[CS Network] NAT와 PAT - 네트워크 주소 변환과 포트 주소 변환

 

안녕하세요 펭귄 교수입니다.

이번에 설명드릴 개념은 NAT와 PAT 입니다.

 

NAT(Network Address Translation)와 PAT(Port Address Translation)은 네트워크 내에서 IP 주소 및 포트를 변경하는 기술입니다. IP 주소는 인터넷과 네트워크의 기초이지만, IP 주소가 부족하거나 보안을 위해 특정 요구 사항이 발생하면서 NAT와 PAT가 널리 사용되고 있습니다. NAT와 PAT는 외부 네트워크와 내부 네트워크 간의 통신을 관리하고 IP 주소 자원을 절약할 수 있게 해주는 중요한 역할을 합니다.

 

이번 글에서는 NAT와 PAT의 개념, 필요성, 동작 원리를 상세히 설명하겠습니다.

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1. NAT(Network Address Translation)란?

NAT는 내부 네트워크의 사설 IP 주소를 공인 IP 주소로 변환하여 외부 네트워크와 통신할 수 있게 하는 기술입니다. 대부분의 가정이나 사무실의 네트워크는 내부에 사설 IP 주소 대역을 사용하고, 이 사설 IP 주소를 공인 IP 주소로 변환하기 위해 NAT 기술을 사용합니다. NAT는 일반적으로 라우터와 방화벽에 내장되어 있어 외부 네트워크와의 통신을 제어합니다.

NAT의 주요 기능

• IP 주소 절약: 하나의 공인 IP 주소를 사용하여 여러 사설 IP 주소를 인터넷과 연결할 수 있습니다.
• 보안 강화: 외부 네트워크에서 내부 네트워크의 실제 IP 주소를 직접 확인할 수 없으므로 내부 네트워크가 보호됩니다.
• 네트워크 관리 용이: 내부 네트워크에서 사용하는 IP 주소를 공인 IP 주소와 독립적으로 관리할 수 있습니다.

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2. NAT의 유형

NAT는 구성 방식에 따라 여러 유형으로 나뉩니다. 각 유형의 NAT는 외부 네트워크와 내부 네트워크 간의 주소 변환 방식을 다르게 처리합니다.

1) 정적 NAT(Static NAT)

정적 NAT는 사설 IP 주소와 공인 IP 주소를 1:1로 대응시킵니다. 즉, 내부 IP 주소 하나가 항상 같은 공인 IP 주소로 변환됩니다. 정적 NAT는 주로 내부의 특정 서버가 외부에서 접근 가능하도록 할 때 사용됩니다. 예를 들어, 내부의 웹 서버나 메일 서버를 외부 네트워크에서 접속 가능하게 하려면 정적 NAT를 사용해 고정된 IP 주소를 부여합니다.

2) 동적 NAT(Dynamic NAT)

동적 NAT는 미리 정의된 공인 IP 주소 풀(pool) 내에서 사용할 수 있는 공인 IP 주소를 할당하는 방식입니다. 내부 IP 주소가 외부 네트워크와 통신을 시도할 때마다 동적 NAT는 할당되지 않은 공인 IP 주소 중 하나를 선택하여 변환합니다. 이 방식은 정적 NAT와 달리 여러 장치가 공인 IP 주소 풀을 공유할 수 있지만, 풀의 IP 주소가 다 소진되면 연결할 수 없는 상태가 됩니다.

3) 오버로드 NAT(NAT Overload) 또는 PAT(Port Address Translation)

오버로드 NAT는 다수의 사설 IP 주소가 하나의 공인 IP 주소를 공유할 수 있게 해줍니다. 이를 위해 각 연결마다 포트 번호를 할당하여 변환하고, 이 방식을 **PAT(Port Address Translation)**이라고도 합니다. NAT Overload는 가장 많이 사용되는 NAT 방식으로, 인터넷 서비스 제공업체(ISP)와 가정용 네트워크에서 주로 사용됩니다.

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3. NAT와 PAT의 차이점

NAT는 기본적으로 사설 IP 주소와 공인 IP 주소 간의 매핑을 수행하는 기술입니다. 반면에 PAT는 여러 내부 장치가 하나의 공인 IP 주소를 공유할 수 있도록 포트 번호까지 함께 변환하는 기술입니다.

 

구분	NAT	PAT
정의	내부 IP 주소를 공인 IP 주소로 변환	내부 IP 주소와 포트를 공인 IP 주소와 포트로 변환
IP 주소	사설 IP 주소 하나당 공인 IP 주소 하나와 매핑	다수의 사설 IP 주소를 하나의 공인 IP 주소와 공유
포트 번호	사용하지 않음	고유 포트 번호를 사용하여 다중 연결 지원
사용 사례	소규모 네트워크에서 고정된 IP 주소 할당 필요 시	다수의 장치가 하나의 공인 IP 주소로 인터넷 사용

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4. NAT와 PAT의 동작 방식

NAT의 동작 방식

1. 내부 네트워크에서 외부 네트워크로의 요청 발생: 내부 네트워크의 장치가 인터넷으로 접속을 시도하면, NAT는 내부 사설 IP 주소를 공인 IP 주소로 변환합니다.
2. 변환된 패킷 전송: 변환된 IP 주소를 가진 패킷은 인터넷을 통해 외부 네트워크로 전송됩니다.
3. 응답 패킷 수신: 외부 네트워크에서 전송된 응답 패킷은 공인 IP 주소를 통해 라우터에 도달합니다.
4. IP 주소 변환 후 내부로 전달: 라우터는 NAT 테이블을 참조해 해당 패킷을 다시 내부 IP 주소로 변환하여 내부 네트워크로 전달합니다.

