Network Address Translation (NAT): Cara lain menghemat IP Address

Misi awal Internet adalah sebagai jaringan komunikasi non-profit. Pada awalnya, Internet didesain tanpa memperhatikan dunia bisnis. Kemudian hal ini menjadi masalah sekarang dan di masa depan. Dengan semakin banyaknya penghuni Internet, baik pencari informasi maupun penyedia informasi, maka kebutuhan akan pengalamatan di Internet makin membengkak. Kebutuhan besar akan IP address biasanya terjadi di jaringan komputer perusahaan dan LAN-LAN di lembaga pendidikan.
IP address sebagai sarana pengalamatan di Internet semakin menjadi barang mewah dan ekslusif. Tidak sembarang orang sekarang ini bisa mendapatkan IP address yang valid dengan mudah. Oleh karena itulah dibutuhkan suatu mekanisme yang dapat menghemat IP address. Logika sederhana untuk penghematan IP address ialah dengan meng-share suatu nomor IP address valid ke beberapa client IP lainnya. Atau dengan kata lain beberapa komputer bisa mengakses Internet walau kita hanya memiliki satu IP address yang valid. Salah satu Mekanisme itu disediakan oleh Network Address Translation (NAT)

Beberapa Konsep Dasar
Sebelum kita membahas lebih lanjut ada baiknya kita urai kembali konsep-konsep dasar yang harus dipahami sebelum masuk ke NAT. Diantaranya adalah TCP/IP, Gateway/Router, dan Firewall.

TCP/IP
Protokol yang menjadi standar dan dipakai hampir oleh seluruh komunitas Internet adalah TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Agar komputer bisa berkomunikasi dengan komputer lainnya, maka menurut aturan TCP/IP, komputer tersebut harus memiliki suatu address yang unik. Alamat tersebut dinamakan IP address. IP Address memiliki format sbb: aaa.bbb.ccc.ddd. Contohnya: 167.205.19.33
Yang penting adalah bahwa untuk berkomunikasi di Internet, komputer harus memiliki IP address yang legal. Legal dalam hal ini artinya adalah bahwa alamat tersebut dikenali oleh semua router di dunia dan diketahui bahwa alamat tersebut tidak ada duplikatnya di tempat lain. IP address legal biasanya diperoleh dengan menghubungi InterNIC.
Suatu jaringan internal bisa saja menggunakan IP address sembarang. Namun untuk tersambung ke Internet, jaringan itu tetap harus menggunakan IP address legal. Jika masalah routing tidak dibereskan (tidak menggunakan IP address legal), maka saat sistem kita mengirim paket data ke sistem lain, sistem tujuan itu tidak akan bisa mengembalikan paket data tersebut, sehingga komunikasi tidak akan terjadi.
Dalam berkomunikasi di Internet/antar jaringan komputer dibutuhkan gateway/router sebagai jembatan yang menghubungkan simpul-simpul antar jaringan sehingga paket data bisa diantar sampai ke tujuan.

Gateway/Router
Gateway adalah komputer yang memiliki minimal 2 buah network interface untuk menghubungkan 2 buah jaringan atau lebih. Di Internet suatu alamat bisa ditempuh lewat gateway-gateway yang memberikan jalan/rute ke arah mana yang harus dilalui supaya paket data sampai ke tujuan. Kebanyakan gateway menjalankan routing daemon (program yang meng-update secara dinamis tabel routing). Karena itu gateway juga biasanya berfungsi sebagai router. Gateway/router bisa berbentuk Router box seperti yang di produksi Cisco, 3COM, dll atau bisa juga berupa komputer yang menjalankan Network Operating System plus routing daemon. Misalkan PC yang dipasang Unix FreeBSD dan menjalankan program Routed atau Gated. Namun dalam pemakaian Natd, routing daemon tidak perlu dijalankan, jadi cukup dipasang gateway saja.
Karena gateway/router mengatur lalu lintas paket data antar jaringan, maka di dalamnya bisa dipasangi mekanisme pembatasan atau pengamanan (filtering) paket-paket data. Mekanisme ini disebut Firewall.

