NATが1つのパブリックIPを共有する仕組み

インターネットではIPv4アドレスが使われていますが、その数は約43億個しかなく、現在オンラインにあるデバイスの数を大きく下回っています。すべてのスマートフォン、ノートパソコン、各種機器にパブリックアドレスを1つずつ割り当てることは不可能です。

NAT（Network Address Translation）は、この問題に対する巧妙な解決策です。プライベートネットワーク上の多数のデバイスが、1つのパブリックIPアドレスを共有してインターネットにアクセスできるようにし、限られたアドレスを節約します。

ネットワークでは、内部でプライベートIP範囲（10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16）を使用します。これらはパブリックインターネット上ではルーティングされないため、オンラインで直接使用することはできません。

パブリックIPアドレスは、世界で一意であり、インターネット上でルーティング可能です。NATは、プライベートな内部アドレスと、インターネットから見えるパブリックアドレスの間を変換し、2つの世界をつなぎます。

NATは通常、ネットワークの境界にあるルーターまたはファイアウォール上で動作します。ここは、プライベートLANとパブリックインターネットの境界です。家庭用ルーターは、今この瞬間もNATを実行しています。

この境界デバイスは、外側のインターフェイスでISPから割り当てられた1つのパブリックアドレスを保持し、内側ではプライベートネットワークに接続して、背後にあるすべてのデバイスの通信を変換します。

内部デバイスがインターネットにパケットを送信すると、NATは送信元アドレスを書き換え、プライベートIPからルーターのパブリックIPに変換します。宛先サーバーから見ると、その通信はパブリックアドレスから送信されたように見えます。

返信が戻ってくると、NATは宛先を正しいプライベートアドレスに書き戻し、適切な内部デバイスに届けます。この処理はすべて透過的に行われます。

NATは、内部の通信それぞれを外部の通信に対応付ける変換テーブルを保持しているため、返信を正しいデバイスに対応付けられます。これがなければ、ルーターは戻ってきたパケットがどの内部ホスト宛てなのか判断できません。

各エントリには、内部アドレス、外部アドレス、および識別に必要な情報が記録されます。これにより、数十件の同時接続を1つのパブリックIPで混乱なく共有できます。

NATにはいくつかの方式があります。

• Static NAT: 1つのプライベートアドレスと1つのパブリックアドレスを固定的に1対1で対応付けます。
• Dynamic NAT: 必要に応じて、プライベートアドレスをパブリックアドレスのプールに対応付けます。
• PAT (Port Address Translation): ポート番号を使って多数のデバイスで1つのパブリックIPを共有します。家庭で最も一般的な方式です。

NATはアドレスを節約するために作られましたが、セキュリティ上の副次的な効果もあります。内部デバイスは、ルーティングできないプライベートアドレスを使い、1つのパブリックIPの背後に隠れるため、インターネットから直接接続を開始することはできません。

これは本物のファイアウォールではないため、ファイアウォールとして頼るべきではありません。しかし、内部ネットワークを自然に見えにくくし、要求されていないインバウンド通信をデフォルトで遮断する効果はあります。

NATが不可欠になったのは、IPv4アドレスが不足しているためです。膨大なアドレス空間を持つIPv6では、すべてのデバイスに一意のグローバルアドレスを割り当てられるため、従来のNATはほとんど必要ありません。

それでもIPv4はまだなくなっていないため、NATは現在も至る所で使われています。世界がIPv6の豊富なアドレス環境へ徐々に移行している今でも、NATを理解することは重要です。

家庭に複数のデバイスがあり、それぞれが192.168.1.10や192.168.1.11のようなプライベートアドレスを持っている状況を考えてみましょう。ルーターはISPから割り当てられた203.0.113.5のような1つのパブリックアドレスを持っています。

いずれかのデバイスがウェブを閲覧すると、ルーターはパケットを外部へ送信する前に、送信元のプライベートアドレスを203.0.113.5へ書き換えます。すべてのデバイスがオンラインではこの1つのパブリックな識別情報を共有しますが、ルーターの変換テーブルによって、返信は正しいデバイスへ届けられます。

NATにも問題はあります。データ内にIPアドレスを埋め込むプロトコルや、インバウンド接続を必要とするプロトコルを壊すことがあります。たとえば、一部の音声（VoIP）アプリケーションやピアツーピアアプリケーションが該当します。

回避策には、ポート転送、アプリケーション層ゲートウェイ、NAT越え用に設計されたプロトコルなどがあります。こうした複雑さは、限られたIPv4アドレス空間をここまで有効活用してきた代償です。

NATを使うと、多数のプライベートデバイスで1つのパブリックIPを共有でき、不足しているIPv4アドレスを節約できます。NATはエッジのルーターまたはファイアウォールで動作し、送信元と宛先のアドレスを書き換えながら、通信を変換テーブルで追跡します。方式にはstatic、dynamic、PATがあり、セキュリティ上の副次的効果もありますが、IPv6ではほとんど必要ありません。

NATの基本を確認しましょう。

NATはプライベートな内部アドレスと共有パブリックIPの間を変換し、不足しているIPv4アドレス空間を節約します。NATはエッジのルーター／ファイアウォールで動作し、アドレスを書き換え、通信フローを変換テーブルで追跡します。方式にはstatic、dynamic、PATがあります。また、要求されていないインバウンド通信から内部ホストを隠せますが、IPv6ではほとんど必要ありません。