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2009.04.11

[NAT]NAT越え入門1-NATとは何か?

今日から私が一番得意とする研究開発分野である、NAT越えとNATに対するレクチャーを連載したい。もちろん、NAT越えやNATはP2Pにも大いに関連がある分野である。期待して欲しい。

そもそもNAT越えに関わったのは、現在の会社に異動後企画書を作り、VoIP(IP電話)のNAT越えの研究を自ら始めたからである。開発コードは「シームレスコネクション」と呼び、研究開発成果は信学会のNS研究会や全国大会で投稿しているので、関心のある方は図書館等で見て欲しい。またそれが縁でキャリアグレードNATのインターネットドラフト作成にも携わっている。

この連載の目標はNATとNAT越えの基本的な部分をレクチャーすることであるが、最終的には一番技術的に困難で複雑なVoIPのNAT越えまで話を進めたい。(体力と時間があれば)

またコメントや質問は基本的にはてブでお願いしたい。適宜連載途中で回答します。

さて、NAT越えを解説するまえにNATについて説明しよう。いつものように定義等は厳密でない。わかりやすさ優先であるので、そこはご容赦願いたい。

□NATとはなにか?

NATとは、Network Address Translatorの略で、文字通り訳するとネットワークアドレス変換装置となる。実際には、NATは家庭用のネットワーク領域(LAN)とインターネット用接続用のネットワーク領域(WAN)の境界に存在し、NATがLAN⇔WAN間の通信において、LANに存在する端末のIPアドレスをNATのWAN側に割り当てられたIPアドレスに変換する役割をする。ここでWANの規定は曖昧なのだが、あくまでもNAT解説ということでお許し頂きたい。

そもそもNATはIPアドレスの枯渇を解消する目的で作られた。インターネット上で使用できるIPアドレスは一意的で、通常グローバルIPアドレスと呼ぶ。これをみんなが使ってしまうとIPアドレスがなくなってしまい、結果的にインターネットを使えるユーザに制限がでてしまう。このグローバルIPアドレスは組織的に管理されていて、通常はISPから払い出されることになる。逆にインターネット上でない場所で使えるIPアドレスはプライベートIPアドレスと呼び、これはLAN等のネットワーク管理者が独自に管理することになる。

「みなさん、端末はグローバルIPアドレスを使う代わりにプライベートIPアドレスを使いましょう。ただインターネット上もつなぎたい場合があるでしょうから、そのときにはNATがLAN内の端末プライベートIPアドレスをNATに割り当てられているグローバルIPアドレスに変換してから接続してあげるよ。」というのがNATの「本来」の利用目的なのである。

ネットワーク図をざっくり書くとこんな感じである。
端末(プライベートIPアドレス)-LAN--NAT(グローバルIPアドレス)-WAN-インターネット

ところでNATは副次的に次の効果を生み出す。というか、むしろ以下に書いてあるNATの便利さがNATの存在意義を非常に複雑にしている。

1.セキュリティの確保

後日の連載にて説明するが、NATはWAN側からLAN側への通信をブロックすることが原則である。NATは多様なネットワーク攻撃を「結果的に」防御することになる。ここで注意することは、NATとファイアウォールを混同しないこと。NATはあくまでもIPアドレスの変換装置であり、後日書くNATタイマーやフィルタリングの効果によりWAN側からLAN側への通信を「結果的に」ブロックすることになる。特にブロードバンドルータはNATとファイアウォール機能を両方具備していることがあるので、多くのネットワーク技術者(ネットワーク管理者や研究者ですら!)を混乱させる原因となっている。

もうひとつのNATのセキュリティ効果は、実際にLANに存在してる端末のIPアドレスをインターネットで通信しているサーバor端末側から隠蔽できることである。このことはNAT66と呼ばれるIPv6のNATの提案でも議論されている事項である。NAT66については時間があれば解説したい。

2.ネットワーク設計の容易さ

NATのLAN側はプライベートIPアドレスを使うことができる。このことによって、管理者が簡単にLAN内のネットワーク設計を行うことができる。なぜならWAN側はグローバルIPアドレスが必要なので、ISPにIPアドレス利用申請等をしなければならなからだ。NAT66のインターネットドラフトでもネットワーク設計を容易にするために、IPv6でもNATが必要なんだ、と書かれている。

□NAPTとは何か?

NAPTはNATと違い、IPアドレスだけでなくポート番号までNAPTが変換してしまう。ポート番号まで変換することで、グローバルIPアドレスの利用効率を更に加速させることを意味する。

利用効率についてもう少し考えてみよう。

例えば、LAN内に4つの端末があるとする。この端末がすべてインターネット上のサーバと通信するとする。NATであれば、IPアドレスを変換するだけの機能なので、NATに割り当てられているWAN側のグローバルIPアドレスが4つ必要である。ところが、NAPTの場合は、ポート番号まで変換するので(ほとんどの場合)実はグローバルIPアドレスが1つで十分である。

例えば、{IPアドレス:ポート番号}という表記においてLANのネットワーク情報が端末1={192.168.1.1:1000},端末2={192.168.1.2:2000},端末3={192.168.1.3:3000},端末4={192.168.1.4:3000}の場合、NATのWAN側では端末1={1.1.1.1:1000}、端末2={1.1.1.1:2000}、端末3={1.1.1.1:3000},端末4={1.1.1.1:3001}と対応する。つまりLAN内に端末が4つあっても、WAN側のグローバルIPアドレスは1個しか消費しない。これはNAPTの変換例である。

このようにポート番号を変換することにより、グローバルIPアドレスの消費を大幅に減少させることに成功した。しかしながらネットワーク管理者はもはやNATのIPアドレスだけでなく、ポート番号まで管理する必要がでてくる。ここがNAPTの難しいところである。

通常、ブロードバンドルータで使われているのはNAPTであるので、今後は断りがなければNAPTをNATと呼ぶことにする。

そして、NATが一番ややこしいのは、つい最近までNATの詳細仕様が決まってなかったのである。これがNAT越えの問題を非常に面倒なものにしている。

以下簡単にまとめておこう。
[1]通常NATと呼ばれるのはNAPTのことである。
[2]NATはIPアドレスとポート番号の変換をするのがメインであるが、セキュリティの確保とネットワーク設計の容易さを提供する。
[3]NATの詳細仕様は最近まで決まってないため、NAT越えの仕様が複雑となっている。

NATについて興味のある方は、以下の2冊が大きな参考になるため、是非お読みください。なお、P2P教科書はNATに関わる情報の一部を私が執筆しています。


NAT越えについては、私のサイト(P2P入門)にも解説していますので、併せてご覧ください。
  http://homepage3.nifty.com/toremoro/p2p/firewall.html

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