(웹해킹) 1-4. 네트워크와 프로토콜 (3)

다음은 3계층이다.

3계층 (네트워크 계층)

2계층이 같은 LAN 안에서의 통신을 담당한다면, 3계층은 서로 다른 네트워크 간의 통신을 담당한다.
스위치로 연결된 컴퓨터들의 집합을 1개의 네트워크라고 하면 라우터라는 장비를 통해 다른 네트워크와 통신이 이뤄진다.

집에 있는 컴퓨터에서 멀리 떨어진 서버에 접속할 때, 중간에 수많은 라우터를 거쳐야 한다.
이런 경로 설정과 주소 지정을 하는 것이 네트워크 계층이다.

2계층의 기능만으로는 큰 네트워크를 구성할 수 없는 것일까? 하면 문제가 있다.
대표적으로는 브로드캐스트의 처리 문제로 브로드캐스팅을 하면 하나의 네트워크 안에 있는 모든 컴퓨터에 전송된다.
컴퓨터가 많아질수록 트래픽에서 문제가 발생하게 된다.

라우터는 이런 브로드캐스트를 중계하지 않기에 네트워크를 나누는 기기가 될 수 있다.

인터넷 프로토콜 IP (Internet Protocol)

이런 네트워크간의 데이터 송수신을 인터넷이라고 한다.
떨어진 장소에 있는 컴퓨터끼리 데이터 통신을 하고, 그렇기 위해서는 주소가 필요하다.

MAC 주소는 벤더 코드와 제조 업체가 붙인 번호로만 이루어져있기에 ‘어디에’라는 정보가 없다.
그래서 IP(Internet Protocol) 주소가 필요하고 네트워크 계층에서 사용하는 논리 주소다.

논리 주소와 물리 주소

MAC 주소는 AA:BB:CC:DD:EE:FF의 형식으로 위치 정보는 전혀 들어있지 않고 이를 물리 주소라 하며 바뀔 수 없다.
IP주소는 어느 네트워크의 어느 컴퓨터라는 의미가 담긴 논리 주소이기에 찾아낼 수 있으며 상황에 따라 바뀔 수 있다.

IP 주소

IP 주소는 현재 2가지 버전이 있으며 IPv4와 IPv6이다.

IPv4

32비트 주소 체계로, 192.168.0.1처럼 점으로 구분된 4개의 10진수로 표현한다.
각 부분은 0~255의 값을 가지므로 8bit*4 = 32bit이다.
32비트로는 약 2^32=43억 개의 주소를 만들 수 있으므로 인터넷의 보급에 따라 주소의 개수가 부족해졌다.

IPv6

128비트 주소 체계로, 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 같은 16진수로 표현하며 콜론으로 구분했다.
16진수로 표현하며 콜론으로 구분한다. 2^128개의 주소를 만들 수 있으므로 사실상 무한대다.

하지만 여전히 우리는 IPv4 체계에 익숙하고, 실제로도 많이 사용한다.
그 이유는 이후에 설명한 NAT의 등장과 기존 인프라와의 호환성이 있다.

우선 NAT란 사설 IP를 공인 IP로 변환하는 기술로 단일 IP주소로 수천대의 기기가 연결이 가능해졌다.
또, IPv4와 IPv6는 호환되지 않아 완전한 전환이 이루어져야 하는데 앞선 NAT로 IP 부족 문제가 어느정도 해소되며
전환되는 속도에 있어서 느려진 것 같아 보인다.

공인 IP vs 사설 IP

버그바운티나 모의 해킹 대회 신청을 할 때 공인 IP를 제출하라는 말을 들어본적이 있다.

공인 IP는 인터넷에서 유일하게 식별 가능한 주소다.
ISP(통신사)에서 할당받으며, 전 세계에서 중복되지 않고, 인터넷에 직접 연결된 서버나 라우터가 가지는 주소다.

사설 IP는 LAN 내부에서만 사용하는 주소다.
외부 인터넷에서는 직접 접근할 수 없으며, 사용할 수 있는 범위도 정해져 있다.

0.0.0        ~ 10.255.255.255     (A 클래스)
16.0.0      ~ 172.31.255.255     (B 클래스)
168.0.0     ~ 192.168.255.255    (C 클래스)

집이나 회사에서 쓰는 대부분의 기기는 192.168.x.x 같은 사설 IP를 가진다.
이들은 공유기(라우터)를 통해 하나의 공인 IP로 인터넷에 접속한다.

