NAT

NAT(Network Address Translation)

NAT는 하나의 public IP를 두고, 그 안에 여러 private IP를 둘 수 있게 해주는 기술이다.

즉, 내부 네트워크에서는 여러 장치들이 각각 고유한 사설 IP를 사용하고, 이 장치들이 인터넷 등 외부 네트워크와 통신할 때는 NAT 장비(주로 공유기)가 이 사설 IP들을 하나의 공인 IP로 변환해서 외부로 내보낸다.

• 포트 번호 활용(NAPT/PAT)

  • 여러 장치가 동시에 같은 외부 주소와 통신할 때는 포트 번호까지 변환하여 각각의 연결을 구분한다.

이 방식 덕분에 public IP 주소의 문제를 완화할 수 있고, 보안성도 높아진다.

• 외부에서는 NAT 장비의 public IP만 보이고, 내부 private IP는 보이지 않기 때문이다.

NAT 종류와 특징

NAT는 변환 방식에 따라 여러 종류로 나뉜다.

1. NAPT (Network Address Port Translation) / PAT (Port Address Translation) 📊

• 가장 일반적으로 사용되는 방식이다.

• IP 주소뿐만 아니라 포트 번호도 함께 변환한다.

• 하나의 공인 IP 주소를 사용하여 여러 개의 사설 IP 주소를 가진 장치들이 동시에 외부에 통신할 수 있게 한다.

• 라우터는 각 내부 통신에 대해 고유한 공인 포트 번호를 할당하여 구분한다.

• 예시:

  • 사설 IP 192.168.1.10:8000과 192.168.1.111:8000이 동시에 외부로 통신하려고 한다.

  • 라우터의 공인 IP 203.0.113.1을 사용하여 203.0.113.1:8001, 203.0.113.1:8002로 포트 번호를 다르게 변환하여 구분한다.

2. 정적 NAT (Static NAT)

• 하나의 사설 IP, 하나의 공인 IP끼리 1:1 매핑된다.

• 주로 외부에서 내부의 특정 서버(예: 웹 서버, FTP 서버)로 직접 점근할 때 사용된다.

• IP 주소 절약 효과는 없지만, 외부에서 내부 자원으로의 직접 접근을 가능하게 한다.

3. 동적 NAT (Dynamic NAT)

• 정해진 공인 IP 주소 풀(Pool)에서 사용 가능한 IP 주소를 사설 IP 주소와 임시로 1:1 매핑한다.

• 통신이 끝나면 할당된 공인 IP는 다시 풀로 반환되어 다른 장치가 사용할 수 있다.

NAT 동작 방식

NAT는 단순히 IP 주소만 변환하는 것이 아니라, 주로 사용되는 NAPT(PAT) 방식에서는 포트 번호를 함께 변환하고 관리한다.

1. 내부에서 외부로 나가는 통신 (Out-Bound)

내부 네트워크 장치가 외부 인터넷으로 패킷을 보낼 때, 라우터는 다음과 같이 동작한다.

여기서 예시로 설명할 출발지 주소(ip와 port)는 192.168.1.10:12345 이다.

• 포트 번호 확인 및 변환:

  • 라우터는 패킷의 출발지 private IP/Port를 확인한다.

  • 자신의 public IP와 새로운 public Port를 할당한다.

  • 이 새로운 public Port 번호는 라우터가 임의로 선택하며, 현재 사용하지 않는 유니크한 번호여야 한다.

• NAT 변환 테이블 기록:

  • 라우터는 내부 IP주소와 매핑된 외부 IP 주소를 기록한다.

  • 형식 → 내부 IP 주소:내부 포트 번호 (예: 192.168.1.10:12345)

  • 형식 → 매핑된 IP 주소:외부 포트 번호 (예: 203.0.113.1:54321)

• 패킷 헤더 변환:

  • 라우터는 패킷의 IP 헤더에서 출발지 IP 주소를 변경한다. (사설 → 공인)

    • private IP(192.168.1.10) → public IP(203.0.113.1)

  • 또한, TCP/UDP 헤더에서 출발지 포트 번호를 변경한다. (사설 → 공인)

    • private port(12345) → public port(54321)

• 체크섬 재계산:

  • IP 헤더와 TCP/UDP 헤더가 변경되었으므로, 라우터는 이 헤더들의 체크섬 값을 다시 계산하여 업데이트한다.

