[Network] NAT(Network Address Translation)

NAT(Network Address Translation)

NAT(Network Address Translation)는 이름 그대로 네트워크 주소를 변환하는 기술 입니다.

즉, IP 주소를 다른 IP 주소로 변환해 라우팅을 원활히 해주는 기술 입니다.

 

NAT는 기본적으로 하나의 네트워크 주소에 다른 하나의 네트워크 주소로 변환하는 1:1 변환이 기본이나 IP 주소의 고갈 문제를 해결하기 위해 여러 개의 IP를 하나의 IP로 변환하기도 합니다.

위와 같이 여러 개의 IP를 하나의 IP로 변환하는 기술도 NAT 기술 중 하나이고, NAT로 통칭하여 부르지만 실제 공식 용어는 NAPT(Network Address Port Translation)라고 하는데요, 실제로는 PAT(Port Address Translation)라는 용어로 많이 사용되기에 앞으로 PAT라고 부르도록 하겠습니다.

• NAT(Network Address Translation) : IP 주소를 다른 IP 주소로 변환해 라우팅을 원활히 해주는 기술
• NAPT, PAT(Port Address Translation) : 여러 IP를 하나의 IP로 변환하는 기술

이번 포스팅에서는 NAT와 PAT가 어떠한 기술이고, 어떻게 동작하는지, 왜 필요하는지 등에 대해 살펴보겠습니다.

 

 

 

📎  NAT/PAT의 용도와 필요성

NAT와 PAT는 다음과 같은 문제로 인하여 다양하게 사용되고 있습니다.

 

첫째, IPv4 주소의 고갈문제

• 인터넷 대중화로 인해 폭증한 IP 주소의 고갈 문제를 해결하기 위해 단기, 중기, 장기의 3단계 IP주소 보존과 전환전략을 수립하였는데요, 단기 전략은 서브넷팅, 중기 전략은 NAT와 사설 IP 체계, 장기 전략은 IPv6로의 전환입니다.
• 중기 전략에 해당하는 NAT를 이용하여 외부에 공개해야 하는 서비스에 대해서는 공인 IP를 사용하고, 외부에 공개할 필요가 없는 일반 사용자의 PC나 기타 종단 장비에 대해서는 사설 IP를 사용해 반드시 필요한 곳에만 효율적으로 IP를 사용할 수 있게 되었습니다.

 

둘째, 보안 강화

• IP 주소는 네트워크에서 유일해야 하고, 이 정보가 식별자로 사용되어 외부와 통신하게 됩니다. 이 때 외부와 통신할 때 내부 IP를 다른 IP로 변환해 통신하면 외부에 사내 IP 주소 체계를 노출하지 않아도 됩니다.
• NAT는 주소 변환 후 역변환이 정상적으로 수행되어야 통신이 가능하기에, 이 성질을 이용하여 방향성을 통제할 수 있습니다.

 

셋째, IP 주소 체계가 동일한 두 개의 네트워크 간 통신 허용

• IP 네트워크에서 서로 통신하려면 식별 가능한 유일한 IP 주소가 존재해야 하는데요, 공인 IP는 인터넷에서 유일한 주소로 IP 주소가 중복될 수 없지만, 사설 IP는 외부와 통신할 때 공인 IP로 변환되어 통신되므로 서로 다른 회사에서 중복해 사용할 수 있습니다.

위와 같은 여러 장점이 있지만, 대부분의 기술들이 그러하듯 단점 또한 존재하는데요, NAT로 인해 주소가 변환되면서 개발자들이 애플리케이션을 개발할 때 NAT환경을 항상 고려해야 하는 상황이 되었기에 조금 더 복잡해지는 문제가 발생하는 듯 합니다.

 

 

 

📎  NAT 동작 방식

NAT의 동작 방식을 이해하기 위해 출발지 사용자(10.10.10.10)가 목적지의 웹 서버(20.20.20.20)로 통신하는 과정을 살펴보겠습니다.

1. 사용자는 웹 서버에 접근하기 위해 출발지 IP를 10.10.10.10으로, 목적지 IP와 서비스의 포트는 20.20.20.20과 80으로 패킷을 전송합니다. 출발지 서비스의 포트는 임의로 할당이 되는데 여기서는 2000번 포트로 가정하겠습니다. 😃
2. NAT 역할을 수행하는 장비에서 사용자가 보낸 패킷을 수신한 후 외부 네트워크와 통신이 가능한 공인 IP인 11.11.11.11로 IP 주소를 변경합니다. NAT는 주소 변환후 역변환이 가능해야 하기에 변경 전후의 IP 주소는 NAT 테이블에 저장됩니다.
3. NAT 장비에서는 출발지 주소를 10.10.10.10 -> 11.11.11.11로 변경해 목적지 웹 서버로 전송합니다.
4. 패킷을 수신한 웹 서버는 사용자에게 응답을 보내는데요, 응답은 수신한 내용과 반대로 출발지는 20.20.20.20가 되고, 목적지는 NAT 장비에 의해 변환된 공인 IP인 11.11.11.11로 전송합니다.
5. 웹 서버로부터 응답 패킷을 수신한 NAT 장비는 NAT 테이블에서 목적지 IP(11.11.11.11)에 해당하는 원래 패킷을 발생시킨 출발지 IP 주소(10.10.10.10)을 확인합니다.
6. NAT 변환 테이블에서 확인된 초기의 패킷 출발지 IP(10.10.10.10)로 변경해 사용자에게 전송하면 사용자는 최종적으로 패킷을 수신하여 통신이 됩니다.

 

추가적으로, 여러 IP를 하나의 IP로 변환하는 기술인 PAT의 동작 방식도 NAT와 거의 동일하게 진행되나 PAT의 경우 IP 주소뿐만 아니라 서비스 포트까지 함께 변경해 NAT 테이블을 관리하므로 하나의 IP만으로도 다양한 포트 번호를 사용해 사용자를 구분할 수 있습니다.

 

IP 주소 변환이 1:1 체계인 NAT의 경우 내부, 외부 양방향으로의 통신이 가능한 반면에, 1:N 체계의 PAT의 경우 외부에서 내부로 들어오는 경우 해당 IP가 어느 IP에 바인딩되는지 확인할 수 없으므로(포트번호만 다르게 관리되기에) 사용할 수 없습니다.

 

 

 

📎  참고 문서

• IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문