서브넷 마스크와 서브네팅

IP 주소는 네트워크 부분과 호스트 부분으로 나뉜다.
서브넷 마스크는 이 경계를 표시하는 값이다.

예를 들어 192.168.0.1/24라고 쓰면 /24는 앞 24비트가 네트워크 부분이라는 뜻이다.

서브넷 마스크는 255.255.255.0
192.168.0이 네트워크 주소
마지막 .1이 호스트 주소

같은 네트워크에 속하려면 네트워크 부분이 같아야 한다.
또, 192.168.0.1/24일 때 IP로 사용 가능한 범위는 192.168.0.1 ~ 192.168.0.254로 254개이다.
호스트 부분이 모두 0인 192.168.0.0은 전체 네트워크에서 작은 네트워크를 식별하는 네트워크 주소
모두 1인 192.168.0.255는 브로드캐스트 주소로 예약되어 있기 때문이다.

서브네팅

큰 네트워크를 작은 네트워크로 나누는 것을 서브네팅이라고 한다.
회사에서 부서별로 네트워크를 분리하거나, 보안을 위해 네트워크를 격리할 때 사용한다.

192.168.0.0/24 네트워크가 있을 때, 호스트 부분에는 0~255가 올 수 있다.

원래:
192.168.0.0/24 → 192.168.0.0 ~ 192.168.0.255 (256개 주소)

서브네팅 후:
192.168.0.0/25   → 192.168.0.0   ~ 192.168.0.127  (128개)
192.168.0.128/25 → 192.168.0.128 ~ 192.168.0.255  (128개)

/24를 /25로 바꾸면 네트워크 비트가 1개 늘어나서 서브넷이 2개가 된다.
/26이면 4개, /27이면 8개로 나뉜다.

서브넷을 나눠서 얻을 수 있는 효과는

브로드캐스트 범위가 작아져 네트워크 효율 향상
보안 정책을 서브넷 단위로 적용 가능

가 있다.

하지만 서브넷마다 네트워크 주소와 브로드캐스트 주소가 필요해서 사용 가능한 IP가 줄어든다.

IP 패킷 구조

네트워크 계층에서 데이터 단위를 패킷(Packet)이라고 한다.
2계층의 프레임 안에 IP 패킷이 들어가는 구조다.

4계층에서 온 데이터(TCP 세그먼트 또는 UDP 데이터그램)에 IP 헤더를 붙여서 패킷을 만든다.

IPv4 패킷 헤더 구조:

헤더는 최소 20바이트로 구성되며 옵션 포함 시 최대 60바이트이다.

버전 (4bit): IPv4는 4, IPv6는 6
IHL (4bit): 헤더 길이
TOS (8bit): 서비스 유형,패킷의 우선순위와 처리 방식 지정
전체 길이 (16bit): 헤더+데이터의 전체 크기, 최대 65,535바이트
식별자 (16bit): 같은 데이터그램의 조각들을 식별하기 위한 ID
플래그 (3bit):
- Reserved (1bit): 예약됨, 항상 0
- DF (Don’t Fragment, 1bit): 1이면 조각화 금지
- MF (More Fragments, 1bit): 1이면 뒤에 조각이 더 있음
조각 오프셋 (13bit): 원본 데이터에서 이 조각의 위치. 8바이트 단위
TTL (8bit, Time To Live): 패킷이 거칠 수 있는 최대 라우터 수. 매 라우터마다 1씩 감소
프로토콜 (8bit): 상위 계층 프로토콜 (6=TCP, 17=UDP, 1=ICMP)
헤더 체크섬 (16bit): 헤더 오류 검출용. 데이터는 검사 안 함
출발지 IP 주소 (32bit)
목적지 IP 주소 (32bit)
옵션 (가변): 선택적 필드. 보안, 라우팅 등
패딩: 옵션이 32비트 배수가 되도록 0으로 채움

의 정보가 담긴다.

ARP (Address Resolution Protocol)

그런데 우리는 데이터를 보낼 때 보통 IP 주소는 알지만 MAC 주소는 모른다.

2계층에서 프레임을 만들려면 목적지 MAC 주소가 필요한데, IP 주소만으로는 알 수 없다.
이때 사용하는 것이 ARP 프로토콜이다. ARP는 IP 주소를 MAC 주소로 변환해주는 프로토콜이다.

