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