P2P 연결을 위한 기술들..(Hole Punching)

반응형

<< 머리말 >>

네트워크 응용 수업의 최종과제가 홀펀칭(Hole Punching) 기술로 구현한 에코 클라이언트의 구현이라,
게임프로그래밍이나 여러 P2P 프로그래밍에서 폭넓게 사용되는 기술이라고 한다.
일단은 프로그래밍을 해야 하는데 생소한 정보들이여서 몇몇 관련문서를 보고 이해를 하려고 노력해 보았다.

 

<< 개념 >>

NAT(Network Address Translator)가 뭔지 알지? 공유기같은거 말하는데,
hole punching은 NAT traversal 알고리즘 중에 하나거든. 이런 traversal 알고리즘 중에
현재 가장 간단하고 강력해서 hole punching을 사용한덴다.

p2p를 이용하려면 이 NAT traversal은 꼭 필요한 기술이야. 유저들의 네트워크 상황은
매우 다양하고 요즈음은 공유기 안에 물려있는 유저들도 많거든.

211.23.49.32:80 이런 주소로 패킷을 보내는 상황을 생각해 보자. 저 IP 주소가 global하게
unique한 IP라면 즉, public address라면 어떤 상황에 있는 호스트라도 저 IP주소를
찾아 갈 수 있어. 저 IP를 가진 컴퓨터는 전세계에 한대 뿐이고, 또 라우터가 다 찾아줄테니까.

공유기를 사용하는 컴퓨터는 IP주소가 10.0.0.1 이런 식으로 공유기가
할당하는 가상 IP를 부여 받게 되잖아. 그럼 다른 컴퓨터는 이 IP를 찾아 갈 수가 없어.
이유는.. 저 IP는 아마 라우팅이 안되게 되있던지.. 뭐 그런식이겠지.
하지만 p2p를 하려면 어쨋든 저쪽 컴퓨터까지 packet을 전송해야돼.
그러기 위해서는 공유기(NAT)의 IP를 알아야하지. 왜냐하면 공유기를 사용하는 컴퓨터들은
NAT에 연결된 public address의 IP,port에 매핑이돼. 매핑되는 방식은 공유기 type마다
다양해서 hole punching이 어려운 공유기도 존재하지..지금은 일반적은 NAT만
생각해 보자.

그림을 그려보면,

----NAT-----
| 211.23.49.32 |
-------------
| |
port: port:
31000 62000
| |
| |
host1 host2
10.0.0.1 10.0.0.2

위 그림은 host1이 가상아이피 10.0.0.1을 부여받고 이는 실제 211.23.49.32:31000의 public address와 매핑되어 있는 그림이야. host2도 비슷한 방식으로 62000port와 매핑되어 있고,

그럼 만약, 다른 host3(210.24.39.22)가 host1에게 packet을 전송하기 위해서는
211.23.49.32:31000으로 전송하면 되겠지... 그럼 NAT가 알아서 패킷을 받아서 알맞은 호스트(host1)로 relay를 해주게 되니까. NAT의 하나의 port에 매핑되는게 host1의 모든 소켓이 하나의 port를 가지느냐? host1이 소켓을 생성할때마다 다른 port를 할당 받느냐는 NAT type마다 달라.

이제 hole punching을 설명하면,
host3이 host1로 packet을 보내는 방법은 이제 알았잖아. host1이 매핑된 NAT의 주소로 packet을 보내면 되니까.(이 주소를 아는 방법은 다른 서버를 둬서 관리하는 방법을 써)
그런데 그냥 packet을 보내면 보안상의 이유로 NAT가 이 packet을 drop시켜. 즉, 일반적으로 NAT는 자신이 보낸 주소에서 오는 packet들만 받아들이게 돼. 이건 NAT안의 host들은
대부분 서버가 되지 않기 때문에, 그렇게 해둔거 같아. 그럼 host1이 host3의 packet을
받기 위해서는 host1이 210.24.39.22로 packet을 보내야돼. dummy packet같은걸.
그러면 NAT는 210.24.39.22 를 table에 등록하고 이곳에서 부터 오는 packet을 drop시키지않고
host1로 전해주게 되지.
여기서 dummy packet을 보내서 host들 간에 연결 구멍(hole)을 만드는 과정을 hole punching
이라고해. 구멍 뚫기지. NAT가 오래동안 안쓴 hole은 다시 막아버리니까 주기적으로 punching을 해주어야해(주기적으로 dummy packet을 보내야해)

NAT type마다 hole punching이 안되는 경우도 있고, NAT안에 NAT가 있는 경우등은
글이 넘 길어지는거 같기도하고 귀찮기도 하고 -0-. 담에 궁금하다하면 글 쓸게.

