화 및 역직렬화에 사용된다.

프로토콜 버퍼 컴파일러(protoc)는 .proto 정의 파일을 입력받아 특정 프로그래밍 언어의 소스 코드로 변환하는 핵심 도구이다. 이 과정을 통해 개발자는 수동으로 데이터 구조나 네트워크 직렬화 코드를 작성할 필요 없이, 정의된 메시지 타입과 gRPC 서비스 인터페이스에 해당하는 클래스나 구조체를 자동으로 생성할 수 있다. 생성된 코드는 메시지의 직렬화(serialize)/역직렬화(deserialize), gRPC 클라이언트 및 서버 스텁(stub)을 포함한다.

컴파일러 사용은 일반적으로 커맨드라인에서 이루어진다. 기본 명령어 형식은 protoc --proto_path=IMPORT_PATH --cpp_out=DST_DIR --java_out=DST_DIR --python_out=DST_DIR --go_out=DST_DIR --ruby_out=DST_DIR --objc_out=DST_DIR --csharp_out=DST_DIR path/to/file.proto와 같다. 여기서 --proto_path(또는 -I)는 .proto 파일의 임포트 경로를 지정하고, --{lang}_out은 특정 언어의 코드가 생성될 출력 디렉토리를 지시한다. 하나의 명령어로 여러 언어에 대한 코드를 동시에 생성하는 것이 가능하다.

생성되는 코드의 내용은 선택한 언어와 타겟(메시지 타입만 생성할지, gRPC 서비스 코드도 포함할지)에 따라 달라진다. gRPC 서비스 코드를 생성하기 위해서는 일반적으로 언어별 플러그인을 추가로 사용한다. 예를 들어, Go 언어의 경우 protoc-gen-go와 protoc-gen-go-grpc 플러그인이 필요하며, 명령어에 --go_out과 --go-grpc_out 옵션을 별도로 지정한다. 이 플러그인 구조는 프로토콜 버퍼 생태계의 확장성을 보여준다.

생성된 코드는 프로젝트 빌드 시스템에 통합되어 사용된다. 아래 표는 주요 언어별 코드 생성 플러그인과 일반적인 출력물을 요약한 것이다.

이 자동화된 코드 생성 과정은 인터페이스 정의 언어의 정확한 구현을 보장하고, 다양한 언어로 작성된 서비스 간의 상호 운용성을 위한 견고한 기반을 제공한다.

단일 요청-응답은 gRPC에서 가장 기본적이고 직관적인 통신 패턴이다. 이 패턴은 전통적인 클라이언트-서버 모델과 유사하게, 클라이언트가 하나의 요청 메시지를 서버로 보내면 서버가 하나의 응답 메시지를 되돌려주는 방식으로 동작한다. REST API의 단일 HTTP 요청-응답 사이클과 개념적으로 동일하지만, 프로토콜 버퍼를 사용한 바이너리 직렬화와 HTTP/2 프로토콜 위에서 동작한다는 점에서 내부 구현은 다르다.

이 패턴은 대부분의 간단한 조회나 명령 실행에 적합하다. 예를 들어, 사용자 정보 조회, 주문 생성, 특정 설정값 가져오기 등의 작업이 여기에 해당한다. .proto 파일에서 이 패턴을 정의할 때는 요청과 응답 메시지 타입을 각각 하나씩 명시하면 된다. 다음은 단일 요청-응답 메서드를 정의한 .proto 파일의 예시이다.

```protobuf

service UserService {

rpc GetUser (GetUserRequest) returns (GetUserResponse);

}

message GetUserRequest {

string user_id = 1;

}

message GetUserResponse {

string user_id = 1;

string name = 2;

string email = 3;

}

```

위 예시에서 GetUser 메서드는 클라이언트가 GetUserRequest 메시지(사용자 ID 포함)를 보내고, 서버는 해당 사용자의 상세 정보가 담긴 GetUserResponse 메시지 하나를 응답으로 반환한다. 이 통신은 동기적으로 완료될 때까지 블로킹되거나, 언어에 따라 비동기 콜백이나 퓨처(Future) 객체를 통해 처리될 수 있다. 단일 요청-응답은 구현이 간단하고 예측 가능한 동작 방식을 가지므로, gRPC를 처음 시작할 때 가장 먼저 접하게 되는 패턴이다.

