Quantum-Enhanced API Gateway 구축: MCP Secure Gateway

Source: Dev.to

소개

API Days Paris 2025에서 모델 컨텍스트 프로토콜(MCP), 양자‑강화 보안, 그리고 API 신뢰성이 주요 주제로 다뤄졌습니다. 이러한 아이디어를 실제 환경에 적용해 보기 위해 MCP Secure Gateway라는 프로덕션‑레디 API 게이트웨이를 만들었습니다. 이 게이트웨이는 다음을 보여줍니다:

• 암호학적으로 안전한 토큰을 위한 양자 난수 생성(QRNG)
• AI‑에이전트 상호작용을 위한 MCP 구현
• 엔터프라이즈급 인증, 속도 제한, 모니터링
• 계약 테스트를 통한 API 드리프트 감지

게이트웨이는 FastAPI로 구축되었으며, 레퍼런스 구현이자 학습 자료로 활용될 수 있습니다.

양자 난수 생성(QRNG)

전통적인 난수 생성기는 결정적이며, 동일한 시드를 주면 동일한 시퀀스를 생성합니다. 이는 JWT ID와 같은 암호화 작업에 취약점이 될 수 있습니다. 양자 RNG는 진공 요동 등 양자 현상을 이용해 진정한 무작위성을 제공합니다.

QRNG 제공자

QRNG 서비스 (Python)

# qrng_service.py
import secrets
from enum import Enum
from typing import Any

class QRNGProvider(Enum):
    ANU = "anu"
    QUANTINUUM = "quantinuum"
    IDQ = "idq"

class QRNGService:
    def __init__(self, provider: QRNGProvider):
        self.current_provider = provider

    async def get_random_bytes(self, length: int = 32) -> bytes:
        """Get cryptographically secure random bytes."""
        try:
            if self.current_provider == QRNGProvider.ANU:
                return await self._get_anu_bytes(length)
            elif self.current_provider == QRNGProvider.QUANTINUUM:
                return await self._get_quantinuum_bytes(length)
            elif self.current_provider == QRNGProvider.IDQ:
                return await self._get_idq_bytes(length)
        except Exception as e:
            # Graceful fallback to classical cryptography
            if settings.QRNG_FALLBACK_ENABLED:
                return secrets.token_bytes(length)
            raise

설계 노트: secrets.token_bytes() 로 자동 폴백하면 양자 제공자가 사용 불가능할 때도 시스템이 정상 작동합니다. 보안은 급격히 저하되지 않고 점진적으로 감소합니다.

양자 ID를 활용한 JWT 토큰 생성

각 JWT는 양자 난수에서 생성된 고유 jti(JWT Token ID)를 갖습니다. 이를 통해 토큰 예측 및 충돌 공격이 기하급수적으로 어려워집니다.

# auth.py
import jwt
import time
from datetime import datetime, timedelta

class AuthService:
    def __init__(self, private_key: str, algorithm: str = "RS256"):
        self.private_key = private_key
        self.algorithm = algorithm

    async def create_token(self, user_id: str, token_type: str = "access") -> str:
        # Generate quantum‑backed JWT ID
        jti = await qrng_service.get_random_bytes(16).hex()

        now = datetime.utcnow()
        expire = now + timedelta(hours=1)

        payload = {
            "sub": user_id,
            "jti": jti,
            "exp": expire,
            "iat": now,
            "type": token_type,
        }

        return jwt.encode(payload, self.private_key, algorithm=self.algorithm)

모델 컨텍스트 프로토콜(MCP) 구현

MCP는 AI‑에이전트 통신의 표준으로 부상하고 있습니다. 게이트웨이는 도구 탐색 및 실행을 위한 핵심 MCP 패턴을 제공합니다.

# mcp_routes.py
from fastapi import APIRouter
from pydantic import BaseModel
from typing import Dict, Any

router = APIRouter()

class MCPToolCall(BaseModel):
    tool: str
    arguments: Dict[str, Any]

class MCPResponse(BaseModel):
    success: bool
    result: Dict[str, Any]

@router.get("/mcp/tools")
async def list_tools():
    """List available MCP tools."""
    return [
        {
            "name": "get_weather",
            "description": "Get current weather for a location",
            "parameters": {
                "type": "object",
                "properties": {"location": {"type": "string"}},
            },
        },
        # ... more tools
    ]

@router.post("/mcp/execute")
async def execute_tool(tool_call: MCPToolCall):
    """Execute an MCP tool."""
    if tool_call.tool == "get_weather":
        return MCPResponse(
            success=True,
            result={
                "location": tool_call.arguments["location"],
                "temperature": 22,
                "condition": "Sunny",
            },
        )
    # Add handling for additional tools here

요청 상관관계 ID 미들웨어

모든 요청에 상관관계 ID가 부여되어 엔드‑투‑엔드 추적이 가능합니다.

