Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석 및 대응

AI 생성 이미지: Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석

사건 개요 — CPU 급증 증상과 서비스 영향

운영 모니터링에서 오전 09:12경 Nginx 워커 프로세스의 CPU 사용률이 급격히 상승했고, 약 20분간 고부하 상태가 이어졌습니다. 조사 결과 TLS 세션 재협상이 평소보다 빈번해지며 핸드셰이크 처리 비용이 CPU 포화를 유발한 것으로 확인됐습니다. 이번 사례는 Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석에서 설명한 전형적인 패턴과 일치합니다.

영향은 외부 HTTPS 트래픽을 처리하는 웹 프론트엔드와 API 게이트웨이에서 주로 관찰되었습니다. 결과적으로 응답 지연과 간헐적 5xx 오류가 증가해 사용자 경험이 저하됐고, 오토스케일링으로 인스턴스가 추가 기동되면서 운영 비용도 함께 늘었습니다. 실무 체크리스트: 핸드셰이크 초당 발생량, 세션 재사용률, 워커별 CPU 사용률, 오토스케일 임계값을 우선 점검하세요.

• 발생 시점·지속: 09:12 탐지, 지속 약 20분
• 영향 대상: 외부 HTTPS를 처리하는 웹·API 서비스 — TLS 핸드셰이크 비중 증가
• 사용자·비용 영향: 응답 지연 및 간헐적 5xx 증가; 오토스케일로 비용 상승

배경 — TLS 재협상 개요 및 Nginx에서의 동작

TLS 재협상(renegotiation)은 이미 성립된 TLS 연결에서 새로운 핸드셰이크를 시작해 암호 스위트 변경, 키 갱신 또는 클라이언트 인증을 다시 요구하는 메커니즘입니다. 전체 핸드셰이크에는 공개키 연산이 포함되므로 CPU 부담이 큽니다. 재협상은 서버나 클라이언트 쪽에서 트리거될 수 있고, 악의적으로 반복되면 CPU 사용량이 급격히 상승합니다. 실무 체크리스트: 초당 핸드셰이크 수와 인증 실패율을 모니터링해 이상 징후를 조기에 감지하고, 필요 시 세션 재사용 설정·세션 티켓 또는 핸드셰이크 rate-limit을 적용하세요. 참고로 Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석에서는 이러한 모니터링과 재사용 설정이 핵심 대응책으로 자주 등장합니다.

• 세션 재사용: ssl_session_cache와 ssl_session_timeout을 활성화하면 세션ID를 캐싱해 전체 핸드셰이크 빈도를 줄일 수 있으므로 CPU 비용을 낮출 수 있습니다.
• 세션 티켓: ssl_session_tickets를 사용한 티켓 기반 재사용은 서버 상태를 최소화하면서도 재협상 부담을 완화하는 효과가 있습니다.
• Nginx 특성: TLS 처리는 OpenSSL에 위임되며 동작은 Nginx 버전과 OpenSSL 빌드 옵션에 따라 달라집니다. 일부 버전에서는 클라이언트 주도의 재협상 제한이나 상세 로그, 핸드셰이크 rate-limit 같은 대응을 함께 적용해야 합니다.