서버 스트리밍은 gRPC의 네 가지 기본 통신 패턴 중 하나로, 클라이언트가 하나의 요청을 보내면 서버가 일련의 메시지 스트림으로 응답하는 방식이다. 이 패턴은 클라이언트의 단일 요청에 대해 서버가 지속적으로 데이터를 내보내야 하는 시나리오에 적합하다. 클라이언트는 서버가 모든 메시지를 전송하고 상태 코드를 반환할 때까지 스트림을 읽는다.

일반적인 사용 사례는 서버에서 대량의 데이터를 청크 단위로 전송하거나, 실시간으로 갱신되는 정보를 지속적으로 푸시하는 경우이다. 예를 들어, 주식 시세 모니터링, 대규모 로그 파일 전송, 서버 측에서 생성되는 실시간 알림 또는 데이터베이스 쿼리 결과 스트리밍 등이 있다. 서버는 stream 키워드를 사용해 응답 메시지를 스트림으로 정의하며, 클라이언트는 반환된 스트림을 반복 처리하여 각 메시지를 순차적으로 수신한다.

다음은 프로토콜 버퍼를 사용한 서버 스트리밍 서비스 정의의 간단한 예시이다.

```protobuf

service StockService {

rpc GetStockUpdates (StockRequest) returns (stream StockQuote) {}

}

message StockRequest {

string symbol = 1;

}

message StockQuote {

string symbol = 1;

double price = 2;

int64 timestamp = 3;

}

```

이 예에서 GetStockUpdates 메서드는 클라이언트가 특정 주식 심볼을 담은 단일 StockRequest를 보내면, 서버는 해당 주식의 실시간 가격 변동(StockQuote)을 스트림으로 지속적으로 전송한다. 서버 스트리밍은 HTTP/2의 다중화(Multiplexing) 기능을 기반으로 구현되어, 단일 TCP 연결 상에서 여러 스트림이 효율적으로 전송될 수 있다. 이를 통해 네트워크 오버헤드를 줄이면서도 대기 시간이 짧은 실시간 데이터 흐름을 제공한다.

클라이언트 스트리밍은 gRPC의 네 가지 기본 통신 패턴 중 하나이다. 이 패턴에서는 클라이언트가 서버로 일련의 메시지를 스트림으로 전송하고, 서버는 모든 메시지를 수신한 후 단일 응답을 회신한다. 이는 클라이언트가 서버에 지속적으로 데이터를 업로드해야 하는 시나리오에 적합하다.

이 패턴의 작동 방식은 다음과 같다. 클라이언트는 서버에 대한 단일 스트림을 열고, 그 스트림을 통해 여러 개의 프로토콜 버퍼 메시지를 순차적으로 전송한다. 서버는 이 스트림을 읽으면서 클라이언트로부터 도착하는 메시지들을 처리한다. 클라이언트가 모든 메시지 전송을 완료하고 스트림을 닫으면, 서버는 최종적인 단일 응답 메시지를 생성하여 클라이언트에게 보낸다. 이 패턴은 .proto 파일에서 stream 키워드를 클라이언트의 요청 메시지 타입 앞에 표기하여 정의한다.

클라이언트 스트리밍의 대표적인 사용 사례는 대용량 파일 업로드, 실시간 메트릭 데이터 일괄 제출, 또는 여러 번의 사용자 입력을 모아서 한 번에 처리해야 하는 배치 작업 등이다. 예를 들어, 센서 네트워크에서 수집된 수천 개의 데이터 포인트를 지속적으로 중앙 서버에 전송하고, 서버가 전체 데이터셋에 대한 통계 분석 결과 하나를 돌려주는 경우에 유용하게 적용될 수 있다. 이 방식은 각 데이터 조각마다 요청-응답을 반복하는 것보다 네트워크 오버헤드를 줄이고 효율성을 높인다.

양방향 스트리밍(Bidirectional Streaming)은 gRPC가 제공하는 네 가지 통신 패턴 중 가장 복잡하고 유연한 방식이다. 클라이언트와 서버가 독립적인 스트림을 통해 메시지를 자유롭게 주고받을 수 있으며, 두 스트림의 동작은 서로 논리적으로 연관되어 있지만 순서는 보장되지 않는다. 이 패턴은 일반적으로 긴 지속 시간을 가지는 세션에서 양측 모두가 비동기적으로 데이터를 송수신해야 하는 실시간 상호작용에 적합하다.

