nat, port forwarding

문제

“네이버의 IP (예: 200.123.10.3)와 해외의 IP (예: 10.29.224.23)가 어떻게 먼 거리에서도 통신할 수 있는지, 상세하게 순서대로 설명하시오.”

답변

IP 주소를 기반으로 서로 먼 거리에 있는 두 장치가 통신할 수 있는 과정은 인터넷의 구조와 프로토콜에 의해 이루어집니다. 이는 TCP/IP 프로토콜 스택과 라우팅 시스템을 활용하며, 아래와 같이 단계적으로 정리할 수 있습니다.

1. 데이터 준비 (Application Layer)

   1. 네이버 서버에서 사용자 요청에 대한 데이터를 생성합니다.
   2. 데이터를 HTTP/HTTPS 프로토콜을 통해 전달할 준비를 합니다.
      • HTTP는 애플리케이션 계층의 프로토콜이며, 사용자가 보낸 요청을 처리하고 응답 데이터를 준비합니다.

2. 데이터 캡슐화 및 세그먼트화 (Transport Layer)

   1. 생성된 데이터를 TCP (Transmission Control Protocol)에 의해 세그먼트(segment)로 나눕니다.
      • TCP는 데이터의 신뢰성을 보장하고, 흐름 제어 및 오류 검출 기능을 제공합니다.
   2. TCP 헤더에 발신지 포트와 수신지 포트 번호를 포함하여 데이터를 캡슐화합니다.
      • 예를 들어, 네이버 서버는 80번 포트(HTTP) 또는 443번 포트(HTTPS)를 사용할 수 있습니다.

3. IP 패킷 생성 (Network Layer)

   1. TCP 세그먼트를 IP (Internet Protocol) 패킷으로 캡슐화합니다.
   2. IP 패킷에는 다음 정보가 포함됩니다:
      • 발신지 IP: 200.123.10.3 (네이버 서버 IP)
      • 수신지 IP: 10.29.224.23 (해외 사용자 IP)

4. MAC 주소 추가 및 데이터 전송 (Data Link Layer)

   1. 네이버 서버는 이더넷 프레임을 생성하여 IP 패킷을 캡슐화합니다.
      • 이더넷 프레임에는 발신지 MAC 주소와 수신지 MAC 주소가 포함됩니다.
      • 초기 단계에서는 수신지 MAC 주소를 알지 못하므로 ARP (Address Resolution Protocol)를 통해 로컬 네트워크 내의 라우터 MAC 주소를 찾습니다.
   2. 데이터는 네이버 서버의 네트워크 인터페이스를 통해 라우터로 전송됩니다.

5. 라우터 간 데이터 전달 (Routing)

   1. 라우터는 IP 패킷을 기반으로 목적지 IP (10.29.224.23)를 확인하고, 라우팅 테이블을 참조하여 다음 라우터로 데이터를 전송합니다.
   2. 인터넷은 수많은 라우터로 구성된 네트워크이므로 데이터는 여러 Hop (라우터 경유 지점)을 거치게 됩니다.
   3. 라우팅 프로세스 중에는 다음 두 가지 기술이 사용됩니다:
      • BGP (Border Gateway Protocol): 글로벌 라우터 간 경로를 설정합니다.
      • IGP (Interior Gateway Protocol): 내부 네트워크에서 최적의 경로를 선택합니다.

6. 목적지 네트워크 도착

   1. 데이터가 목적지 네트워크(예: 해외 ISP)에 도착하면, 해당 ISP의 라우터는 NAT (Network Address Translation)을 통해 내부 네트워크와 외부 IP를 매핑합니다.
   2. 최종적으로 IP 패킷은 사용자의 로컬 라우터에 도달합니다.

7. 최종 데이터 전달

   1. 로컬 라우터는 ARP를 통해 사용자의 장치 MAC 주소를 확인하고, 데이터를 전송합니다.
   2. 사용자의 네트워크 인터페이스가 데이터를 수신한 후, 데이터 링크 계층 → 네트워크 계층 → 전송 계층 → 애플리케이션 계층 순으로 캡슐화를 해제하여 데이터를 전달합니다.
   3. 사용자는 네이버의 응답 데이터를 웹 브라우저 등에서 확인할 수 있습니다.

주요 흐름 요약

1.	애플리케이션 계층: 데이터를 생성하고 요청/응답을 준비합니다.
2.	전송 계층: TCP를 통해 데이터를 세그먼트화하고 전송 준비를 합니다.
3.	네트워크 계층: IP 패킷을 생성하고 라우터 간 경로를 설정합니다.
4.	데이터 링크 계층: MAC 주소를 사용하여 프레임을 생성하고 물리적 전송을 수행합니다.
5.	라우팅: 라우터 경유를 통해 목적지 네트워크로 데이터를 전달합니다.
6.	수신: 캡슐화 해제를 통해 데이터를 사용자에게 전달합니다.

추가 설명

IP 주소와 라우팅의 핵심

•	IP 주소는 장치의 위치를 나타내며, 서브넷 마스크를 통해 네트워크를 구분합니다.
•	라우팅 프로토콜은 데이터를 최적의 경로로 전송하기 위한 규칙을 제공합니다.

물리적 전송의 예

•	데이터는 광케이블, 해저 케이블, 위성 네트워크를 통해 물리적으로 전달됩니다.
•	전송 과정에서는 네트워크의 **MTU (Maximum Transmission Unit)**를 고려해 데이터를 분할하거나 합칩니다.

위 과정을 통해, 네이버 서버와 해외 사용자는 IP 주소를 기반으로 먼 거리에서도 데이터를 주고받을 수 있습니다.