실제 사례 환경 — 구성·버전·트래픽 패턴 정리

• 서버: 프론트엔드 4대(각 8 vCPU, 16GB RAM), VM으로 운영(RHEL/CentOS 7.9), 커널 3.10 계열
• 라이브러리/실행파일: OpenSSL 1.0.2k-fips, Nginx 1.14.2 — 패키지 빌드 시 OpenSSL과 연동되어 있음
• 주요 Nginx SSL 관련 설정(요약): ssl_protocols TLSv1.2; ssl_session_cache shared:SSL:10m; ssl_session_timeout 10m; ssl_prefer_server_ciphers on;
• 트래픽·커넥션 프로파일:
  • 평상시 동시 연결: 10k–20k. 정상 TLS 핸드셰이크는 초당 30–60건.
  • 문제 발생 시 피크 핸드셰이크: 800–1,200 req/s. 짧은 시간 동안 모바일 기기나 프록시의 재접속으로 재협상 요청이 급증함.
  • 대부분 HTTP/1.1 keepalive를 사용하며 타임아웃은 65s. 짧은 연결이 잦아 재연결 빈도가 높아지고, 이로 인해 CPU 부하가 촉발된다.
• 관찰 포인트: ssl_session_cache 설정, 클라이언트의 재협상 요청 비율, 그리고 OpenSSL 버전에서의 세션 재사용 방식이 CPU 사용률에 직접적인 영향을 미침. 이번 사례는 Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석의 전형적인 예다. 실무 체크리스트(예): ssl_session_cache 용량·타입 확인, OpenSSL 패치 적용 여부 점검, 클라이언트 재접속 패턴 모니터링.

원인 분석 — 재협상 빈도와 CPU 사용의 상관관계 규명

Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석에서, Prometheus 시계열은 재협상 빈도가 분당 약 10건에서 100건으로 늘어날 때 워커 프로세스의 CPU 사용률이 약 2.5배로 상승하는 경향을 보였습니다. 핸드셰이크가 응답 지연의 상위 구간을 차지했고, 트래픽 대비 TLS 연산 비중이 커지면서 지연과 CPU 사용량이 함께 악화되었습니다.

핵심 증거

• pcap: 동일 클라이언트에서 반복되는 ClientHello/ServerHello 확인 — 세션 티켓 미발급 또는 세션 재사용 실패 관찰
• 프로파일링(Flamegraph): OpenSSL 키교환(ECDHE/RSA)과 난수 생성 루틴이 주요 CPU 소비 항목으로 집계됨
• 설정·행위 트리거: 클라이언트의 짧은 세션 TTL, 로드밸런서의 연결 재설정, 애플리케이션에서의 강제 재협상 호출

우선 대응책으로는 세션 티켓·세션 캐시 활성화, ssl_session_timeout 연장, 서버 측 재협상 제약 적용을 권합니다. 가능하면 TLS 1.3로 전환해 0-RTT 활용을 검토하고, 하드웨어 암호화 가속 도입도 고려하세요. 모든 방안은 적용 전에 부작용(세션 복구 정책 영향, 0-RTT의 재전송 위험 등)을 검증해 결정해야 합니다. 실무 체크리스트 예: (1) 세션 티켓/캐시 설정과 만료 시간 확인, (2) 재현 가능한 트래픽으로 재협상 빈도 측정, (3) TLS1.3 전환 시 클라이언트 호환성 테스트 실행.

대응 및 해결 조치 — 단기 완화와 근본 해결책

단기적으로는 재협상 빈도를 줄이고 세션 재사용을 활성화해 CPU 부담을 빠르게 완화합니다. 근본 해결은 클라이언트·로드밸런서 정책 수정, OpenSSL 및 Nginx 패치 적용, 그리고 안전한 재배포 전략으로 진행해야 합니다. 아래 권장사항은 Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석을 바탕으로 정리했습니다.

• 설정: ssl_session_cache 활성화(예: shared:SSL:10m), ssl_session_timeout 단축; 필요 시 ssl_session_tickets 활성화 및 키 로테이션 검토
• 로드밸런서/클라이언트: TLS 종료를 로드밸런서에서 수행하거나 세션 고정(session affinity) 및 세션 재사용을 허용합니다. 클라이언트에는 세션 재개를 우선하도록 설정할 것을 권장합니다
• 패치 및 재배포: OpenSSL 및 Nginx 보안 패치를 적용합니다. 스테이징 → 카나리 → 롤링 순으로 점진 적용하고 nginx의 graceful reload로 서비스 중단을 최소화하세요
• 검증: CPU와 TLS 핸드셰이크 관련 메트릭을 지속적으로 모니터링하고, 재협상 발생 로그를 필터링해 원인별로 집계합니다. 간단한 체크리스트 — 피크 시간대 핸드셰이크 비율 확인, 세션 재개 성공률 점검, 클라이언트별 재협상 빈도 분석. 그 결과에 따라 정책을 미세조정합니다