이 패턴의 전형적인 사용 사례로는 실시간 채팅 애플리케이션, 멀티플레이어 게임의 상태 동기화, 금융 시장의 실시간 주가 피드 구독 및 주문 전송 결합 등이 있다. 클라이언트는 서버에 대한 단일 스트림 연결을 연 후, 요청 메시지를 연속적으로 보낼 수 있다. 동시에 서버는 해당 연결을 통해 응답 메시지를 연속적으로 보낼 수 있다. 양측 모두 메시지를 보내는 시점과 빈도를 자유롭게 결정할 수 있으며, 스트림은 일반적으로 한쪽이 연결을 종료함으로써 닫힌다.

구현 측면에서, .proto 파일에서는 stream 키워드를 메서드의 매개변수와 반환 타입 모두에 지정하여 양방향 스트리밍 메서드를 정의한다. 다음은 간단한 예시이다.

```protobuf

rpc Chat(stream ChatMessage) returns (stream ChatMessage);

```

클라이언트와 서버 측 코드는 각각 자신의 스트림을 읽고 쓰는 로직을 구현한다. 네트워크 계층에서는 단일 HTTP/2 연결이 재사용되며, 다수의 메시지가 프레임으로 분할되어 효율적으로 전송된다. 이는 각 메시지마다 새로운 연결을 설정해야 하는 전통적인 요청-응답 모델에 비해 매우 큰 오버헤드 절감 효과를 가져온다.

gRPC는 공식 gRPC 프로젝트에서 제공하는 공식 언어 바인딩을 통해 다양한 프로그래밍 언어를 지원한다. 각 언어별 구현은 공통된 gRPC 핵심 개념을 따르지만, 언어의 고유한 관용구와 도구 체인에 맞게 통합된다.

주요 언어별 구현 특징은 다음과 같다.

구현 과정은 일반적으로 프로토콜 버퍼 컴파일러(protoc)를 사용하여 .proto 서비스 정의 파일에서 언어별 스텁 코드를 생성하는 것으로 시작한다. 이후 개발자는 생성된 코드를 기반으로 서버의 비즈니스 로직과 클라이언트의 호출 코드를 작성한다. 예를 들어, Java에서는 protobuf-maven-plugin 같은 빌드 도구 플러그인을 사용하여 컴파일을 자동화하는 것이 일반적이다. 반면 Go에서는 protoc-gen-go 및 protoc-gen-go-grpc 플러그인을 설치한 후 go generate 명령을 활용한다.

각 언어의 생태계에 맞는 추가 도구와 확장 기능도 존재한다. Java와 Spring Boot의 경우 grpc-spring-boot-starter 같은 프로젝트를 통해 손쉬운 설정과 의존성 주입이 가능하다. Python의 경우 비동기 서버 구현을 위해 asyncio와 grpc.aio를 함께 사용한다. 언어별 구현의 성숙도와 성능 특성은 상이하므로, 프로젝트의 기술 스택과 요구사항에 맞는 언어를 선택하는 것이 중요하다.

gRPC는 다양한 수준의 인증 메커니즘을 제공하여 통신 보안을 보장한다. 기본적으로 TLS/SSL을 통한 전송 계층 암호화를 지원하며, 이를 통해 데이터의 기밀성과 무결성을 유지한다. gRPC는 크게 SSL/TLS를 사용한 통신 채널 암호화, 인증서 기반 인증, 그리고 토큰 기반 인증(예: JWT)을 주요 보안 수단으로 활용한다.

인증 설정은 크게 두 가지 방식으로 구분된다. 첫째는 채널 수준 인증으로, 클라이언트와 서버 간 연결 자체를 인증한다. 여기에는 SSL/TLS를 통한 서버 인증(및 선택적 클라이언트 인증)이 포함된다. 둘째는 호출 수준 인증으로, 각 개별 RPC 호출에 메타데이터(예: OAuth 2.0 토큰)를 첨부하여 인증을 수행한다. 이는 인터셉터를 사용하여 중앙에서 관리하는 것이 일반적이다.

