[UDP 홀펀칭(Hole Punching)] - NAT 그리고 P2P(1/2)

설명 전 2줄 요약

• NAT는 내부 네트워크에서 외부 네트워크로 통신을 할 때 IP를 변환하는 기술이다.
• 보통 P2P 형식의 게임을 만들 때 NAT때문에 UDP 홀펀칭이란 기법을 사용해 통신 할 수 있도록 한다.

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P2P(Peer to Peer)

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스타크래프트같은 대전게임은 상대방과 어떤 구조로 통신하면서 패킷을 주고받을까?

위와 같이 중간에 특별한 서버 없이 유저와 유저끼리 직접적으로 통신하여 데이터를 주고 받는다.

(물론 로그인이나 승/패 관리 등등 이런 기능들은 게임서버가 관리한다)

 

위와 같이, 유저와 유저끼리 통신을 하는 방식을 P2P(Peer to Peer)라고 한다.

보통 P2P 스타일의 게임에서 지연을 최소화 하기 위해 UDP방식을 사용하여 통신을 하는데 TCP도 그렇지만 통신을 하기 위해서 서로가 서로의 IP주소와 포트번호를 알아야한다.

뭐, 여기까진 문제가 없다! 문제는 인터넷 보급률이 올라가게 되고 한 가정에서 인터넷을 이용하는 기기들이 증가하게 되고 대부분의 가정이 공유기라는 것을 설치해 인터넷을 이용한다.

 

이 공유기라는 것은 위의 말 그대로, 하나의 인터넷 선으로 여러 기기들이 인터넷을 유선 혹은 무선으로 이용 가능하게 해주는 것이다.

(위의 그림은 우리 집의 인터넷 구조인데 LAN선이 공유기에 연결되고 이 공유기와 컴퓨터 A, 컴퓨터 B를 연결시켜 두 대의 컴퓨터 모두 인터넷이 가능하다. 모바일 기기 역시 공유기 Wi-fi를 통해 인터넷이 가능하다)

 

NAT(Network Address Translation)로 생기는 문제

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다시 본론으로 돌아가 P2P게임에서 서로의 IP번호와 포트번호만 알면 통신이 가능하다고 했다.

문제는 공유기에는 NAT라는 녀석이다. 이 NAT라는 녀석은 간단하게 말해서 Private IP, Port번호를 Public IP, Port번호 혹은 그 반대로 변환시켜주는 개념인데 아래 그림을 보자.

우리 집 환경을 예를 들면, 공유기를 사용하여 하나의 인터넷으로 여러 기기가 인터넷을 이용 할 수 있는데 통신사에서 우리 집으로 발급해준 IP는 100.100.100.100이다.

이 IP를 통해서 어느 누구든지 우리 집 네트워크로 접근 할 수 있다. 하지만 인터넷을 이용하고 있는 기기는 여러대기 때문에 대역이 분리되어있다.

컴퓨터 A는 192.168.0.2, 컴퓨터 B는 192.168.0.3인데 이 IP는 공유기가 발급한 IP주소고 외부에서는 이 IP로 접근 할 수 없다(왜냐하면, 공유기가 발급한 우리 집 네트워크에서만 유효한 IP이기 때문이다)

정리하자면, 외부에서 접근 할 수 있는 IP를 Public IP라 하고 내부에서만 이용 할 수 있는 IP를 Private IP라 한다.

그렇다면 우리 집에서 외부 인터넷과 통신할 때는 어떤 과정이 이루어질까?

 

실제로 통신사가 우리 집으로 발급한 IP는 100.100.100.100이기 때문에 외부에서는 이 IP(Public IP)를 통해서 통신을 한다.

하지만, 나(컴퓨터 A)는 192.168.0.2라는 Private IP를 사용하고 있기 때문에 내 Private IP를 Public IP를 변환하는 과정이 필요한데 이것을 NAT라고 한다.

이 NAT가 나의 Private IP, Port번호를 Public IP와 적절한 포트번호를 찾아서 바꿔준다.

실제로 다른 유저는 내 Private IP와 Port번호는 모르고 변환된 Public IP, Port와 통신을 하는 것이다.

※ 여기서 추가적인 설명을 하자면 우리 집 컴퓨터 A(192.168.0.2)와 컴퓨터 B(192.168.0.3)는 같은 네트워크안에 있기 때문에 NAT없이 Private IP 만으로도 통신이 가능하다.

이 NAT때문에 P2P 통신을 하는데 중요한 걸림돌이 생겼다.

1. 나(컴퓨터 A)는 다른 유저와 통신을 해야되는데 내 컴퓨터의 Private IP와 포트번호만 알지 NAT를 거쳐서 어떤 Public IP와 Port번호로 변환될지 모른다. -> 따라서 다른 유저한테 내 IP와 Port번호를 알려주어 통신을 해야되는데 Private IP라 의미가 없다
2. 다른 유저는 내 컴퓨터 A와 연결을 할 때 내 컴퓨터 A의 Public IP, Port번호는 알지만 Private IP와 Port번호는 알지 못한다

이 두 가지의 걸림돌을 해결 할 수 있는 방안으로 UDP Hole Punching이라는 기법이 있다.

다음편에 계속...