普段からあなたはNATにお世話になってます。

はじめに

「NATって設定画面で見るけど、なに？」 「プライベートIPアドレスとどう関係するのか？」 「なぜわざわざアドレスを変換する必要があるのか？」「そもそもNATが初耳」

——この記事では、NATの目的・仕組み・種類・注意点を順に説明していく。前提知識はほぼ不要だが、「IPアドレスはネットワーク上の住所のようなもの」という点だけ押さえておけば十分だ。
もう少し詳しく知りたいときは先に是非こちらを読んでほしい

1. NATとは何か

NAT(Network Address Translation) とは、IPパケットに書かれた送信元・宛先のIPアドレスを、通信の途中で別のアドレスに書き換える技術 である。日本語では「ネットワークアドレス変換」と呼ぶ。（IPパケットとはデータを送受信する際に細かく分ける最小単位である。）

書き換えを行うのは、たいていの場合、家庭や会社に置かれているルーターだ。ルーターは内側（LAN）と外側（インターネット）の境界に立ち、内側のアドレスと外側のアドレスを相互に変換する。

ここで前提となるのが、IPアドレスに2種類あることだ。

• グローバルIPアドレス：インターネット上で一意でなければならない。世界中で重複が許されず、数に限りがある。

• プライベートIPアドレス：組織内部だけで使うアドレス。以下の範囲が予約されており、世界中の家庭・企業で自由に（重複して）使ってよい。

  • 10.0.0.0 ～ 10.255.255.255

  • 172.16.0.0 ～ 172.31.255.255

  • 192.168.0.0 ～ 192.168.255.255

プライベートIPアドレスはそのままではインターネットに出られない。この「出られないアドレス」を「出られるアドレス」に変換して橋渡しするのがNATである。

2. なぜNATが必要か

理由は主に2つある。

(1) IPv4アドレスの枯渇 IPv4のグローバルIPアドレスは約43億個しかなく、世界の端末数に対してまったく足りない。もし全端末にグローバルIPを1個ずつ割り当てていたら、とうの昔に尽きている。

(2) 1個のグローバルIPを複数端末で共有できる NATを使えば、家庭内にスマホ・PC・テレビ・ゲーム機が何台あっても、プロバイダから借りているグローバルIPアドレス1個だけで全端末がインターネットに接続できる。内部ではプライベートIPアドレスを使い、外に出る瞬間だけグローバルIPに変換する。

つまりNATは、限りあるグローバルIPアドレスを節約するための仕組みだと言える。

グローバルIPとプライベートIP現実で考えると6人家族の田中さん一家が住んでいるとします。田中家に手紙を送るとき、住所は「○○県○○市○○町 田中家」と書けば届きます。この家全体を表す住所が「グローバルIPアドレス」です。そして、手紙が田中家に届いたら
「田中太郎さん宛て」
「田中花子さん宛て」
のように、家の中で誰宛てなのかを確認して、それぞれの人に届けます。このとき、田中家の中にいる6人それぞれを区別するための住所が、プライベートIPアドレスです。

つまり、

インターネットから見た住所 → グローバルIP
家の中で誰の機器かを区別する住所 → プライベートIP

この例が効果があるかはわからないがイメージは掴んでほしい。

3. NATの仕組み

NATが実際にどう動くのかを、送信と受信に分けて見ていく。

グローバルIPアドレスが（203.0.113.5）と仮定して、
プライベートIPアドレスの一つが（192.168.1.10）と仮定する。

送信時（内→外） PC（192.168.1.10）がWebサーバー（93.184.216.34）にアクセスするとき、パケットの送信元アドレスは 192.168.1.10 になっている。ルーターはこれを通すとき、送信元アドレスを自分のグローバルIP（203.0.113.5）に 書き換えてから インターネットへ送り出す。
受信時（外→内） Webサーバーからの応答は、宛先 203.0.113.5 で返ってくる。ルーターはこれを受け取り、宛先アドレスを元の 192.168.1.10 に 書き戻して PCへ届ける。
このとき問題になるのが、「グローバルIPが1個しかないのに、複数の端末が同時に通信していたら、返ってきたパケットをどの端末に戻せばよいのか」という点だ。
これを解決するのが NAPT(Network Address Port Translation) である。PAT とも、Linux界隈では IPマスカレード とも呼ばれる。家庭用ルーターの「NAT」は、実際にはほぼこのNAPTだ。
NAPTは、IPアドレスに加えて ポート番号 も一緒に書き換え、その対応関係を NATテーブル に記録する。

4. NATの種類と、通信への影響

NATの主な種類

• 静的NAT：1個のプライベートIPと1個のグローバルIPを固定で1対1に対応させる。外部に公開するサーバー向け。

• 動的NAT：複数のグローバルIPをプール（在庫）として持ち、内部端末が通信するたびに空いているものを割り当てる。

• NAPT（IPマスカレード）：ポート番号も使い、多数のプライベートIPを1個のグローバルIPに対応させる。家庭で使われているのはこれ。

メリット

• グローバルIPアドレスを節約できる

• 内部のアドレス構成が外から見えないため、外部から内部端末を直接名指しで狙いにくくなる（副次的なセキュリティ効果。ただしファイアウォールの代わりにはならない）

デメリット・注意点

• 外部から内部へ通信を始められない。NATテーブルは内側からの通信をきっかけに作られるため、外から突然来たパケットは戻り先が分からず破棄される。自宅にサーバーを公開したい場合は、ルーターに ポートフォワーディング（ポート開放） の設定を手動で追加する必要がある。

• 通信経路の途中でアドレスが書き換わるため、「端末どうしが直接つながる」というインターネット本来の設計（エンドツーエンド原則）が崩れる。

• プロバイダ側でさらにもう一段NATをかける CGN（キャリアグレードNAT） もあり、この場合は利用者がポート開放できないこともある。

なお IPv6 ではアドレスが事実上無限にあるため、アドレス節約目的のNATは基本的に不要となる。

ポート開放とはインターネットから家の中にある特定の機器へ、特定のポート番号を使って通信を通す仕組みだ。
少し言い換えると、このポート番号への通信は、この機器に届けるというルーターの設定である。

CGN（キャリアグレードNAT）とはプロバイダ側で行う大規模NAT。利用者側でのポート開放ができない場合がある。つまり同じグローバルIPアドレスを大勢で共有することになるので、ある人がWikipediaで悪いことをしてIPアドレスをアクセス禁止にされたことによって、同じグローバルIPをNATによって共有していた人全員がWikipediaアクセス禁止になった事件があるらしい。

まとめ

• NAT(Network Address Translation) は、通信の途中でIPアドレスを書き換える技術である

• 目的は、IPv4アドレスの枯渇対策 と、1個のグローバルIPを複数端末で共有する ことである

• 家庭で使われているのは正確には NAPT（IPマスカレード） で、IPアドレスに加えて ポート番号 も書き換え、対応関係を NATテーブル に記録することで複数端末を1個のグローバルIPに集約している

• 内側からの通信をきっかけに変換表が作られるため、外部から内部へは通信を開始できない。サーバー公開にはポートフォワーディングが必要である

• IPv6 ではアドレスが潤沢なため、この種のNATは原則不要である