주요 인증 방식은 다음과 같이 정리할 수 있다.

보안 설정 시 고려해야 할 요소로는 적절한 암호화 스위트 선택, 인증서 관리의 복잡성, 그리고 마이크로서비스 환경에서의 자격 증명 전파 문제가 있다. 또한, gRPC Gateway를 통해 REST 요청을 처리할 경우, 해당 HTTP 엔드포인트에 대한 인증을 별도로 구성해야 한다.

인터셉터는 gRPC 호출의 실행 체인에서 요청과 응답을 가로채어 추가적인 로직을 실행할 수 있는 구성 요소이다. 클라이언트측과 서버측 모두에서 사용되며, 인증/인가 로직 실행, 로깅, 메트릭 수집, 요청/응답 변형, 에러 처리 등의 공통 관심사를 처리하는 데 유용하다. 인터셉터는 호출을 다음 핸들러로 전달하기 전, 후, 또는 에러 발생 시에 동작을 삽입한다.

gRPC는 일반적으로 단일 요청을 처리하는 유니어리 RPC 인터셉터와 스트리밍 RPC를 처리하는 스트리밍 인터셉터를 구분하여 제공한다. 주요 프로그래밍 언어의 구현체는 이러한 인터셉터를 등록하고 체이닝할 수 있는 API를 지원한다. 예를 들어, 서버측에서는 인증 토큰을 검증하는 인터셉터를 먼저 등록한 후, 로깅 인터셉터를 등록하여 모든 유효한 호출에 대한 기록을 남길 수 있다.

보다 복잡한 크로스 커팅 관심사를 처리하기 위해 미들웨어 패턴을 적용할 수 있다. 미들웨어는 여러 개의 인터셉터를 조합하거나, 외부 라이브러리를 활용하여 관점 지향 프로그래밍 스타일로 공통 기능을 모듈화한다. gRPC 생태계에는 오픈텔레메트리 통합, 요청 추적, 속도 제한, 회로 차단기와 같은 고급 기능을 제공하는 서드파티 미들웨어 라이브러리들이 존재한다. 이러한 도구들은 마이크로서비스 환경에서 시스템의 관찰 가능성과 복원력을 높이는 데 기여한다.

HTTP/2는 gRPC의 기본 전송 프로토콜로 채택되어, 기존의 HTTP/1.x 대비 여러 가지 성능상의 이점을 제공한다. 가장 큰 장점은 단일 TCP 연결 내에서 다중 요청과 응답을 병렬로 처리할 수 있는 멀티플렉싱 기능이다. 이를 통해 HTTP/1.1의 헤드-오브-라인 블로킹 문제를 해결하고, 연결 수를 줄여 네트워크 오버헤드와 지연 시간을 크게 감소시킨다.

프로토콜 오버헤드를 줄이기 위한 헤더 압축(HPACK)은 반복되는 메타데이터를 효율적으로 인코딩한다. 특히 gRPC 통신에서 자주 전송되는 동일한 경로나 메서드 이름과 같은 헤더 필드를 압축하여 대역폭 사용량을 최소화한다. 또한 서버 푸시 기능을 통해 클라이언트 요청 없이도 서버가 관련 리소스를 사전에 전송할 수 있어, 특정 사용 사례에서 추가적인 최적화가 가능하다.

이러한 HTTP/2의 특성은 gRPC의 스트리밍 통신 패턴과 특히 잘 조화를 이룬다. 바이너리 프레이밍 계층은 여러 RPC 메시지를 효율적으로 프레이밍하고 전송할 수 있는 기반을 제공하며, 스트림 수준의 흐름 제어는 양방향 스트리밍 중에 리소스 관리를 가능하게 한다. 결과적으로 gRPC는 HTTP/2를 토대로 높은 처리량과 낮은 지연 시간을 가지는 효율적인 통신을 구현한다.

프로토콜 버퍼는 gRPC의 기본 직렬화 형식으로, JSON이나 XML과 같은 텍스트 기반 형식에 비해 뛰어난 효율성을 제공한다. 이는 주로 이진(binary) 형식으로 데이터를 인코딩하기 때문이다. 텍스트 기반 형식은 사람이 읽을 수 있는 문자열을 사용하므로 필드 이름과 구조적 정보가 반복되어 포함되어 데이터 크기가 커지는 경향이 있다. 반면 프로토콜 버퍼는 필드 이름 대신 숫자 식별자(태그)를 사용하고, 데이터를 압축된 이진 형태로 변환하여 전송 데이터의 크기를 크게 줄인다. 이로 인해 네트워크 대역폭 사용량이 감소하고, 직렬화/역직렬화 속도가 향상된다.