PAT의 동작 방식

PAT는 NAT와 비슷한 방식으로 동작하지만, 추가로 포트 번호를 기반으로 변환을 수행합니다. 각 내부 장치가 연결을 시도할 때 PAT는 공인 IP 주소에 고유한 포트 번호를 부여하여 내부 네트워크의 IP 주소와 포트가 공인 IP 주소와 고유 포트로 변환됩니다. 이 방식으로 다수의 내부 장치가 하나의 공인 IP 주소를 공유하여 인터넷을 사용할 수 있습니다.

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5. NAT와 PAT의 장점과 단점

NAT의 장점

• IP 주소 절약: 한정된 공인 IP 주소를 효율적으로 사용할 수 있습니다.
• 보안 강화: 내부 네트워크 구조를 숨길 수 있어 보안이 강화됩니다.
• 네트워크 관리 용이성: 내부 IP 주소를 공인 IP 주소와 분리하여 관리할 수 있습니다.

NAT의 단점

• 특정 애플리케이션에서 문제 발생: NAT는 일부 P2P 애플리케이션에서 문제를 일으킬 수 있습니다.
• 추가적인 지연 시간 발생: NAT는 패킷마다 변환을 수행해야 하므로 약간의 지연이 발생할 수 있습니다.

PAT의 장점

• IP 주소 절약 효과 극대화: 하나의 공인 IP 주소로 다수의 장치가 동시에 인터넷을 사용할 수 있습니다.
• 높은 효율성: 포트 번호를 사용하여 다수의 연결을 동시에 처리할 수 있습니다.

PAT의 단점

• 포트 충돌 가능성: 다수의 장치가 하나의 공인 IP 주소를 공유하기 때문에 포트 충돌이 발생할 가능성이 있습니다.
• 복잡성 증가: 포트 번호까지 관리해야 하므로 NAT보다 구현이 복잡합니다.

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6. NAT와 PAT의 활용 사례

가정용 네트워크

가정에서 인터넷을 사용하는 모든 장치는 라우터의 NAT/PAT 기능을 통해 하나의 공인 IP 주소로 외부와 통신합니다. 예를 들어, 가족 구성원들이 각자 노트북, 스마트폰, 태블릿으로 인터넷에 연결해도 모두 동일한 공인 IP 주소로 외부 네트워크에 접근할 수 있습니다. 이때 PAT가 사용되어 각 장치에 고유한 포트 번호가 부여됩니다.

회사 내부 네트워크

회사에서는 사설 IP 주소 대역을 사용하여 수많은 직원이 네트워크에 접속합니다. 이때 NAT를 통해 회사 전체가 하나의 공인 IP 주소를 사용해 인터넷에 연결할 수 있습니다. 회사 네트워크에서는 PAT를 활용해 사설 IP 주소와 포트를 조합하여 각 직원이 인터넷에 개별적으로 접근할 수 있도록 합니다.

데이터센터와 클라우드 서비스

데이터센터와 클라우드 서비스에서는 여러 고객의 가상 서버가 NAT/PAT를 통해 하나의 공인 IP 주소로 외부와 통신합니다. 이 방식은 IP 주소를 절약하고, 보안을 강화하며, 데이터센터의 관리 효율성을 높이는 데 기여합니다.

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7. NAT와 PAT의 보안 측면

NAT와 PAT는 내부 네트워크의 IP 주소를 외부로 노출하지 않도록 해 보안을 강화합니다. 외부 공격자는 공인 IP 주소를 통해서만 네트워크와 통신할 수 있으므로, NAT/PAT를 사용하면 외부로부터 내부 장치에 직접 접근하는 것이 어려워집니다. 이러한 보안 강화 효과 때문에 NAT/PAT는 가정용 네트워크뿐만 아니라 기업에서도 널리 사용되고 있습니다.

다만, NAT와 PAT는 자체적인 보안 기능을 제공하지 않기 때문에 방화벽 등의 추가적인 보안 장치와 함께 사용하는 것이 좋습니다.

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마무리

NAT와 PAT는 네트워크에서 필수적인 기술로, IP 주소 자원의 절약과 네트워크 보안을 강화하는 역할을 합니다. 사설 네트워크에서 외부 네트워크로의 접근을 가능하게 하고, IP 주소와 포트의 변환을 통해 여러 장치가 하나의 공인 IP 주소를 공유할 수 있도록 지원하는 NAT와 PAT는 인터넷 사용의 효율성을 높여주는 핵심 기술입니다.