Firewall
Sebenarnya Firewall adalah suatu program yang dijalankan di gateway/router yang bertugas memeriksa setiap paket data yang lewat kemudian membandingkannya dengan rule yang diterapkan dan akhirnya memutuskan apakah paket data tersebut boleh diteruskan atau ditolak. Tujuan dasarnya adalah sebagai security yang melindungi jaringan internal dari ancaman dari luar. Namun dalam tulisan ini Firewall digunakan sebagai basis untuk menjalankan Network Address Translation (NAT).
Dalam FreeBSD, program yang dijalankan sebagai Firewall adalah ipfw. Sebelum dapat menjalankan ipfw, kernel GENERIC harus dimodifikasi supaya mendukung fungsi firewall. Ipfw mengatur lalu lintas paket data berdasarkan IP asal, IP tujuan, nomor port, dan jenis protocol. Untuk menjalankan NAT, option IPDIVERT harus diaktifkan dalam kernel.

DIVERT (mekanisme diversi paket kernel)
Socket divert sebenarnya sama saja dengan socket IP biasa, kecuali bahwa socket divert bisa di bind ke port divert khusus lewat bind system call. IP address dalam bind tidak diperhatikan, hanya nomor port-nya yang diperhatikan. Sebuah socket divert yang dibind ke port divert akan menerima semua paket yang didiversikan pada port tersebut oleh mekanisme di kernel yang dijalankan oleh implementasi filtering dan program ipfw. Mekanisme ini yang dimanfaatkan nantinya oleh Network Address Translator.
Itulah beberapa bahasan awal yang akan mengantar kita ke pembahasan inti selanjutnya.

Network Address Translation (NAT)
Dalam FreeBSD, mekanisme Network Address Translation (NAT) dijalankan oleh program Natd yang bekerja sebagai daemon. Network Address Translation Daemon (Natd) menyediakan solusi untuk permasalahan penghematan ini dengan cara menyembunyikan IP address jaringan internal, dengan membuat paket yang di-generate di dalam terlihat seolah-olah dihasilkan dari mesin yang memiliki IP address legal. Natd memberikan konektivitas ke dunia luar tanpa harus menggunakan IP address legal dalam jaringan internal.
Natd menyediakan fasilitas Network Address Translation untuk digunakan dengan socket divert. Natd mengubah semua paket yang ditujukan ke host lain sedemikian sehingga source IP addressnya berasal dari mesin Natd. Untuk setiap paket yang diubah berdasarkan aturan ini, dibuat tabel translasi untuk mencatat transaksi ini.
Dengan NAT, aturan bahwa untuk berkomunikasi harus menggunakan IP address legal, dilanggar.NAT bekerja dengan jalan mengkonversikan IP-IP address ke satu atau lebih IP address lain. IP address yang dikonversi adalah IP address yang diberikan untuk tiap mesin dalam jaringan internal (bisa sembarang IP). IP address yang menjadi hasil konversi terletak di luar jaringan internal tersebut dan merupakan IP address legal yang valid/routable.

Mekanisme NAT
Sebuah paket TCP terdiri dari header dan data. Header memiliki sejumlah field di dalamnya, salah satu field yang penting di sini adalah MAC (Media Access Control) address asal dan tujuan, IP address asal dan tujuan, dan nomor port asal dan tujuan.
Saat mesin A menghubungi mesin B, header paket berisi IP A sebagai IP address asal dan IP B sebagai IP address tujuan. Header ini juga berisi nomor port asal (biasanya dipilih oleh mesin pengirim dari sekumpulan nomor port) dan nomor port tujuan yang spesifik, misalnya port 80 (untuk web).
Kemudian B menerima paket pada port 80 dan memilih nomor port balasan untuk digunakan sebagai nomor port asal menggantikan port 80 tadi. Mesin B lalu membalik IP address asal & tujuan dan nomor port asal & tujuan dalam header paket. Sehingga keadaan sekarang IP B adalah IP address asal dan IP A adalah IP address tujuan. Kemudian B mengirim paket itu kembali ke A. Selama session terbuka, paket data hilir mudik menggunakan nomor port yang dipilih.
Router (yang biasa – tanpa Natd) memodifikasi field MAC address asal & tujuan dalam header ketika me-route paket yang melewatinya. IP address, nomor port, dan nomor sequence asal & tujuan tidak disentuh sama sekali.
NAT juga bekerja atas dasar ini. Dimulai dengan membuat tabel translasi internal untuk semua IP address jaringan internal yang mengirim paket melewatinya. Lalu men-set tabel nomor port yang akan digunakan oleh IP address yang valid. Ketika paket dari jaringan internal dikirim ke Natd untuk disampaikan keluar, Natd melakukan hal-hal sebagai berikut:
1. Mencatat IP address dan port asal dalam tabel translasi
2. Menggantikan nomor IP asal paket dengan nomor IP dirinya yang valid
3. Menetapkan nomor port khusus untuk paket yang dikirim keluar, memasukkannya dalam tabel translasi dan menggantikan nomor port asal tersebut dengan nomor port khusus ini.
Ketika paket balasan datang kembali, Natd mengecek nomor port tujuannya. Jika ini cocok dengan nomor port yang khusus telah ditetapkan sebelumnya, maka dia akan melihat tabel translasi dan mencari mesin mana di jaringan internal yang sesuai. Setelah ditemukan, ia akan menulis kembali nomor port dan IP address tujuan dengan IP address dan nomor port asal yang asli yang digunakan dulu untuk memulai koneksi. Lalu mengirim paket ini ke mesin di jaringan internal yang dituju. Natd memelihara isi tabel translasi selama koneksi masih terbuka.