효율성은 특히 숫자 데이터의 인코딩 방식에서 두드러진다. 프로토콜 버퍼는 정수형 데이터를 위해 Varint (가변 길이 정수) 인코딩을 사용한다. 이 방식은 작은 숫자는 적은 바이트 수로, 큰 숫자는 더 많은 바이트 수로 표현한다. 예를 들어, 0에서 127 사이의 숫자는 단 1바이트로 인코딩될 수 있다. 이는 항상 고정된 크기(예: JSON에서 숫자 '1'은 문자로 '1' 한 바이트지만, 구조적 문자를 포함하면 전체 메시지 크기가 커짐)를 사용하는 텍스트 형식에 비해 상당한 공간 절약 효과를 낸다.

다양한 데이터 타입에 대한 최적화된 인코딩 규칙도 존재한다. 다음은 주요 인코딩 방식의 예시이다.

또한, 프로토콜 버퍼 메시지는 미리 정의된 .proto 파일 스키마를 기반으로 한다. 클라이언트와 서버는 이 스키마를 공유하므로, 전송되는 데이터에 필드 이름이나 타입 정보 같은 메타데이터를 포함할 필요가 없다. 오직 필드의 숫자 태그와 값 데이터만 전송하면 된다. 이는 네트워크 패킷의 페이로드를 최소화하는 데 결정적으로 기여한다. 결과적으로, gRPC는 프로토콜 버퍼의 이러한 효율적인 직렬화 덕분에 지연 시간이 짧고 처리량이 높은 통신을 가능하게 하며, 모바일 환경이나 데이터 센터 내부의 고성능 마이크로서비스 통신에 매우 적합하다.

gRPC는 HTTP/2를 기반으로 하여 효율적인 통신을 제공하지만, 대규모 분산 시스템에서는 부하 분산과 서비스 디스커버리가 필수적인 요소이다. gRPC는 이러한 운영상의 요구사항을 충족하기 위해 내장된 메커니즘과 외부 시스템과의 통합을 지원한다. 클라이언트는 서버의 위치를 동적으로 찾아내고, 요청을 여러 서버 인스턴스에 고르게 분배하여 가용성과 확장성을 확보한다.

gRPC 클라이언트는 일반적으로 서버의 주소를 직접 지정하는 대신, 서비스 디스커버리 시스템을 통해 목적지를 결정한다. 이는 DNS, etcd, Consul, ZooKeeper와 같은 외부 디스커버리 서비스를 폴링하거나, 쿠버네티스 환경에서는 내부 DNS를 활용하는 방식으로 이루어진다. 클라이언트는 서비스 이름을 확인하고, 사용 가능한 서버 인스턴스의 목록을 얻은 후, 특정 부하 분산 정책에 따라 하나의 인스턴스에 연결을 시도한다.

gRPC의 부하 분산은 크게 두 가지 수준에서 이루어진다. 첫 번째는 연결 수준의 부하 분산으로, 클라이언트가 서비스 디스커버리로부터 받은 주소 목록 중 하나를 선택하여 장기간 지속되는 HTTP/2 연결을 설정한다. 이 연결 내의 모든 RPC 호출은 동일한 서버로 전송된다. 두 번째는 호출 수준의 부하 분산으로, 각 RPC 호출마다 다른 서버를 선택할 수 있도록 설계되어 있다. 후자를 구현하려면 일반적으로 gRPC 라우팅이나 프록시 계층과 같은 추가적인 구성이 필요하다.

gRPC는 언어별로 부하 분산 정책을 설정할 수 있는 API를 제공한다. 일반적인 정책은 다음과 같다.