ARP 동작 과정:

192.168.0.5의 MAC 주소를 알아야 하는 상황.
A는 LAN 전체에 ARP Request를 브로드캐스트한다
- 목적지 MAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF (브로드캐스트)
- 내용: “IP 주소 192.168.0.5를 가졌으면 응답 요구
해당 IP를 가진 컴퓨터 B가 ARP Reply로 자신의 MAC 주소를 응답한다
- 목적지 MAC: A의 MAC 주소 (유니캐스트)
- 내용: 자신의 MAC 주소 AA:BB:CC:DD:EE:FF
A는 받은 MAC 주소를 ARP 캐시에 저장해두고 사용한다

ARP 캐시는 일정 시간(보통 몇 분) 동안 유지되므로, 매번 ARP 요청을 보낼 필요는 없다.
윈도우에서는 arp -a 명령어로 ARP 캐시를 확인할 수 있다.

$ arp -a
인터페이스: 192.168.0.10
  인터넷 주소          물리적 주소           형식
  192.168.0.1         aa-bb-cc-dd-ee-ff     동적
  192.168.0.5         11-22-33-44-55-66     동적

ARP Spoofing

ARP Spoofing 공격은 거짓 ARP 응답을 보내서 트래픽을 가로챌 수 있다.

정상 상황:
컴퓨터 A → 게이트웨이(192.168.0.1) → 인터넷

ARP Spoofing 공격:
공격자가 192.168.0.1의 MAC이 자신의 MAC인 것처럼 거짓 ARP Reply 전송
    ↓
컴퓨터 A의 ARP 캐시가 변조됨
    ↓
컴퓨터 A → 공격자 → 게이트웨이 → 인터넷 (중간자 공격)

공격자가 자신이 대답을 해야하는 것처럼 먼저 응답하면 피해자의 모든 인터넷 트래픽이 공격자의 컴퓨터를 거쳐간다.
이를 중간자 공격(Man-in-the-Middle Attack)이라 한다.

방어 방법으로는 중요한 기기의 MAC 주소를 수동으로 고정하고, 탐지 도구를 이용할 수 있다.

ICMP (Internet Control Message Protocol)

ICMP는 네트워크 계층에서 오류 보고와 진단에 사용하는 프로토콜이다.
실제 데이터를 전송하는 게 아니라, 네트워크 상태 정보를 주고받는다.

가장 대표적인 ICMP 활용이 ping 명령어다.

ping 동작 원리:

ping 8.8.8.8 명령 실행
ICMP Echo Request 패킷을 8.8.8.8로 전송
목적지가 살아있으면 ICMP Echo Reply 패킷으로 응답
응답 시간(RTT, Round Trip Time)과 패킷 손실률 표시

  
$ ping 8.8.8.8
PING 8.8.8.8 (8.8.8.8): 56 data bytes
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=0 ttl=115 time=10.2 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=1 ttl=115 time=9.8 ms
64 bytes from 8.8.8.8: icmp_seq=2 ttl=115 time=11.1 ms

--- 8.8.8.8 ping statistics ---
3 packets transmitted, 3 packets received, 0.0% packet loss
round-trip min/avg/max/stddev = 9.8/10.4/11.1/0.5 ms

ICMP 메시지 종류:

Type 0 - Echo Reply: ping 응답
Type 3 - Destination Unreachable: 목적지에 도달할 수 없음
- Code 0: 네트워크 도달 불가
- Code 1: 호스트 도달 불가
- Code 3: 포트 도달 불가
Type 8 - Echo Request: ping 요청
Type 11 - Time Exceeded: TTL이 0이 되어 패킷 폐기됨
Type 5 - Redirect: 더 나은 경로가 있음을 알림

traceroute의 원리

traceroute(윈도우에서는 tracert) 명령은 ICMP를 이용해 경로를 추적한다.

  
$ traceroute google.com
192.168.0.1 (192.168.0.1)  1.234 ms
10.1.1.1 (10.1.1.1)  5.678 ms
203.0.113.1 (203.0.113.1)  15.234 ms
142.250.185.46 (142.250.185.46)  20.123 ms

동작 원리:

TTL=1인 패킷 전송 → 첫 번째 라우터가 “Time Exceeded” 응답
TTL=2인 패킷 전송 → 두 번째 라우터가 “Time Exceeded” 응답
TTL을 1씩 늘려가며 목적지까지 경로 파악

라우터와 라우팅

라우터는 서로 다른 네트워크를 연결하고, 패킷을 목적지까지 전달하는 장비다.
스위치가 MAC 주소를 보고 같은 LAN 안에서 전달한다면, 라우터는 IP 주소를 보고 다른 네트워크로 전달한다.

