プライベートIPアドレスとNAT ― なぜ家のPCは 192.168 なのか

IPv4アドレスは32ビットで表され、全部で 2³² = 約43億個 しかありません。 世界中のスマホ・PC・ルータすべてに1つずつグローバルなアドレスを配ると、とっくに足りなくなっています。

そこで家庭や社内などの閉じた範囲では、誰でも自由に使ってよいプライベートIPアドレスを使います。 自宅のPCが 192.168.x.x になっているのはこのためです。 そしてインターネットに出ていくときだけ、ルータがグローバルIPアドレスに変換します。 この変換の技術を広くNAT（Network Address Translation）と呼びます。 家庭用ルータで実際に使われているのは、NATの中でもNAPTと呼ばれる方式です（詳しくは後述）。

プライベートIPアドレスとして使ってよい範囲は、RFC 1918という文書で3つに決められています。 インターネット上のグローバルIPアドレスとは重複しないように予約された範囲なので、 この範囲であれば誰が自分のネットワーク内で使っても問題になりません。

家庭用ルータでは、慣習として3つの範囲のうち一番小さい 192.168.0.0/16 が 初期設定に使われていることがほとんどです。自宅のPCのIPアドレスが 192.168.x.x になりやすいのはこのためです。

NAT（Network Address Translation、ネットワークアドレス変換）は、 ルータが内部から外部へパケットを送り出すときに、送信元IPアドレス（プライベートIPアドレス）を グローバルIPアドレスに書き換える技術です。

戻りのパケットが届くと、ルータは逆の変換を行い、宛先をグローバル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内部の機器に届けます。 この行き帰りの変換をルータが自動で行うことで、内部の機器はプライベートIPアドレスのままインターネットと通信できます。

ここまでのNATは、プライベートIPアドレス1つにグローバルIPアドレス1つを対応させる方式です。 しかし家庭用ルータが持つグローバルIPアドレスは、ふつう1つだけです。それなのに家の中のスマホ・PC・テレビが 同時にインターネットへ接続できるのはなぜでしょうか。

実際に家庭用ルータで使われているのは、NATの中でもNAPTと呼ばれる方式です （NAPT = NAT + ポート番号の変換）。IPアドレスだけでなくポート番号も一緒に変換することで、 1つのグローバルIPアドレスを複数台の機器で同時に共有できます。日本ではIPマスカレードとも呼びます。 先ほどの郵便のたとえで言えば、部屋番号だけでなく荷物の宛名（ポート番号）も見て仕分けるイメージです。

ルータは内部から通信が発生するたびに、変換テーブルに対応関係を記録します。例えばこうなります。

戻りのパケットは、ポート番号（60001 など）を手がかりに どの内部機器宛かを判定し、正しいプライベートIPアドレスへ届けられます。

NAT（家庭用ルータではNAPT）の変換テーブルは、内部から外部へ通信が発生したときに作られます。 逆に、外部から内部の機器へ最初に接続しようとしても、対応するエントリが変換テーブルにまだ無いため、 パケットをどの内部機器に届けてよいか分からず、届きません。

これが困るのは、自宅でWebサーバーやゲームサーバーを公開したい場合です。 そこでポート開放（ポートフォワーディング）という設定を使います。 「このポート宛の通信は、この内部機器へ送る」という固定のエントリを、ルータにあらかじめ手動で用意しておくことで、 外部からの最初の接続でも正しい機器に届くようになります。

IPv6のアドレス空間は 2¹²⁸ という、IPv4とは比較にならないほど広大な数です。 枯渇を心配する必要がないため、IPv6ではすべての機器にグローバルなアドレスを直接割り当てるのが基本設計であり、 NATを前提としません。プライベートIPアドレスとNATは、あくまでIPv4のアドレス不足を補うためのしくみです。

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