운영 환경에서는 헬스 체크와 결합된 부하 분산이 중요하다. 서비스 디스커버리 시스템은 정기적으로 서버 인스턴스의 건강 상태를 확인하고, 장애가 발생한 인스턴스를 풀에서 제외하여 클라이언트가 비정상적인 서버로 요청을 보내지 않도록 한다.

gRPC와 REST API는 네트워크 성능과 효율성 측면에서 뚜렷한 차이를 보인다. 이 차이는 근본적으로 사용하는 프로토콜과 데이터 직렬화 방식에서 기인한다.

gRPC는 HTTP/2를 기반으로 하여 단일 TCP 연결 내에서 다중 요청과 응답을 병렬로 처리할 수 있다. 이는 멀티플렉싱을 통해 지연 시간을 줄이고 연결 오버헤드를 최소화한다. 반면, 전통적인 REST API는 주로 HTTP/1.1을 사용하며, 일반적으로 각 요청마다 별도의 연결을 수립해야 하므로 연결 설정 비용이 더 크다. 데이터 직렬화 측면에서 gRPC는 프로토콜 버퍼를 사용하는데, 이는 JSON이나 XML에 비해 이진 형식이기 때문에 메시지 크기가 훨씬 작고 직렬화/역직렬화 속도가 빠르다. 아래 표는 주요 성능 지표를 비교한 것이다.

효율성 차이는 사용 사례에 따라 더 두드러진다. gRPC는 마이크로서비스 간의 내부 통신, 대규모 데이터 배치 처리, 실시간 스트리밍이 필요한 서비스(예: 주식 시세, 게임 상태 업데이트)에 특히 적합하다. 반면, REST API는 공개 API를 제공하거나 브라우저 클라이언트와 직접 통신해야 하는 경우, 그리고 널리 알려진 텍스트 기반 형식이 개발 및 디버깅 용이성 측면에서 더 유리한 상황에서 선호된다. 결론적으로, 높은 처리량과 낮은 지연 시간이 중요한 시스템 내부 통신에는 gRPC가, 범용성과 호환성이 더 중요한 외부 API에는 REST가 각각 더 효율적인 선택이 될 수 있다.

REST API는 자원 지향 아키텍처를 따르며, HTTP 메서드와 상태 코드를 명시적으로 사용한다. 이는 캐싱, 브라우저 호환성, 단순한 CRUD 작업에 적합하며, 공개 API를 설계할 때 널리 채택된다. 반면, gRPC는 프로토콜 버퍼를 사용한 강력한 계약 기반 설계와 HTTP/2의 효율적인 멀티플렉싱을 바탕으로 한다. 이는 내부 서비스 간 통신, 특히 지연 시간이 짧고 대역폭 효율성이 중요한 환경에서 두각을 나타낸다.

다음 표는 주요 사용 사례에 따른 두 기술의 적합성을 비교한다.

결론적으로, 시스템 경계와 요구사항에 따라 선택이 달라진다. 외부와의 상호운용성과 단순함이 핵심이라면 REST API가, 내부 시스템의 성능, 정확한 계약, 고급 통신 패턴이 필요하다면 gRPC가 더 적합한 선택이다. 많은 조직은 두 기술을 공존시키며, 외부 API에는 REST를, 내부 서비스 간에는 gRPC를 사용하는 하이브리드 아키텍처를 구성하기도 한다.

gRPC는 마이크로서비스 아키텍처에서 서비스 간 통신의 표준 프로토콜로 널리 채택된다. 각 서비스가 독립적으로 배포되고 다양한 언어로 작성될 수 있는 환경에서, 프로토콜 버퍼에 의해 정의된 강력한 인터페이스 정의 언어와 다중 언어 코드 생성 기능은 명확한 계약을 제공한다. 이는 서로 다른 팀이 개발하는 서비스 간의 호환성을 보장하는 데 핵심적이다. 또한 HTTP/2를 기반으로 한 gRPC의 효율적인 바이너리 직렬화와 멀티플렉싱은 수많은 마이크로서비스 간의 빈번한 통신에서 지연 시간을 줄이고 처리량을 높인다.

gRPC의 다양한 통신 패턴은 마이크로서비스의 복잡한 상호작용을 잘 지원한다. 단순한 요청-응답(Unary RPC)부터 서버나 클라이언트의 스트리밍, 양방향 스트리밍에 이르기까지, 데이터 동기화, 이벤트 알림, 실시간 대시보드 업데이트 등 다양한 시나리오에 적용할 수 있다. 특히 양방향 스트리밍은 게임 서버나 금융 시장 데이터 피드와 같이 지속적이고 상호적인 데이터 흐름이 필요한 경우에 유용하다.

