# 네트워크 (4) - 전송 계층(Transport Layer)과 NAT(Network Address Translation)

## 전송계층(Transport Layer)


- 패킷이 전송 과정에서 아무 문제 없이 제대로 수신지 컴퓨터에 도착할 수 있도록 패킷 전송을 제어하는 역할은 전송 계층이 담당한다
- 다양한 애플리케이션이 동작하는 컴퓨터 내에서 어떤 애플리케이션이 사용하는 데이터인지 식별하여 수신지 컴퓨터에 도착한 데이터를 수신지 컴퓨터 내의 애플리케이션에 배분하는 역할을 한다
- 주로 사용되는 프로토콜로는 TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)가 있으며, 이들은 각각 신뢰성 있는 연결 지향적 통신과 신뢰성이 낮지만 속도가 빠른 비연결성 통신을 지원한다.
- 전송 계층은 애플리케이션 계층에서 보낸 데이터를 세그먼트라는 단위로 분할하고, 이를 네트워크 계층으로 전달한다. 수신 측에서는 이 세그먼트를 다시 조립하여 애플리케이션 계층으로 전달한다.
- **포트 번호를 사용**하여 특정 프로세스 혹은 서비스와 데이터 패킷을 연결하며, 이를 통해 동일한 IP 주소 내에서 여러 프로세스나 서비스가 동시에 네트워크 통신을 할 수 있게 해준다.


### 포트 번호의 분류


- 포트 번호는 크게 세 종류로 구분된다
- 0번 ~ 1023번: 웰 노운 포트 (well-known port)
- 1024번 ~ 49151번: 등록된 포트 (registered port)
- 49152번 ~ 65535번: 동적 포트 (dynamic port)

### 웰 노운 포트 (Well-Known Ports)


- 웰 노운 포트는 0~1023의 범위를 가지며, 잘 알려진 서비스나 프로토콜이 사용하는 포트 번호이다.
- 이들 포트 번호는 IANA(Internet Assigned Numbers Authority)에 의해 표준화되어 관리된다.
- 예를 들어, HTTP는 80번 포트를, HTTPS는 443번 포트를, SSH는 22번 포트를 사용한다.

- [TCP/UDP의 포트 목록](https://ko.wikipedia.org/wiki/TCP/UDP%EC%9D%98_%ED%8F%AC%ED%8A%B8_%EB%AA%A9%EB%A1%9D)

### 등록된 포트 (Registered Ports)

- 등록된 포트는 1024~49151의 범위를 가지며, 사용자 또는 소프트웨어가 임의로 사용할 수 있는 포트 번호이다.
- 이들 포트 번호는 IANA에 의해 등록되며, 특정 서비스나 애플리케이션에 사용하기 위해 예약할 수 있다.
- 하지만, 필요에 따라 일반적인 애플리케이션에서도 이 범위의 포트 번호를 사용할 수 있다.

### 동적 포트 (Dynamic Ports) 또는 개인 포트 (Private Ports)

- 동적 포트 또는 개인 포트는 49152~65535의 범위를 가지며, 일반적으로 클라이언트 애플리케이션에서 임시적으로 사용하는 포트 번호이다.
- 이들 포트 번호는 일반적으로 컴퓨터의 운영 체제에 의해 동적으로 할당되며, 클라이언트가 서버와의 연결을 시작할 때 사용된다.
- 동적 포트는 일시적인 통신을 위한 것이므로, 연결이 종료되면 해당 포트는 재사용을 위해 해제된다.



### 전송 계층 통신 방식


#### 연결형 통신

- 연결형 통신은 데이터를 전송하기 전에 송신자와 수신자 간의 통신 경로를 설정하는 통신 방식이다.
- 이 방식은 **TCP(Transmission Control Protocol)** 와 같은 프로토콜에 의해 지원된다.
- 연결형 통신에서는 데이터의 순서, 에러 검출 및 복구 등을 보장하며, 이로 인해 신뢰성 있는 데이터 전송이 가능하다.
- 하지만, 연결을 설정하고 유지하기 위한 오버헤드로 인해 비연결형 통신에 비해 속도가 느릴 수 있다.

#### 비연결형 통신

- 비연결형 통신은 데이터를 전송하기 전에 통신 경로를 설정하지 않는 통신 방식이다.
- 이 방식은 **UDP(User Datagram Protocol)** 와 같은 프로토콜에 의해 지원된다.
- 비연결형 통신에서는 데이터의 순서나 에러 검출, 복구를 보장하지 않으므로 신뢰성이 낮다. 하지만, 이는 연결 설정과 관련된 오버헤드 없이 데이터를 빠르게 전송할 수 있게 해준다.
- 실시간 서비스, 게임, 스트리밍 등 신뢰성보다는 속도나 효율성이 중요한 경우에 주로 사용된다.

