NAT（ネットワークアドレス変換）の仕組み

NATとは

NAT（Network Address Translation / ネットワークアドレス変換）は、プライベートIPアドレスとグローバルIPアドレスを相互変換する技術です。IPv4アドレスの枯渇問題を緩和するために広く使われています。

なぜ必要か: IPv4アドレスは約43億個しかなく、世界中のすべての機器に割り当てることができません。NATにより、1つのグローバルIPアドレスを複数の機器で共有できます。

プライベートIPとグローバルIP

グローバルIPアドレス

インターネット上で一意に識別される公開IPアドレスです。

• 特徴: 世界中で重複しない、ISPから割り当てられる
• 用途: Webサーバー、メールサーバー、インターネット接続
• 例: 8.8.8.8（Google DNS）、93.184.216.34（example.com）

プライベートIPアドレス

組織内のローカルネットワークでのみ使用されるIPアドレスです。

• 特徴: インターネット上でルーティングされない、自由に使える
• 用途: 家庭内LAN、企業内ネットワーク
• 例: 192.168.1.10（家庭内PC）、10.0.1.5（企業内サーバー）

プライベートIPアドレスの範囲（RFC 1918）

その他の特殊なIPアドレス

NATの基本動作

通信の流れ

内部ネットワーク           NAT ルーター            インターネット
[PC-A] 192.168.1.10  ──→  [NAT] 203.0.113.5  ──→  [Webサーバー] 93.184.216.34
                            │
                     送信元IPを変換
                     192.168.1.10 → 203.0.113.5

変換テーブル（NAT Table）

問題点: 複数の内部機器が同じグローバルIPに変換されると、応答パケットをどの機器に返すべきか判別できません。この問題を解決するのがNAPTです。

NAPT（ポート番号も変換）

NAPT（Network Address Port Translation）またはPAT（Port Address Translation）は、IPアドレスだけでなくポート番号も変換することで、1つのグローバルIPアドレスを複数の機器で共有します。

NAPTの動作

内部                      NAT ルーター              外部
192.168.1.10:52341  ──→  203.0.113.5:10001  ──→  93.184.216.34:443
192.168.1.11:52342  ──→  203.0.113.5:10002  ──→  93.184.216.34:443
                          │
                   IPアドレスとポート番号を両方変換

NAPT変換テーブル

家庭用ルーターでのNAT/NAPT

典型的な家庭ネットワーク

インターネット（ISP）
     │
     │ グローバルIP: 203.0.113.5
     │
 ┌───┴───┐
 │ ルーター │ (NAT/NAPT機能)
 └───┬───┘
     │ プライベートIPネットワーク: 192.168.1.0/24
     ├─ [PC] 192.168.1.10
     ├─ [スマホ] 192.168.1.11
     ├─ [タブレット] 192.168.1.12
     └─ [プリンター] 192.168.1.20

通信の例：PCからWebサイト閲覧

1. 送信（PC → Webサーバー）

送信元: 192.168.1.10:52341
宛先: 93.184.216.34:443 (HTTPS)

ルーター通過後:
送信元: 203.0.113.5:10001  ← NAPTで変換
宛先: 93.184.216.34:443

2. 受信（Webサーバー → PC）

送信元: 93.184.216.34:443
宛先: 203.0.113.5:10001

ルーター通過後:
送信元: 93.184.216.34:443
宛先: 192.168.1.10:52341  ← 変換テーブルで復元

NATの種類

Static NAT（静的NAT）

1つのプライベートIPを1つのグローバルIPに固定でマッピングします。

用途: 社内サーバーを外部公開する場合

Dynamic NAT（動的NAT）

プライベートIPを、プールされたグローバルIPの中から動的に割り当てます。

グローバルIPプール: 203.0.113.10 - 203.0.113.20

制限: プールのサイズ分の機器しか同時接続できない

NAPT / PAT（ポート変換）

1つのグローバルIPを複数のプライベートIPで共有します（最も一般的）。

用途: 家庭用ルーター、小規模オフィス

ポートフォワーディング（静的NAPT）

外部からの接続を特定の内部機器に転送する設定です。

設定例

外部からのアクセス:
203.0.113.5:8080 → 192.168.1.10:80 (内部Webサーバー)
203.0.113.5:2222 → 192.168.1.10:22 (内部SSHサーバー)