아, UDP와 TCP둘다 hole punching방법은 같은데, UDP가 더 잘 뚫려. 그래서
p2p를 하면 거의 UDP소켓을 써. TCP도 안될 이유는 없는데 NAT내부의 호스트가
TCP Server가 못되도록 packet 자체를 막는 경우가 있는가 보더라.
그래서 UDP로 하면 reliable등 더 신경써 줄게 많아

 

 

<< 본문 >>
0. 들어가기 전 알아두어야 할 용어들.
- NAT [Network Address Translation]
OSI 모델의 3계층인 네트워크 계층에서 사설 IP 주소를 공인 IP 주소로 변환하는데 사용하는 통신망의 주소 변환기.
http://100.naver.com/100.nhn?docid=717874
우리가 흔히 말하는 공유기, 라우터 등이 이런 역할을 수행한다고 보면 된다.

1. 개요
Hole Punch 란 종이에 철을 하기 위해 동그란 구멍을 뚫어주는 사무용 기기이다.
그런 개념으로 접근하여 막힌 뭔가를 뻥 뚫어준다는 것으로 이해하고 출발하여 보자.
일단은 P2P 연결을 위한 여러 기술들을 알아보기로 한다. (홀 펀칭은 그 중의 하나이므로..)


2. 이해
- 전제 : 통신을 하기 위한 Client A와 Client B가 존재하며경우에 따라 NAT아래 놓일 수 있다.
이들의 통신을 중계하기 위한 Server S가 존재한다.
NAT과의 P2P 커뮤니케이션하기 위해서는 몇가지의 기술이 있다.
Relaying, Connection Reversal, UDP Hole Punching, UDP Port Number Prediction, Simultaneous TCP Connection Initiation 이 그것이다.
일단 Relaying부터 살펴보도록 하자.

3. 기술
3.1 Relaying

Relaying은 간단히 중계 서버를 두고 중계 서버를 통해 통신을 한다.
A가 서버 S에게 메세지를 보내고 서버 S는 B에게 메세지를 보낸다.
A와 B가 서버에 접속이 유효한 동안은 메세지를 계속 주고 받을 수 있다.
하지만 불필요한 대역폭의 낭비와 서버의 리소스를 소모하게 된다.



3.2 Connection Reversal

이 경우는 하나의 클라이언트가 NAT뒤에 위치해 있는 경우이다.
B가 A와의 연결을 하고자 할때 A믜 사설IP로는 당연히 접속이 불가능하고, 서버 S가 관찰하는 NAT의 공인 IP로의 접속은 A에서 나가는 것만 허용하기 때문에 역시 접속이 불가능하다.
그래서 중계 서버 S를 이용해 "내가 못가니까 니가 나와라" 고 해서 B의 공인 IP를 서버 S에게 알려 준 다음 역으로 A가 접속을 시도하여 커넥션을 맺게 하는 방식이다.

3.3 UDP Hole Punching

이 경우는 두 클라이언트가 전부 NAT 뒤에 있는 경우이다.
여기서 두 클라이언트가 같은 NAT 뒤에 있는가 혹은 다른 NAT 뒤에 있는가로 다시 경우가 나뉘어 진다.


3.3.1 두 클라이언트가 다른 NAT 뒤에 있을 때.

클라이언트 A가 B와 커넥션을 맺고 싶을 떄 일반적으로는 3.2의 경우와 같이 커넥션이 맺어지지 않으므로 중계서버 S를 이용하여야 한다.
서버 S에 접속할때 서버는 클라이언트 A의 정보 (사설,공인 IP)를 취득하여 저장하게 되고 B가 접속할때도 이 정보를 저장하게 된다.
그리고 만약 A가 B에 대해서 연결을 요청하게 되면 중계서버 S는 A와 B에게 동시에 서로의 IP 정보를 보내 주게 되고 커넥션 희망여부를 전달받은 각 클라이언트는 각각 연결 시도를 하게 되어 커넥션이 맺어질 수 있게 된다.

- 추가사항 : UDP 커넥션의 경우에는 지속적인 핑퐁 메세지가 없으면 연결이 끊어질수 있기 때문에 일정간격으로 연락을 해 주어야 한다. NAT의 종류에 따라서 되는것도 있고 안되는것도 있다고 한다..(성공 확률 분포 등에 대한 자료는 PDF문서 참조)

일단 기본적인 기술은 여기까지 이해하고 나머지 추가적인 기술과 내용들은 아래의 주소에서 더 확인이 가능하다.
(사실 이거 이해를 하려고 꽤나 머리를 싸맸다. 아직 확실한지는 잘 모르겠지만서도 -_-)