【🔰初心者向け】NAT/NAPTを改めて理解する

はじめに

こんにちは！ITスクールRareTECHにてCS（Customer Support）を担当している池村です。今回の記事はIPアドレスでの通信についてです。IPアドレスとNAT/NAPTに関して理解していきましょう。

今回の記事はIPアドレスのIPv4のお話を中心に解説します。
※現在はIPv4の枯渇問題の解消のためIPv6も普及してきています。

初心者のIPアドレスの理解レベルについて

よく言われているのはネットワーク上の住所ですよね。
正直初心者の頃はこれだけ知っておけば良いのですが、AWSのVPCなどを触っていくと、この辺りの技術がひょこっと顔を出してきますので、深めに理解することも大事になります。

グローバルIPとプライベートIPについて

IPアドレスは大きく分けてグローバルIPアドレスとプライベートIPアドレスがあります。
グローバルは実際のネットワーク空間で使われるものですが、プライベートは社内とか家の中などで使われるIPアドレスになります。

自宅のIPアドレスがどう切り分けられているか？

家には一つのグローバルIPアドレスがあります。そして、その家のネットワークにつながる機器には、それぞれプライベートIPアドレスがあります。
グローバルIPアドレスは一意です。被りがないということです。プライベートIPアドレスは、家の中では被りがないですが、よその家では同じプライベートIPアドレスがあっても問題ありません。

機器	自分の家	友人の家
グローバルIP（ルーター）	203.0.113.228（一意）	198.51.100.203（一意）
スマホのIP（プライベート）	192.168.0.100（LAN内で一意）	192.168.0.100（LAN内で一意）
PCのIP（プライベート）	192.168.0.101	192.168.0.101
ゲーム機のIP（プライベート）	192.168.0.102	192.168.0.102

上記の表で見てほしいのは、グローバルIPアドレスは違う値で、プライベートIPアドレスは一緒という部分です。

LANとWAN

広域のネットワークと家の中などの狭い範囲のネットワークには名前があります。

LAN

ローカルエリアネットワークの略です。
会社内や家の中で使われるネットワークのことを指します。その中の機器を接続するために使われています。

WAN

ワイドエリアネットワークの略です。
世界規模の外部ネットワークのことを指します。

通信がどう送られくるか？

外から通信が送られてくると、家のグローバルIPアドレス宛に届きます。送られた通信は家のルーターが受け取ります。ルーターは、その通信が「どのプライベートIPの機器宛か」を判断して、内部ネットワークに転送します。

このときに使われるのが NAT/NAPT という仕組みです。

ちょっとここから難し目です。

NAT/NAPT

最初に言っておきますが、今使われているのは基本的にNAPTです。
でもNATのことも知っておかないとNAPTがピンとこないので解説します。

NAT

まずNATですが、これはネットワーク アドレス トランスレーションの略です。
こいつの役割は、プライベートIPアドレスとグローバルIPアドレスを相互に変換することにあります。この機能があることによって、LAN内にあるプライベートIPアドレスを持った機器が外部のネットワークと通信ができています。

でもこれって1対1しか対応していないんですよね。
なので、複数の機器が同時に外部のネットワークと接続したい場合は、これだけだと不十分になります。

NAPT

NAPTは、ネットワーク アドレス ポート トランスレーションの略です。
この技術を使うと、複数機器が同時に外部との通信が可能になります。

皆さんの家でも複数のスマホやゲームが同時にネットワークに繋げられていますよね？これはNAPTのおかげです。

これはNATの技術にポートを使うことで可能にしています。

ポートは通信の出入り口のようなものです。
全ての通信にはポート番号というものが振られているので、どの通信がどういった通信かわかるようになっています。

IPアドレスがネットワーク上の住所なら、ポート番号は部屋番号に例えられることが多いですね。

NAPTの場合はどう言ったポートの使い方をしているのか？

プライベートIPアドレスから外部に通信を行う際、以下のようにポートが割り当てられます。

プライベート→グローバル

# 192.168.0.2がプライベートIPアドレス、55001がポート番号です
192.168.0.2:55001（家の中にあるスマホから）
　　　　　⬇︎
# 203.0.113.10がグローバルIPアドレス、50001がポート番号です
203.0.113.10:50001（ルーターがポートごと変換）

このポート番号の数字に意味があるわけではありません。
今回の場合、スマホから送られた際のポート番号がルーターで変更されていることに着目しましょう。

この変更は、外部と通信するため、必ず一意にするためには必須です。
例えば

同時に同じポート番号で、違うプライベートIPから通信がきた場合①

# 家の各機器側
192.168.0.2:55001（家の中にあるスマホから）
192.168.0.3:55001（家の中にあるPCから）
　　　　　⬇︎
# ルーター側
203.0.113.10:50001（こっちはスマホ）
203.0.113.10:50002（こっちはPC）