교훈과 예방책 — 운영 가이드라인과 모니터링 설계

• 감시 지표·알람
  • 호스트 및 nginx worker의 CPU 사용률, TLS handshake/sec, 동시에 발생하는 TLS 재협상 수
  • 응답 지연(p99), SSL 오류(핸드셰이크 실패), connection reset/sec
  • 알람 예: TLS handshake/sec가 급증하거나 worker CPU가 5분 이상 80%를 초과하면 Pager로 통보
• 성능 테스트
  • 재현 가능한 부하 스크립트를 사용해 TLS 핸드셰이크 비중을 높인 부하 테스트를 수행
  • 측정 지표: worker CPU, context switches, accept queue 길이, latency P95/P99
  • 테스트는 점증식(soak) 방식으로 진행하여 메모리/파일 디스크립터 누수와 재협상 관련 안정성을 확인
• 구성 검증 체크리스트 및 권장 설정
  • nginx: ssl_session_cache shared:SSL:10m, ssl_session_timeout 10m로 세션 재사용 활성화
  • 불필요한 ssl_renegotiation 허용 금지 — 특정 모듈 설정을 반드시 확인
  • worker_processes는 CPU 코어 수 기반으로 설정하고, worker_connections의 적정값을 검증
  • 구성 변경 전후 확인 항목: 재협상 정책, 세션 캐시, 로그 레벨, 비상 롤백 절차 — 예: Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석을 바탕으로 세션 캐시와 롤백 절차를 점검

경험에서 배운 점

현업에서 자주 보는 원인은 TLS 재협상이 빈번하게 발생해 워커 프로세스가 풀 TLS 핸드셰이크(암호화 연산)를 반복 수행하면서 CPU 사용률이 급증하는 경우입니다. 이전 사례(Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석)에서도 비슷한 문제가 확인되었습니다. 주된 실수는 세션 재사용(session cache/tickets)이나 세션 타임아웃을 적절히 설정하지 않아 재접속마다 새 핸드셰이크가 발생하도록 둔 점, 로드밸런서·헬스체크·프록시가 연결을 끊어 클라이언트가 재협상을 유발한 점, 그리고 핸드셰이크 비율(SSL accept/handshake)을 모니터링하지 않아 문제 발생 후에야 원인을 찾은 점입니다. 진단이 늦어지면 워커 수를 늘리거나 CPU를 확장하는 임시 비용만 발생하고 근본 원인은 남습니다. 재발 방지를 위한 실무 체크리스트: TLS 세션 재사용(ssl_session_cache / ssl_session_tickets)과 적절한 ssl_session_timeout을 설정하고 최신 프로토콜(TLS1.2/1.3) 및 안전한 암호 목록을 적용해 불필요한 핸드셰이크를 줄입니다; 핸드셰이크 비율과 워커별 CPU 사용률을 계측(nginx stub_status, Prometheus exporter 등)해 정상치 대비 이상 징후(예: ssl_handshakes/sec 대비 CPU)를 알림으로 설정합니다; 로드밸런서·헬스체크를 HTTP(S) 레벨로 전환하거나 연결 재사용을 보장해 주기적 TLS 재설정을 방지합니다; 클라이언트 재협상 제어나 핸드셰이크 빈도 제한(limit_req/limit_conn, WAF/네트워크 ACL)으로 악성·오류성 트래픽을 차단합니다; 변경은 스테이징에서 핸드셰이크와 CPU 비율을 측정해 검증하고, 필요 시 TLS 오프로드(하드웨어 또는 전용 프록시) 도입을 고려하세요; 재현 테스트로 OpenSSL s_client나 병렬 연결 스크립트를 사용해 동시 핸드셰이크 상황에서 CPU와 핸드셰이크 비율을 직접 확인해 보십시오.

AI 생성 이미지: Nginx TLS 재협상으로 인한 CPU 급증 사례 분석

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