  • 체크섬은 데이터의 무결성을 확인하는 데 사용된다.

• 외부로 패킷 전송:

  • 변환된 패킷을 외부 인터넷으로 전송한다.

  • 외부 서버는 이 패킷이 203.0.113.1:54321에서 온 것으로 인식한다.

2. 외부에서 내부로 들어오는 통신 (In-Bound)

외부 인터넷으로부터 응답 패킷이 라우터의 public IP 주소로 도착하면, 라우터는 다음과 같이 동작한다.

여기서 예시로 설명할 응답 패킷의 목적지 주소(ip와 port)는 203.0.113.1:54321 이다.

• NAT 변환 테이블 참조:

  • 라우터는 수신된 패킷의 목적지 public IP 주소와 public port를 NAT 변환 테이블에서 찾는다.

  • 찾은 주소를 통해, 패킷이 원래 어떤 내부 장치로 가야하는지 확인한다.

• 패킷 헤더 역변환:

  • 테이블에서 기록된 정보를 바탕으로 패킷의 IP 헤더에서 목적지 IP 주소를 변경

    • public IP(203.0.113.1) → private IP(192.168.1.10)

  • 또한, TCP/UDP 헤더에서 목적지 포트 번호를 변경

    • public port(54321) → private port(12345)

  • 체크섬 재계산:

    • 마찬가지로 헤더가 변경되었으므로 IP 헤더와 TCP/UDP 헤더의 체크섬을 다시 계산하여 업데이트 한다.

  • 내부로 패킷 전송:

    • 변환된 패킷을 해당 내부 장치(192.168.1.10:12345)로 전송한다.

    • 내부 장치는 이 패킷이 자신에게 직접 온 것으로 인식한다.

NAPT 변환 테이블 예시

내부 IP 주소 (Private IP)	내부 포트 (Private Port)	외부 IP 주소 (Public IP)	외부 포트 (Public Port)
192.168.1.10	12345	203.0.113.1	54321
192.168.1.11	80	203.0.113.1	54322
192.168.1.12	443	203.0.113.1	54323

192.168.1.10 장치의 통신:

• 192.168.1.10이 12345 포트를 사용하여 외부로 패킷을 보내면, 라우터는 이 요청을 203.0.113.1:54321로 변환하여 외부로 보낸다.

• 외부로부터 203.0.113.1:54321로 응답이 도착하면, 라우터는 이 테이블을 참조하여 응답을 192.168.1.10:12345로 다시 변환하여 전달한다.

🤔 그럼 어떻게 NAT를 사용한다고 해서 IPv4 부족 문제를 해결하는 것인가?

1. Private IP 역시 IPv4 주소 체계를 사용하는데, 왜 부족 문제를 완화할까?

• 사설 IP 주소는 전 세계적으로 중복 사용이 가능하다.

• 반면 공인 IP는 전 세계적으로 단 한번만 할당될 수 있다.

1. NAT가 있을 때와 없을 때의 IP 사용 방식

상황	공인 IP(IPv4) 사용량	사설 IP(IPv4) 사용량	설명
NAT 없이	n	n	기기마다 공인 IP 필요, 사설 IP 불필요
NAT 사용	1	n	여러 기기가 사설 IP 사용, 외부 통신은 하나의 공인 IP로 변환

• NAT 없을 때:

  • 집에 PC 3대, 스마트폰 2대가 있으면 5개의 공인 IP가 필요하다.

• NAT 사용:

  • 집 안의 5대 기기가 각 사설 IP(예: 192.168.0.2~6)을 사용하고, 인터넷 접속 시 공유기(NAT)가 이들을 하나의 공인 IP로 변환해서 외부로 내보낸다.

따라서, NAT가 IPv4 부족 문제를 완화하는 원리는 다음과 같다.

• 사실 IP는 재사용 가능: 전 세계 모든 네트워크에서 중복 사용해도 문제 없음

• 공인 IP는 공유: 여러 기기가 하나의 공인 IP를 공유해서 인터넷 접속 가능

• 결과: 실제로 필요한 공인 IP 수가 줄어들어, IPv4 부족 문제를 완화할 수 있다.