Gambar Contoh Mekanisme Natd


Perbedaan dengan sistem Proxy
Hampir mirip dengan NAT, suatu jaringan kecil dengan proxy bisa menempatkan beberapa mesin untuk mengakses web dibelakang sebuah mesin yang memiliki IP address valid. Ini juga merupakan langkah penghematan biaya dibanding harus menyewa beberapa account dari ISP dan memasang modem & sambungan telepon pada tiap mesin.
Namun demikian, proxy server ini tidak sesuai untuk jaringan yang lebih besar. Bagaimanapun, menambah hard disk dan RAM pada server proxy supaya proxy berjalan efisien tidak selalu dapat dilakukan (karena constraint biaya). Lagi pula, persentase web page yang bisa dilayani oleh cache proxy akan makin menurun sejalan dengan semakin menipisnya ruang kosong di hard disk, sehingga penggunaan cache proxy menjadi tidak lebih baik dari pada sambungan langsung. Tambahan lagi, tiap koneksi bersamaan akan meng-generate proses tambahan dalam proxy. Tiap proses ini harus menggunakan disk I/O channel yang sama, dan saat disk I/O channel jenuh, maka terjadilah bottle neck.
NAT menawarkan solusi yang lebih fleksibel dan scalable. NAT menghilangkan keharusan mengkonfigurasi proxy/sock dalam tiap client. NAT lebih cepat dan mampu menangani trafik network untuk beribu-ribu user secara simultan.
Selain itu, translasi alamat yang diterapkan dalam NAT, membuat para cracker di Internet tidak mungkin menyerang langsung sistem-sistem di dalam jaringan internal. Intruder harus menyerang dan memperoleh akses ke mesin NAT dulu sebelum menyiapkan serangan ke mesin-mesin di jaringan internal. Penting di ketahui bahwa, sementara dengan NAT jaringan internal terproteksi, namun untuk masalah security, tetap saja diperlukan paket filtering dan metoda pengamanan lainnya dalam mesin NAT.

Contoh Kasus Installasi Natd

Sebuah perusahaan kecil memiliki sejumlah komputer dan sambungan ke Internet. Komputer-komputer itu saat ini telah membentuk suatu LAN. Sambungan Internet-nya diasumskan berupa dedicated T1 link

Langkah-langkah yang harus dilakukan
1. Installasi FreeBSD
Sediakan satu komputer untuk dijadikan Gateway. Penulis menyarankan penggunaan FreeBSD RELEASE 2.2.6 (Natd hanya jalan di FreeBSD 2.2.1 ke atas), karena selain gratis juga requirement hardware-nya tidak terlalu boros. PC 486 dengan 16 MB memory dan HD 850 MB juga sudah cukup mewah.
Untuk mengetahui proses installasi FreeBSD, silahkan baca kembali tulisan-tulisan di Infokomputer sebelumnya dan manual FreeBSD sendiri.
2. Installasi Gateway
Pasang 2 network interface agar mesin ini menjadi gateway. Network Card (misal NE2000 atau 3COM) satu dihubungkan ke jaringan internal dan satu lagi untuk koneksi ke ISP. Misalnya dua-duanya NE2000 Compatible. maka nick untuk card yang menghadap ke dalam adalah ed0 dan untuk card yang menghadap keluar adalah ed1.
Pastikan juga option gateway = ”YES” tertulis dengan benar dalam file rc.conf. Atau bisa juga dengan mengetik perintah: sysctl -w net.inet.ip.forwarding=1

