インターネット接続の裏側で活躍するNATの仕組みをわかりやすく解説します。
NATって何？ なぜ必要なの？
NAT（ナット）は「Network Address Translation」の略で、日本語では「ネットワークアドレス変換」と呼ばれます。これは、IPアドレスというインターネット上の住所を、別のIPアドレスに変換する技術のことです。💻➡️🌐
特に、家や会社の中だけで使われる「プライベートIPアドレス」と、インターネット全体で使われる「グローバルIPアドレス」の間で変換を行うのが主な役割です。
インターネットが普及し始めた頃（1980年代以降）、インターネットに接続する機器が増えすぎて、世界中で使えるIPアドレス（特にIPv4という形式）が足りなくなってしまう問題が出てきました。これを「IPアドレス枯渇問題」といいます。 そこで、家や会社の中では自由に使えるプライベートIPアドレスを使い、インターネットに出るときだけ、ルーターなどが持つ限られた数のグローバルIPアドレスに変換するNATという仕組みが考え出されたのです。これにより、一つのグローバルIPアドレスを複数の機器で共有でき、IPアドレスの節約につながります。
NATは主にルーターやファイアウォールといったネットワーク機器に搭載されています。
NATの仕組み：どうやって変換してるの？
NATの仕組みを、会社の受付に例えてみましょう🏢。
- 会社の中の各部署（パソコンやスマホなど）には、内線番号（プライベートIPアドレス）が割り当てられています。
- 会社の代表電話番号（グローバルIPアドレス）は一つだけです。
- 外線電話（インターネット通信）をかけるとき、受付（NATルーター）が「どの部署（プライベートIPアドレス）が、どこ（宛先IPアドレス）に電話をかけたか」を記録（NATテーブル）しておきます。そして、発信者番号を会社の代表番号（グローバルIPアドレス）に変えて相手に繋ぎます。
- 外線電話がかかってきたとき（インターネットからの返信）、受付は記録を見て、どの部署宛の電話かを判断し、内線（プライベートIPアドレス）に繋ぎます。
このように、NATルーターは「NATテーブル」という変換表を使って、どのプライベートIPアドレスからの通信が、どのグローバルIPアドレス（とポート番号）に変換されたかを管理しています。通信が行われるたびに、このテーブルが更新されます。
技術的には、インターネットに送るデータ（IPパケット）のヘッダーに含まれる送信元IPアドレスを、プライベートIPアドレスからグローバルIPアドレスに書き換えます。インターネットから戻ってくるデータに対しては、宛先IPアドレスをグローバルIPアドレスから元のプライベートIPアドレスに書き換えて、目的の機器に届けます。
NATの主な種類
NATにはいくつかの種類がありますが、ここでは代表的なものを紹介します。
| 種類 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| 静的NAT (Static NAT) | 特定のプライベートIPアドレスと特定のグローバルIPアドレスを1対1で固定的に変換します。 | 外部からアクセスされる必要がある社内サーバー（Webサーバー、メールサーバーなど）の公開に使われます。グローバルIPアドレスの節約にはなりません。 |
| 動的NAT (Dynamic NAT) | 複数のグローバルIPアドレスのプール（予備）を用意しておき、プライベートIPアドレスからの通信要求があると、空いているグローバルIPアドレスを動的に割り当てます。変換は1対1ですが、割り当てられるグローバルIPアドレスは変わる可能性があります。 | 一時的に外部と通信する必要がある場合に利用されますが、同時に接続できる機器の数は、用意されたグローバルIPアドレスの数に制限されます。 |
| NAPT (Network Address Port Translation) / PAT (Port Address Translation) (IPマスカレードとも呼ばれる) | 1つのグローバルIPアドレスを、複数のプライベートIPアドレスで共有する技術です。IPアドレスだけでなく、ポート番号も同時に変換することで、どの通信がどの機器のものかを区別します。 | 家庭や企業のネットワークで最も一般的に利用されています。少ないグローバルIPアドレスで多数の機器をインターネットに接続できます。通常「NAT」というと、このNAPT（特に動的NAPT）を指すことが多いです。 |
一般的に家庭や多くの企業で使われているのは「NAPT (PAT)」です。これにより、1つのインターネット回線契約（1つのグローバルIPアドレス）で、家族みんなのスマホやパソコン、ゲーム機などを同時にインターネットに接続できるわけです 👍。
NATのメリットとデメリット
メリット ✅
- IPアドレスの節約: 限られたグローバルIPアドレス（特にIPv4）を有効活用できます。
- セキュリティ向上: 外部ネットワークから内部のプライベートIPアドレスが見えなくなるため、直接的な攻撃を受けにくくなります。ファイアウォール的な役割も果たします。
- ネットワーク管理の簡素化: 内部ネットワークの構成変更が外部に影響を与えにくくなります。
デメリット ⚠️
- 一部アプリケーションの制限: IPアドレスが途中で変換されるため、特定のプロトコル（P2P通信、一部のオンラインゲーム、VPNなど）やアプリケーションが正常に動作しない場合があります（NAT越えという技術で対応することもあります）。
- 通信の追跡困難化: 外部からはどの端末が通信しているか直接わからないため、トラブルシューティングが難しくなることがあります。
- パフォーマンスへの影響: アドレス変換処理が必要なため、わずかながら遅延が発生したり、大量の通信がある場合にルーターの負荷が高くなる可能性があります。
- エンドツーエンド接続の妨げ: インターネットの基本的な考え方である「端末同士が直接通信する」という原則が崩れます。
まとめ
NATは、IPアドレスを変換することで、IPv4アドレスの枯渇問題を緩和し、セキュリティを高める重要な技術です。特にNAPT（PAT）は、私たちが日常的に複数のデバイスでインターネットを利用できる基盤となっています。
デメリットもありますが、現代のインターネット接続において欠かせない存在と言えるでしょう。この記事でNATの基本的な仕組みが理解できたら嬉しいです！😊
将来的には、IPv6というほぼ無限に近いアドレスを持つ新しい規格の普及や、SDN（Software-Defined Networking）のような新しいネットワーク技術によって、NATの役割が変わっていく可能性もありますが、当面は重要な技術であり続けるでしょう。
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