마이크로서비스 환경에서의 운영적 요구사항도 gRPC를 통해 해결된다. 내장된 인터셉터 메커니즘을 이용하면 로깅, 모니터링, 인증, 회로 차단기 패턴 구현과 같은 횡단 관심사를 모든 서비스 호출에 일관되게 적용할 수 있다. 또한 gRPC는 일반적으로 서비스 디스커버리 및 부하 분산과 같은 인프라 구성 요소와의 통합을 지원하여, 동적으로 변화하는 서비스 인스턴스 집합에서의 효율적인 통신을 가능하게 한다.

gRPC는 모바일 애플리케이션과 백엔드 서버 간의 통신에 특히 적합한 기술이다. 네트워크 환경이 불안정하고 대역폭이 제한될 수 있는 모바일 시나리오에서, 프로토콜 버퍼를 통한 이진 직렬화는 JSON보다 훨씬 작은 메시지 크기를 보장하여 데이터 사용량을 줄이고 전송 속도를 높인다. 또한 HTTP/2를 기반으로 하여 단일 TCP 연결을 통해 다중 요청을 처리할 수 있어, 연결 수립 오버헤드를 최소화하고 배터리 수명을 보존하는 데 기여한다.

gRPC의 다양한 통신 패턴은 모바일 앱의 다양한 요구사항을 충족시킨다. 예를 들어, 사용자 로그인이나 단순한 데이터 조회에는 단일 요청-응답 (Unary RPC) 패턴이 사용된다. 반면, 서버에서 실시간으로 지속적으로 푸시해야 하는 주식 시세, 위치 기반 알림, 실시간 채팅 메시지 등의 데이터는 서버 스트리밍 패턴을 통해 효율적으로 전송할 수 있다. 클라이언트에서 대량의 로그나 센서 데이터를 일괄 업로드할 때는 클라이언트 스트리밍이 유용하다.

또한, gRPC는 강력한 타입 시스템과 인터페이스 계약을 제공한다. .proto 파일에 서비스와 메시지를 명확히 정의함으로써, 모바일 클라이언트(예: Android의 Kotlin, iOS의 Swift)와 백엔드 서버 간의 API 호환성을 컴파일 타임에 보장할 수 있다. 이는 버전 관리 문제를 줄이고, 여러 플랫폼(Android, iOS)에서 일관된 클라이언트 SDK를 생성 및 유지하는 데 큰 장점이 된다.

gRPC의 양방향 스트리밍 통신 패턴은 지속적이고 실시간으로 데이터를 교환해야 하는 애플리케이션에 적합하다. 서버와 클라이언트가 독립적인 스트림을 통해 비동기적으로 메시지를 주고받을 수 있어, 실시간 통신을 구현하는 핵심 메커니즘으로 작동한다. 이 방식은 HTTP/2의 멀티플렉싱 기능을 기반으로 하여 단일 TCP 연결 안에서 여러 논리적 스트림을 동시에 처리할 수 있다.

주요 적용 분야는 주식 시세 전송, 실시간 위치 추적, 협업 편집 도구, 다중 참여자 채팅 시스템, IoT 센서 데이터 수집 등이다. 예를 들어, 주식 거래 애플리케이션에서는 클라이언트가 특정 종목을 구독하는 요청을 스트림으로 보내면, 서버는 해당 종목의 가격 변동을 실시간으로 지속적으로 클라이언트에 푸시할 수 있다. 프로토콜 버퍼를 사용한 이진 직렬화는 이러한 빈번한 메시지 교환에서 대역폭 사용량과 지연 시간을 크게 줄이는 이점을 제공한다.

구현 시 고려할 점은 연결 상태 관리, 흐름 제어, 에러 복구 메커니즘 등이다. gRPC는 연결이 끊어졌을 때 자동으로 재연결을 시도하는 기능을 제공하며, 데드라인이나 타임아웃을 설정하여 시스템 자원을 보호할 수 있다. 아래 표는 실시간 데이터 스트리밍의 일반적인 특성을 요약한 것이다.