3. Installasi Firewall
Pasang IP firewall di mesin FreeBSD ini. Caranya adalah :
a. Edit kernel source di /usr/src/sys/i386/conf
Tambahkan option-option berikut ini pada file kernel.

options IPFIREWALL
options IPFIREWALL_VERBOSE
options “IPFIREWALL_VERBOSE_LIMIT=100”
options IPDIVERT

b. Compile kernel tersebut
c. Aktifkan firewall di rc.conf dengan menambahkan

firewall="YES"
firewall_type="OPEN"

3. Installasi Natd
Langkah-langkahnya adalah sbb:
a. Download source nya di ftp://ftp.suutari.iki.fi/pub/natd
b. Unzip dan untar archive tersebut dengan perintah
gzip -dc natd_1.12.tar.gz | tar -xvf -
c. Lakukan make dan make install di direktori yang dihasilkan. Ketikkan perintah berikut:
cd natd_1.12
make
make install
d. Edit startup file supaya Natd berjalan secara otomatis
Buat file natd.sh di /usr/local/etc/rc.d. Isi file tersebut adalah

#!/bin/sh
/sbin/ipfw -f flush
/sbin/ipfw add divert 13494 ip from any to any via ed0
/sbin/ipfw add pass all from 127.0.0.1 to 127.0.0.1
/sbin/ipfw add pass ip from any to any
/usr/local/sbin/natd -port 13494 -interface ed0

Arti dari file ini adalah:
 Hapuskan semua rule firewall
 Tambahkan feature divert di port 13494 (Anda bisa mengganti ini dengan port yang Anda inginkan) untuk mendiversi paket dari dan ke gateway lewat interface ed0
 Bolehkan semua paket lewat di atas local host
 Bolehkan semua paket IP lewat semua interface
 Jalankan Natd dengan menjadi daemon yang menunggu di port 13494 via interface ed0.
e. Reboot mesin FreeBSD-nya supaya setting bisa diaktifkan.

4. Konfigurasikan TCP/IP Client.
Jadikan nomor IP card ed0 di FreeBSD sebagai gateway dari tiap workstation, IP tiap-tiap work station harus berada dalam network yang sama dengan card ed0 yang ada di mesin gateway. Misal ed0 di-beri nomor IP 192.168.1.1 dan ed1 167.205.19.5, maka workstation diberi nomor IP 192.168.1.2 s/d 192.168.1.14 jika digunakan mask 16 atau 255.255.255.240. ed1 adalah interface yang memiliki IP address valid

Setelah semuanya langkah-langkah di atas dijalankan dengan baik maka, applikasi Internet di client siap dijalankan via NAT.
Untuk kasus lain misalnya sambungan ke Internet-nya menggunakan modem, maka mekanismenya sama saja, tinggal diganti interface di gateway yang menghadap keluar dengan interface modem (tun0) dan jalankan program ppp untuk men-dial ISP-nya. Khusus untuk dial-out, ppp sebenarnya memiliki mekanisme sendiri untuk kasus ini yaitu dengan option -alias. Jadi jika kita menjalankan ppp dengan option -alias maka kita tidak perlu menjalankan Natd, karena option ini menyediakan fasilitas yang sama dengan Natd khusus untuk dial-out.
Natd hanyalah salah satu cara untuk menghemat persediaan IP address yang semakin menipis. Dengan adanya fakta bahwa untuk bergabung ke Internet, host pencari informasi (Client) sebenarnya tidak perlu memiliki IP address legal, maka IP address legal tersebut bisa dicadangkan untuk host-host penyedia informasi (Server). Penelitian untuk terus memperbaiki performansi Internet ini masih terus dikembangkan. Sekarang ini juga sedang dikembangkan model IP versi baru yaitu IP versi 6 (IPv6), yang bisa menampung lebih banyak lagi komputer-komputer di Internet. Namun demikian untuk kondisi sekarang, Natd masih merupakan solusi ampuh sebelum IPv6 diterapkan.

Referensi

Douba, Salim. Networking UNIX, The Complete Reference for UNIX networks. SAMS Publishing. 1995
Unix Integration to WAN: Applied Computer Internetworking. CNRG ITB
FreeBSD Handbook. FreeBSD Inc.