## NAT (Network Address Translation)


- NAT은 IP 패킷에 적힌 소켓 주소의 포트 숫자와 소스 및 목적지의 IP 주소 등을 재기록하면서 라우터를 통해 네트워크 트래픽을 주고 받는 기술이다
- 주로 프라이빗 네트워크와 퍼블릭 네트워크 간의 IP 주소를 변환하기 위해 사용된다. 이는 프라이빗 네트워크 내의 여러 장치가 하나의 공용 IP 주소를 공유하도록 해 인터넷에 접근할 수 있게 한다.
- NAT를 사용하면 제한된 수의 유효한 IP 주소를 가진 네트워크에서 많은 수의 장치를 운영할 수 있어, IP 주소 부족 문제를 해결하는 데 도움이 된다.
- 일반적으로 NAT는 홈 라우터에서 가장 일반적으로 발견되며, 이는 네트워크 내의 모든 장치가 단일 인터넷 연결을 공유할 수 있게 한다.
- NAT는 또한 보안 측면에서 이점을 제공하며, 외부 네트워크에서 직접적으로 프라이빗 네트워크 내의 특정 장치를 타겟팅할 수 없기 때문이다.
- NAT의 종류에는 `Static NAT`, `Dynamic NAT`, `Port Address Translation (PAT)`등이 있다
- Static NAT
- Static NAT는 프라이빗 IP 주소를 공인 IP 주소로 1:1 매핑하는 방법이다.
- 이 방식은 내부 네트워크의 특정 호스트가 인터넷에 직접 노출되도록 설정하는 데 주로 사용된다.
- 이 설정을 통해, 외부 네트워크에서 특정 프라이빗 IP 주소로 직접 접근할 수 있게 된다.
- 장점 : Static NAT은 IP 주소 매핑이 고정적이므로 외부에서 내부 네트워크의 특정 장치를 항상 동일한 퍼블릭 IP 주소로 액세스할 수 있다. 이로 인해 외부에서 내부 서버에 대한 일관된 액세스를 제공하는 데 유용하다.
- 단점 : 각 내부 IP 주소에 대해 퍼블릭 IP 주소가 필요하므로, IP 주소가 고갈될 수 있다. 또한, 모든 내부 장치가 인터넷에 고정적으로 노출되므로 보안 측면에서 우려가 있다.
- Dynamic NAT
- Dynamic NAT는 프라이빗 IP 주소를 공인 IP 주소 풀 중에서 동적으로 선택된 주소로 매핑하는 방법이다.
- 공인 IP 주소는 일반적으로 제한적이므로, 이러한 방식은 네트워크 내부의 많은 장치들이 제한된 수의 공인 IP 주소를 공유할 수 있게 한다.
- 그러나 이 방식은 외부에서 내부 네트워크의 특정 장치에 직접 접근하기 어렵다는 단점이 있다.
- 장점 : Dynamic NAT은 퍼블릭 IP 주소 풀을 사용하여 내부 IP 주소를 동적으로 매핑한다. 이 방식은 IP 주소 사용률을 효율적으로 관리하고, 모든 내부 장치가 동시에 외부 네트워크에 액세스할 필요가 없는 경우에 유용하다.
- 단점 : 퍼블릭 IP 주소 풀의 크기가 내부 네트워크의 장치 수보다 작을 경우, 동시에 모든 장치가 외부 네트워크에 액세스할 수 없을 수 있다. 또한, Dynamic NAT은 매핑이 동적이므로 외부에서 특정 내부 장치를 지속적으로 액세스하는 것이 어렵다.
- Port Address Translation (PAT)
- PAT는 하나의 공인 IP 주소를 여러 개의 프라이빗 IP 주소와 연결하기 위한 방법으로, 이는 NAPT(Network Address Port Translation)의 한 형태로 볼 수 있다.
- PAT는 각각의 프라이빗 IP 주소와 공인 IP 주소 사이의 연결을 포트 번호를 통해 구분한다.
- 이 방법을 사용하면, 하나의 공인 IP 주소를 사용하여 내부 네트워크의 여러 장치와 외부 네트워크 간의 통신을 가능하게 한다.
- 장점 : PAT은 여러 내부 IP 주소를 단일 퍼블릭 IP 주소에 매핑할 수 있으므로, IP 주소 공간을 가장 효율적으로 활용한다. 또한, 보안 측면에서도 유리한데, 외부에서 내부 네트워크의 특정 장치를 직접 액세스하기 어렵기 때문이다.
- 단점 : PAT은 복잡한 통신 패턴이나 일부 특정 애플리케이션에서 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 같은 퍼블릭 IP 주소와 포트 번호를 사용하는 여러 세션을 정확하게 구별해야 하는 경우, PAT은 이를 처리하는데 어려움을 겪을 수 있다. 이로 인해 PAT을 사용하는 네트워크에서는 일부 애플리케이션 호환성 문제가 발생할 수 있다.

### 포트 포워딩


- 포트 포워딩, 또는 포트 매핑은 외부 네트워크와 내부 네트워크 간의 데이터 통신을 가능하게 하는 기술이다.
- 이 기술은 특정 IP 주소와 포트 번호의 통신 요청을 다른 IP와 포트로 리다이렉션할 수 있다.
- 이는 주로 NAT(Network Address Translation) 환경에서 내부 네트워크의 특정 호스트에 직접적인 접근이 필요할 때 사용된다.
- 예를 들어, 홈 네트워크에 있는 개인 서버에 외부에서 접근하기 위해 사용할 수 있다.
- 포트 포워딩은 라우터 설정을 통해 구현되며, 외부에서 특정 포트로 들어오는 트래픽을 내부 네트워크의 특정 IP 주소와 포트로 전달하도록 설정한다.
- 이를 통해 외부 사용자들이 내부 네트워크의 특정 서비스(웹 서버, FTP 서버 등)에 접근하거나, 게임과 같은 애플리케이션에서 P2P 통신을 가능하게 할 수 있다.