라우터는 내부에 라우팅 테이블을 가지고 있다.
이 테이블에는 “어느 네트워크로 가려면 어느 경로로 보내야 하는지” 정보가 저장된다.

목적지 네트워크    서브넷 마스크    다음 홉(게이트웨이)  인터페이스
168.0.0       255.255.255.0    직접 연결            eth0
0.0.0          255.0.0.0        192.168.0.254        eth0
0.0.0           0.0.0.0          192.168.0.1          eth0 (기본 경로)

라우팅 동작 과정:

패킷이 들어오면:

목적지 IP 주소 확인
라우팅 테이블에서 가장 구체적으로 일치하는 항목 찾기
해당 항목의 “다음 홉”으로 패킷 전달
일치하는 항목이 없으면 기본 경로(0.0.0.0/0, Default Gateway)로 전달

예시:

목적지 IP: 192.168.0.50
→ 라우팅 테이블 확인
→ 192.168.0.0/24 매칭
→ 직접 연결된 네트워크이므로 ARP로 MAC 주소 찾아서 직접 전달

목적지 IP: 8.8.8.8
→ 라우팅 테이블 확인
→ 매칭되는 항목 없음
→ 기본 경로(0.0.0.0/0) 사용
→ 192.168.0.1(게이트웨이)로 전달

이 과정을 라우팅(Routing)이라 하며, 패킷이 목적지에 도달할 때까지 여러 라우터를 거치면서 반복된다.

라우팅 테이블 구성 방법:

정적 라우팅(Static Routing): 관리자가 수동으로 경로 설정. 작은 네트워크에 적합.
동적 라우팅(Dynamic Routing): 라우팅 프로토콜(RIP, OSPF, BGP 등)을 통해 자동으로 경로 학습. 큰 네트워크에 필수.

게이트웨이 (Gateway)

라우터에서 다른 네트워크로 들어가는 입구 역할을 하는 곳을 게이트웨이라고 부른다.
LAN에서 WAN으로 나가기 위해 반드시 존재해야 한다.

컴퓨터는 자신이 모르는 목적지로 데이터를 보낼 때, 무조건 기본 게이트웨이로 보낸다.
보통 공유기 설정 페이지 주소로 많이 쓰이는 192.168.0.1 같은 주소가 기본 게이트웨이다.

NAT (Network Address Translation)

앞서 사설 IP는 인터넷에서 직접 접근할 수 없다고 했다.
그럼 사설 IP를 가진 기기는 어떻게 인터넷에 접속할까?

NAT는 사설 IP를 공인 IP로 변환하는 기술이다.
집이나 회사의 공유기(라우터)가 이 역할을 한다.

내부 → 외부 통신 과정

사설 IP에서 외부 인터넷으로 접속하는 전체 과정을 살펴보자.

1단계: 내부 네트워크에서 패킷 생성

내부 컴퓨터 (192.168.0.10)가 구글 DNS(8.8.8.8)에 요청

출발지 IP:   192.168.0.10
출발지 포트: 54321 (임시 할당)
목적지 IP:   8.8.8.8
목적지 포트: 53 (DNS)

2단계: 공유기(NAT 라우터) 통과

공유기가 패킷을 받으면:

[변환 전 패킷]
출발지: 192.168.0.10:54321 → 8.8.8.8:53

         ↓ NAT 변환

[변환 후 패킷]
출발지: 203.0.113.5:12345 → 8.8.8.8:53
        (공인 IP)(새 포트)

NAT 테이블 기록:
192.168.0.10:54321 ↔ 203.0.113.5:12345

공유기는:

출발지 IP를 자신의 공인 IP(203.0.113.5)로 변경
출발지 포트를 새로운 포트(12345)로 변경
NAT 테이블에 매핑 정보 저장
변환된 패킷을 인터넷으로 전송

3단계: 외부 서버 응답

구글 DNS 서버가 응답:

출발지: 8.8.8.8:53
목적지: 203.0.113.5:12345 (공유기의 공인 IP와 포트)