이러한 특성으로 인해 gRPC 기반 실시간 스트리밍은 마이크로서비스 간의 내부 통신이나 클라이언트에게 실시간 업데이트를 전달해야 하는 백엔드 서비스에 널리 채택된다. 전통적인 폴링 방식이나 웹소켓에 비해 더 엄격한 서비스 계약과 높은 효율성을 제공한다.

gRPC Gateway는 gRPC 서비스를 RESTful API로 노출시키는 역방향 프록시 서버이다. 이 도구는 .proto 파일에 정의된 gRPC 서비스를 분석하여, 해당 서비스에 대응하는 REST 엔드포인트를 자동으로 생성한다. 이를 통해 클라이언트는 표준 HTTP/1.1과 JSON을 사용하여 gRPC 서버와 통신할 수 있다. gRPC Gateway는 내부적으로 HTTP/2와 프로토콜 버퍼를 사용하는 gRPC 서비스와 외부의 HTTP/1.1 및 JSON 요청 사이의 변환 계층 역할을 한다.

gRPC Gateway의 동작 방식은 Google API HTTP 어노테이션에 크게 의존한다. 개발자는 .proto 파일의 서비스 메서드 정의에 특수한 어노테이션을 추가하여, 해당 메서드가 어떤 HTTP 메서드 (GET, POST, PUT, DELETE 등)와 어떤 URL 경로로 매핑되어야 하는지를 명시한다. gRPC Gateway의 코드 생성기는 이 어노테이션 정보를 읽고, 들어오는 REST 요청을 적절한 gRPC 클라이언트 호출로 변환하는 프록시 서버 코드를 생성한다. 생성된 서버는 들어온 JSON 데이터를 Protobuf 메시지로 역직렬화하고, gRPC 서버로 전달한 후, 다시 응답을 JSON으로 변환하여 클라이언트에게 반환한다.

주요 사용 사례와 이점은 다음과 같다.

gRPC Gateway를 설정하려면 먼저 .proto 파일에 HTTP 어노테이션을 정의하고, protoc 컴파일러와 gRPC Gateway 플러그인을 사용하여 프록시 서버 코드를 생성해야 한다. 생성된 코드는 독립 실행형 서버로 운영하거나, 기존 Go 애플리케이션에 임베드하여 실행할 수 있다. 이 도구는 주로 Go 언어로 구현되어 있지만, 생성된 프록시 서버는 어떤 언어로 작성된 gRPC 서버와도 통신이 가능하다[9].

gRPC 서비스의 운영과 문제 해결을 지원하는 다양한 모니터링 및 디버깅 도구가 생태계 내에 존재한다. 이들 도구는 HTTP/2 기반의 바이너리 프로토콜 특성상 가시성이 낮은 gRPC 트래픽을 관찰하고, 성능 지표를 수집하며, 문제를 진단하는 데 필수적이다.

주요 모니터링 도구로는 프로메테우스(Prometheus)와 그라파나(Grafana)의 조합이 널리 사용된다. gRPC 서버와 클라이언트는 언어별 라이브러리(예: Java의 grpc-prometheus)를 통해 기본 메트릭(예: RPC 호출 수, 지연 시간, 에러율)을 노출시킬 수 있다. 이러한 메트릭을 프로메테우스가 수집하고, 그라파나 대시보드를 통해 시각화하여 서비스 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 또한, 분산 추적(Distributed Tracing) 시스템인 Jaeger나 Zipkin을 통합하면, 마이크로서비스 환경에서의 개별 gRPC 호출 경로와 지연 시간을 추적하여 병목 지점을 식별하는 데 도움이 된다.

디버깅을 위해서는 네트워크 트래픽을 검사하는 도구가 중요하다. grpcurl은 cURL과 유사하게 명령줄에서 gRPC 서버를 호출하고 테스트할 수 있는 도구이다. 서버 리플렉션(Reflection)이 활성화된 경우, 서비스 정의를 조회하고 메서드를 직접 호출해볼 수 있다. 또한, Wireshark와 같은 패킷 분석기는 gRPC-over-HTTP/2 트래픽을 디코딩할 수 있다. 특정 디코더(예: grpc 디스섹터)를 사용하면 암호화되지 않은 트래픽의 메서드 경로, 메시지 길이, 상태 코드 등을 확인할 수 있어 복잡한 통신 문제를 저수준에서 분석하는 데 유용하다.