문제

“IP 통신 흐름에서 NAT와 포트 포워딩의 동작 원리를 포함해 상세히 설명하시오.”

답변

NAT (Network Address Translation)의 개념과 필요성

1.	개념:

NAT는 사설 IP 주소와 공인 IP 주소 간에 트래픽을 변환하여 장치들이 인터넷에 연결될 수 있도록 합니다.
• 사설 IP 주소 (Private IP): 내부 네트워크에서 사용되며 인터넷에서는 보이지 않습니다. 예: 192.168.1.10
• 공인 IP 주소 (Public IP): ISP에서 제공하며 인터넷 상에서 고유한 주소입니다. 예: 123.45.67.89
2. 필요성:
• IPv4 주소 부족 문제를 해결하기 위해 사설 IP 주소를 사용합니다.
• NAT는 다수의 사설 IP 주소를 하나의 공인 IP 주소로 변환하여 인터넷에 접근할 수 있게 합니다.

NAT의 동작 원리

NAT는 라우터나 방화벽에서 실행되며, 주로 다음 과정을 거칩니다.
1. 출발지 NAT (Source NAT):
• 내부 네트워크에서 사설 IP를 사용하는 장치가 외부로 데이터를 보낼 때, NAT는 사설 IP를 공인 IP로 변환합니다.
• 예:
• 송신 패킷:
• 발신지 IP: 192.168.1.10
• 수신지 IP: 10.29.224.23
• NAT 변환 후:
• 발신지 IP: 123.45.67.89 (공인 IP)
• 수신지 IP: 10.29.224.23
2. 포트 번호 할당 (Port Allocation):
• NAT는 포트 번호를 사용해 트래픽을 구분합니다.
• 예를 들어, 내부 장치 192.168.1.10:12345가 데이터를 보내면 NAT는 공인 IP와 함께 포트를 변경합니다.
• 변환 후: 123.45.67.89:55001
3. 목적지 NAT (Destination NAT):
• 외부에서 들어오는 요청이 있을 때, 공인 IP 주소와 포트를 확인하여 해당 요청을 내부 네트워크의 장치로 전달합니다.
• 예:
• 송신 패킷:
• 발신지 IP: 10.29.224.23
• 수신지 IP: 123.45.67.89:55001
• NAT 변환 후:
• 발신지 IP: 10.29.224.23
• 수신지 IP: 192.168.1.10:12345

NAT 테이블

NAT는 변환된 주소와 포트 정보를 NAT 테이블에 저장하여 트래픽의 흐름을 유지합니다.
• 예시 NAT 테이블:

내부 IP:포트 외부 IP:포트 목적지 IP:포트
192.168.1.10:12345 123.45.67.89:55001 10.29.224.23:80
192.168.1.20:23456 123.45.67.89:55002 8.8.8.8:53

NAT는 이 테이블을 참조해 요청/응답 데이터를 올바른 내부 장치로 전달합니다.

포트 포워딩 (Port Forwarding)의 개념과 동작 원리

1.	개념:

포트 포워딩은 외부 네트워크에서 특정 서비스(예: 웹 서버, 게임 서버 등)에 접근할 수 있도록 특정 포트를 내부 네트워크 장치로 매핑하는 기술입니다.
• 외부 사용자가 공인 IP와 특정 포트를 통해 내부 장치에 접속 가능하게 설정합니다.
2. 동작 원리:
• NAT 테이블에 고정 매핑을 설정합니다.
• 특정 포트를 통해 들어오는 데이터가 특정 내부 IP로 전달됩니다.
• 예:
• 외부 사용자 요청:
• 발신지 IP: 10.29.224.23
• 수신지 IP: 123.45.67.89:8080
• NAT 변환 후:
• 발신지 IP: 10.29.224.23
• 수신지 IP: 192.168.1.100:8080

NAT와 포트 포워딩의 차이

구분 NAT 포트 포워딩
주 목적 사설 IP와 공인 IP 변환으로 인터넷 연결 제공 외부에서 내부 네트워크의 특정 장치/서비스에 접근 가능하게 설정
포트 설정 동적으로 포트를 할당함 특정 포트를 고정적으로 매핑
사용 사례 일반적인 인터넷 접속 (예: 웹 브라우징, 이메일 등) 웹 서버, 게임 서버, 원격 데스크톱 접속 등 특정 서비스 제공

NAT와 포트 포워딩의 흐름을 포함한 전체 통신 과정

1.	네이버 서버 (IP: 200.123.10.3)에서 데이터를 준비
•	데이터를 패킷으로 변환하고, 수신지 IP를 설정 (10.29.224.23).
2.	네이버 네트워크 라우터가 NAT 적용
•	내부 네트워크에서 공인 IP로 변환 후 인터넷으로 데이터 송신.
3.	인터넷 라우터 경유
•	BGP 프로토콜을 통해 최적 경로로 데이터를 전달.
4.	해외 네트워크의 NAT 작동
•	사용자의 외부 공인 IP (123.45.67.89)로 변환된 패킷을 수신.
5.	포트 포워딩 적용 (해당 설정이 있을 경우)
•	외부에서 특정 서비스(예: 8080 포트) 요청이 들어오면 NAT는 요청을 내부 IP (192.168.1.100:8080)로 전달.
6.	사용자가 데이터를 수신
•	NAT 변환을 통해 데이터가 내부 장치로 전달되며, 최종적으로 사용자 애플리케이션에서 표시됨.

이와 같이 NAT는 주소를 변환하여 인터넷 연결을 가능하게 하고, 포트 포워딩은 특정 포트를 통해 내부 서비스에 접근할 수 있도록 지원합니다.