4단계: 공유기가 응답 패킷 처리

공유기가 응답 패킷을 받으면:

[받은 패킷]
8.8.8.8:53 → 203.0.113.5:12345

         ↓ NAT 테이블 조회

NAT 테이블: 203.0.113.5:12345 → 192.168.0.10:54321

         ↓ 역변환

[전달할 패킷]
8.8.8.8:53 → 192.168.0.10:54321

공유기는:

목적지 포트(12345)를 보고 NAT 테이블 확인
원래 내부 주소(192.168.0.10:54321) 찾기
목적지 IP와 포트를 원래대로 변환
내부 컴퓨터로 패킷 전달

이렇게 하면 하나의 공인 IP로 수십, 수백 대의 기기가 인터넷을 사용할 수 있다.
이를 NAPT (Network Address Port Translation) 또는 PAT (Port Address Translation)라고도 한다.

외부 → 내부 접근이 불가능한 이유

하지만 외부에서 내부로 바로 접근하는 것을 불가능하다.

첫번째 이유는 NAT 테이블에 매핑이 없다 NAT 테이블은 내부에서 외부로 연결을 시작할 때만 생성된다.

외부에서 갑자기 패킷이 들어오는 경우:

출발지: 1.2.3.4:80
목적지: 203.0.113.5:12345

공유기의 NAT 테이블 확인...
→ 포트 12345에 대한 매핑이 없음
→ 어느 내부 컴퓨터로 보내야 할지 모르게 됨.
→ 패킷 폐기

공유기 입장에서는 “포트 12345로 온 패킷을 어느 내부 기기로 보내야 하는지” 알 수 없다.

두번째 이유는 사설 IP는 라우팅이 불가능하다. 사설 IP 주소(192.168.x.x, 10.x.x.x 등)는 인터넷 라우터에서 라우팅되지 않는다.

외부 공격자가 192.168.0.10에 직접 접근 시도:

공격자 → 인터넷 라우터 → ... → X (라우팅 불가)

이유: 192.168.0.10은 사설 주소이므로 
인터넷 라우터는 어디로 보내야 할지 모름

사설 IP는 로컬 네트워크에서만 유효하고, 인터넷에서는 의미가 없다.

외부에서 내부 서버에 접근하려면?

그렇다면 집에서 웹 서버를 운영하거나 게임 서버를 열고 싶다면 어떻게 해야 할까?

포트 포워딩 (Port Forwarding)

공유기 설정에서 특정 포트로 들어오는 요청을 내부 특정 IP로 전달하도록 미리 설정한다.

포트 포워딩 설정:
외부 포트 80 → 192.168.0.10:8080

설정 후:
외부 요청: 203.0.113.5:80
    ↓
공유기가 자동 변환
    ↓
내부 전달: 192.168.0.10:8080

이렇게 하면:

외부에서 203.0.113.5:80으로 접속
공유기가 192.168.0.10:8080로 자동 전달
내부 웹 서버가 응답

포트 포워딩은 NAT 테이블에 정적 매핑을 미리 만들어 두는 것이다.

DMZ (Demilitarized Zone)

특정 내부 IP를 완전히 외부에 노출시키는 설정이다.

DMZ 설정: 192.168.0.100

모든 외부 요청 → 192.168.0.100으로 전달

포트 포워딩과 달리 모든 포트가 열리므로 보안에 매우 취약하다.
테스트 목적이 아니라면 사용하지 않는 것이 좋다.

NAT의 장단점

장점:

IP 주소 절약: 하나의 공인 IP로 여러 기기 사용 가능
보안 효과: 내부 네트워크 구조 숨김, 외부에서 직접 접근 불가
유연성: 내부 IP 체계를 자유롭게 변경 가능

단점:

외부 접근 불가: 포트 포워딩 등 추가 설정 필요
P2P 통신 어려움: 양쪽이 모두 NAT 뒤에 있으면 직접 연결 불가
성능 오버헤드: 패킷마다 주소 변환 필요
로그 추적 어려움: 여러 사용자가 하나의 IP 공유

이렇게 3계층에서 데이터가 어떻게 경로를 찾고, 다른 네트워크까지 전달되는지 알아 보았다.
IP 주소로 목적지를 찾고, ARP로 MAC 주소를 알아내고, 라우터가 패킷을 다음 게이트웨이로 전달한다.

다음 글에서는 전송 계층인 4계층을 알아보자.