ルーター設定（概念図）

用途:

• 自宅サーバーの公開
• ゲームサーバーのホスティング
• リモートアクセス（VPNやRDP）

NATの問題点

1. エンドツーエンド通信の破壊

NATはインターネットの「エンドツーエンド原則」（すべての端末が直接通信できる）を破壊します。

従来（NAT なし）:
[PC A] ←─────────────→ [PC B]
直接通信可能

NAT 環境:
[PC A (プライベートIP)] ─× ← [PC B (プライベートIP)]
                       直接通信不可

2. P2P通信の困難さ

両端がNATの内側にいる場合、直接通信ができません。

影響を受けるアプリケーション:

• ビデオ会議（Zoom、Teams、Google Meet）
• P2Pファイル共有（BitTorrent）
• オンラインゲーム（P2P型）
• VoIP（SIP、WebRTC）

3. プロトコルの制限

一部のプロトコルはNATを通過できません（FTP Active Mode、一部のVPNなど）。

4. パフォーマンスへの影響

ルーターでの変換処理がオーバーヘッドになります。

NAT越え（NAT Traversal）

NATの問題を回避して、プライベートIP同士で通信するための技術です。

主要な技術

STUN（自分のグローバルIPを発見）

1. クライアントがSTUNサーバーに問い合わせ
2. STUNサーバーが「あなたのグローバルIPは 203.0.113.5:10001 です」と返答
3. この情報を相手に伝えて直接通信

制限: 対称型NATでは動作しない

TURN（リレーサーバー経由）

[クライアントA] → [TURNサーバー] ← [クライアントB]

直接通信できない場合、TURNサーバーが中継

デメリット: サーバー負荷が高い、遅延が増加

ICE（最適な経路を自動選択）

1. STUN で直接接続を試行
2. 失敗した場合、TURN にフォールバック
3. 複数の候補経路から最適なものを選択

採用例: WebRTC、Skype、Zoom

NATとIPv6

IPv6ではNAT不要

IPv6は膨大なアドレス空間（128ビット = 約340澗個）を持つため、すべての機器にグローバルアドレスを割り当てられます。

IPv4 + NAT:
[PC] 192.168.1.10 → [ルーター] 203.0.113.5 → インターネット

IPv6（NAT不要）:
[PC] 2001:db8::10 → インターネット（直接通信）

NPTv6（IPv6でのアドレス変換）

IPv6でもアドレス変換を行う技術（主にセキュリティ目的）。

用途:

• ISP変更時のアドレス再割り当ての簡素化
• 内部ネットワークの隠蔽

注意: NPTv6は一般的ではありません。IPv6ではファイアウォールで保護しつつ、NAT不要の設計が推奨されます。

NATの確認方法

自分のグローバルIPを確認

# コマンドラインで確認
curl ifconfig.me
curl ipinfo.io/ip
curl icanhazip.com

# Webサービス
https://www.whatismyip.com/

内部IPを確認

# Linux/macOS
ip addr show
ifconfig

# Windows
ipconfig

NATテーブルの確認（ルーター管理画面）

多くのルーターでは「NAT変換テーブル」や「セッション一覧」として確認できます。

内部IP:ポート     外部IP:ポート     宛先IP:ポート     プロトコル
192.168.1.10:52341 → 203.0.113.5:10001 → 93.184.216.34:443  TCP

まとめ

NATはプライベートIPとグローバルIPを相互変換する技術で、IPv4アドレス枯渇問題の応急処置として広く使われています。家庭用ルーターで使われるのはNAPT（ポート番号も変換）で、1つのグローバルIPを複数機器で共有できます。プライベートIPの範囲はRFC 1918で定義され、10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16が使用されます。NATはエンドツーエンド通信を破壊するため、STUN/TURN/ICEなどのNAT越え技術が発展しました。IPv6では膨大なアドレス空間によりNAT不要になります。

参考リソース

• RFC 3022 - Traditional IP Network Address Translator (Traditional NAT)
• RFC 1918 - Address Allocation for Private Internets
• RFC 5389 - STUN (Session Traversal Utilities for NAT)
• RFC 8656 - TURN (Traversal Using Relays around NAT)
• RFC 8445 - ICE (Interactive Connectivity Establishment)
• Cloudflare Learning - What is NAT?