# middleware.py
import time
from fastapi import Request, FastAPI
import logging

logger = logging.getLogger("gateway")

app = FastAPI()

@app.middleware("http")
async def log_requests(request: Request, call_next):
    correlation_id = request.headers.get(
        "X-Correlation-ID", f"req-{int(time.time() * 1000)}"
    )
    logger.info(
        "request_started",
        extra={"method": request.method, "path": request.url.path, "correlation_id": correlation_id},
    )
    response = await call_next(request)
    response.headers["X-Correlation-ID"] = correlation_id
    return response

상태 확인 엔드포인트

Kubernetes‑용 liveness와 readiness 프로브가 서비스 상태와 기능 상태를 노출합니다.

# health.py
from fastapi import APIRouter

router = APIRouter()

@router.get("/health")
async def health_check():
    return {
        "status": "healthy",
        "version": "1.0.0",
        "qrng": qrng_service.get_provider_status(),
        "features": {
            "quantum_auth": True,
            "mcp_streaming": True,
            "rate_limiting": True,
        },
    }

관측성 스택

간단한 Docker Compose 설정으로 게이트웨이, Redis, Prometheus, Grafana를 제공합니다.

# docker-compose.yml
services:
  gateway:
    build: .
    ports:
      - "8000:8000"
    depends_on:
      - redis
      - prometheus

  redis:
    image: redis:7-alpine

  prometheus:
    image: prom/prometheus

  grafana:
    image: grafana/grafana

주요 인사이트 및 아키텍처 결정

1. 단순함을 우선 – 명확한 책임 분리를 갖춘 FastAPI 구조는 코드베이스를 이해하고 확장하기 쉽게 합니다.
2. MCP는 좋은 API 설계를 대체하지 않음 – 게이트웨이는 RESTful 엔드포인트, 일관된 오류 처리, 적절한 HTTP 상태 코드, 포괄적인 문서를 강조합니다.
3. 계약 테스트가 드리프트를 방지 – 테스트를 통해 공개 계약(예: 인증 응답)이 변하지 않음을 검증합니다.

계약 테스트 예시

# tests/test_auth_contract.py
def test_auth_endpoint_contract(client):
    """Ensure auth endpoint maintains contract."""
    response = client.post(
        "/auth/login",
        json={"username": "demo", "password": "demo123"},
    )
    assert response.status_code == 200
    data = response.json()
    assert "access_token" in data
    assert "refresh_token" in data
    assert "token_type" in data
    assert data["token_type"] == "bearer"

시작하기

# Clone the repository
git clone https://github.com/YOUR_USERNAME/mcp-secure-gateway.git
cd mcp-secure-gateway

# Set up a virtual environment
python -m venv venv
source venv/bin/activate

# Install dependencies
pip install -r requirements.txt

# Configure environment variables
cp .env.example .env

# Run with Docker
docker-compose up -d

# Or run locally
uvicorn app.main:app --reload

인터랙티브 API 문서는 <주소>에서 확인할 수 있습니다.

테스트 실행

# All tests
pytest

# With coverage report
pytest --cov=app --cov-report=html

# Contract tests only
pytest tests/contract/ -v

현재 테스트 커버리지는 **95 %**를 초과합니다.

향후 작업

• Redis 기반 토큰‑버킷 알고리즘을 이용한 속도 제한
• Redis에 저장되는 JWT 블랙리스트(토큰 폐기 목록)
• 다중 테넌트 API 키 관리
• 추가 MCP 도구(파일 작업, 데이터베이스 쿼리)
• 깊이 있는 관측성을 위한 사전 구성 Grafana 대시보드

참고 자료

• GitHub Repository
• MCP Specification
• ANU Quantum RNG
• API Days Paris 2025

파리에서 ❤️ 로 제작했으며, API Days 2025에서 영감을 받았습니다.