こうやって外部に通信を繋げます。
ルーターにはポート番号を一意に変更する機能が備わっています。
例えば以下のような形にはならないということです。

同時に同じポート番号で、違うプライベートIPから通信がきた場合②

# 家の各機器側
192.168.0.2:55001（家の中にあるスマホから）
192.168.0.3:55001（家の中にあるPCから）
　　　　　⬇︎
# ルーター側
203.0.113.10:55001
203.0.113.10:55001

これでは外からレスポンスが返ってきた時、どっちの機器に返せば良いのかわからなくなります。なので、ルーターにはポートを変更する機能と、絶対に被らないポートを割り振る機能が備わっています。

さて、この機能に付随して、こういった振り分けがどう記録されているかも解説します。
これらの情報はルーターにあるNATテーブルという場所に記録がされています。

NATテーブル

NATテーブルはプライベートIPアドレスからの通信を記録する機能です。

同時に同じポート番号で、違うプライベートIPから通信がきた場合③

# 家の各機器側
192.168.0.2:55001（家の中にあるスマホから）
192.168.0.3:55001（家の中にあるPCから）
　　　　　⬇︎
# ルーター側
203.0.113.10:50001（変換して外に出すけど、これは192.168.0.2:55001からの通信だな）
203.0.113.10:50002（変換して外に出すけど、これは192.168.0.3:55001からの通信だな）

NATテーブルに記録されるのは以下の情報です。（今回の場合）

• 送信元プライベートIPアドレス
  →今回の場合：192.168.0.2と192.168.0.3

• 送信元ポート番号
  →今回の場合：55001と55001

• 宛先IPアドレス（どこに通信を届けたいか）

• 宛先ポート番号（宛先のポート番号、HTTPS通信なら443）

• 変換後グローバルIPアドレス
  →今回の場合：203.0.113.10

• 変換後ポート番号
  →今回の場合：50001と50002

• プロトコル（大体TCP/UDPのどちらかで判断）

• 状態/タイマー（Connection State/Timeout）

これらの情報がルーターのメモリにそれぞれの対応通りに保存されています。

ここで使われるポート番号について

ポート番号にはいくつか分類があります。

ウェルノウンポート

これはすでに使う先が決まっているポート番号です。主にサーバーが使うポート番号です。
番号でいうと以下の範囲です。

ウェルノウンポートの範囲

0〜1023

よく出てくるのはHTTPの80番、HTTPSの443、SSHの22番などですね。
これらは基本的に変えることは非推奨です。

レジスタードポート（ユーザーポートとも呼ばれる）

こちらは様々なシステムで使われているポート番号ですね。主にエンジニアなどの開発者が使うポート番号です。
基本的に番号を変えて使うこともありえるポートの範囲です。

レジスタードポートの範囲

1024〜49151

MySQLなら3306、PostgreSQLなら5432のような感じです。

FlaskというPythonのフレームワークのポート番号は標準で5000なのですが、最近のMacではAirPlayで5000を使っているので、こう言ったところで競合がおきたりします。別に予約されたポート番号というわけではないので当然の現象ですね。

エフェメラルポート

上記二つとは違って、このポート番号はクライアント側が使うポート番号です。
ですが、基本的に一般ユーザーが意識することはないです。

エフェメラルポートの範囲

49152〜65535

クライアント意外だとルーターのNATテーブルが使っているポート番号です。
通信をする際に一瞬使って、すぐ破棄されます。

IPアドレスと関係しているその他の技術

MACアドレス

MACアドレスは個人番号のようなもので、物理的なデータを受け取るために必要な機器の識別子です。IPアドレスは論理的なアドレスと呼ばれます。それぞれの機器に物理的に刻まれている番号なので、動的に変わってしまうIPアドレスとはまた違う要素ですね。IPアドレスは外との通信でしっかり使われますが、MACアドレスはLAN内限定で使われています。

一番わかりやすい説明だと、家のWifiで繋いている時のIPアドレスと、外でWifiに繋いだ時のIPアドレスは違いますよね？IPアドレスは動的に変わるので、最終的にどこにデータを渡すかはMACアドレスによって識別されます。

歴史的な話になると、そもそも世界中にネットワークが広がる前は、研究所などにあるコンピューター同士を識別する必要があったわけで、誕生自体が先なんですよね。

ARPについて

ARPは、プライベートIPアドレスからMACアドレスを探し当てるためのプロトコルです。

1. ルーターが、LAN内の 192.168.10.5 に通信を送りたい
2. そのIPに対応するMACアドレスが分からなければ、ARPで全端末に確認
3. 192.168.10.5の機器だけが、それに反応してMACアドレスを返す
4. ルーターはそのMAC宛に通信を送る

です。

最終的に物理的なデータを届けるためにMACアドレスが必要になってくるので、ARPを使って宛先の個人番号を知る必要があります。

おわりに

久しぶりに記事を書きました。
5~6月はお休みする予定でしたが、ちょっと書かないといけないくらいネットワークのこと忘れてきている、、と感じたので書きました。
IPアドレス周りは表記あたりやドメイン周りの話もあるので、続きも書いていきます。