【図解でわかる】IPアドレス、ポート番号と通信の仕組み

インターネットの通信ってどうやってるの？ポート番号って何なの？ポート開放って何をすることなの？
という疑問を解決すべく、この記事を書きました。

どうやって通信を行っているか、ポート開放って何をすることなの？ということを、図を使ってわかりやすく、でも専門用語も学んでインターネットに強くなるように解説していきます。

当記事では、ルーターの役割について深堀りしたいと思います。

なお、当記事はIPv4を前提に書いており、IPv6ではそもそもNAPTを利用しません。
当記事を読んだ上でIPv6について書かれた以下の記事を読むことで理解が深まります。

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2024.02.27

通信先の決め方

ルーターとは？

まずは家のネットワークについて見ていきましょう。

家でインターネット（固定回線）を使っている人は、大抵プロバイダ（ISP インターネットを提供している事業者 NURO光やSo-netなど…）と契約しています。
そのような人は、設置工事をしてもらうとき、業者さんがこんな機械を置いていたと思います。

この機械をルーターと言います。

（無線LAN）ルーターの裏に書いてあるパスワードを見て、それをスマホ等に入力してインターネットに接続していますね。
家ではこのルーターにスマホやPCを接続して、インターネットを使っています。

このように家の中で構築されたネットワークをLAN(Local Area Network)と言います。
世界中の家庭や会社にはLANが構築されており、世界中のLANの集合をWAN(Wide Area Network)≒インターネットと言います。
従ってルーターから外のネットワークをWAN側と言います。
（以降は、単に外部をWAN（インターネット）として説明します。）

ルーターはLAN内の各機器やWAN（側）との中継点であり、ネットワーク上の機器と通信する場合はルーターを経由します。
ちなみにルーターなしで直接コンピュータをWANに接続することもできますが、ルーターが無いと各家庭一台しかコンピュータを接続できないため、通常はルーターを利用します。

データの送信先を決める方法

世界中に張り巡らされているインターネットには沢山のLANが点在し、LAN内（家庭内）には複数の機器があります。

ですので、送信先を決めるには、機器それぞれに固有のIDや住所のようなものを割り当てる必要があります。
そのIDや住所にあたるのがIPアドレスです。

世界中にあるLAN（組織）を区別するIPアドレスを、グローバルIPアドレス、
LAN内で機器を区別するIPアドレスを、ローカル（プライベート）IPアドレスと言います。
（一般家庭のLANでは192.168.x.xです。）

インターネットでは、最終的にどのLANにデータを送信するかをグローバルIPアドレスで指定して、LAN内のどの機器にデータを送信するかをローカルIPアドレスで指定します。（詳細は後の「データを適切な端末に転送するNAPT」で説明）

ローカルIPアドレスは同一LAN内でしか通用しません。
つまり、外部（WAN）からローカルIPアドレスを指定して別のLANにある機器と通信することは不可能です。【緑色矢印】
ですが、内部（LAN）から、ローカルIPアドレスを指定して同一LAN内の機器と通信することはできます（経由する自宅のルーターはLAN内機器を認識しているから）【青色矢印】

だから、他の人にサーバーに入ってもらうときはグローバルIPアドレス、自分が入るときはローカルIPアドレスを指定するのですね。

上図ではA、Bさん宅LAN内機器のローカルIPアドレスがそれぞれ「192.168.1.x」、「192.168.10.x」と異なるアドレスになっていますが、ローカルIPアドレスは同一LAN内で固有であれば良いので別々のLANでローカルIPアドレスが重複しても問題ありません。

ポート番号とは？

PCやスマホを使って作業するとき、LINEで会話しながらゲームをすることがあると思います。
このようにインターネットを使うときは、様々な通信を同時に行っています。

その通信の種類（データをどのアプリケーションに送るのか）の区別は、ポート番号という番号を使って行っています。

LAN内での通信

データのやりとり

コンピューター同士の通信は、要求を送信すると、受信側は要求を処理して、場合によっては応答（要求の実行結果を返す）を行って通信しています。

この時、要求を出すコンピュータをクライアント、要求を処理するコンピュータをサーバーと言います

例としてWebサーバー（HTTP）を見てみましょう。
HTTPでは、クライアントが「〇〇ファイルをください（要求）」と送信して、サーバーがその要求を処理（データを探すなど）した後、応答（ファイル中身や実行結果を返す）します。

この要求-応答は、複数回行われることがあります。

IPアドレスとポート番号を使った通信

いきなり外部とのネットワーク通信について考えると頭が混乱するので、まずはLAN内での通信について考えます。

例としてサーバー（アドレス 192.168.1.2）でWebサーバーを起動して、同じLAN内のスマホ（アドレス 192.168.1.3）から接続するとします。
（実際は間にルーターが介在しますが、データの受け渡しをするだけなので省略します）

まずサーバー機でサーバーソフトウェアを80番で起動します（これを「80番ポートをリッスンする」と言います）
スマホでは、接続先を「192.168.1.2(:80)」としてサーバーに接続します。

（本来は、接続先は「IPアドレス:ポート番号」で指定しますが、HTTPでは通常80番で通信するので、その場合はポート番号の省略が可能です）

この時、意識しないですがスマホ（クライアント）が自動的にサーバーとの通信に使う一時的なポートをランダムに確保します（ここでは50000番とします）
先述した通り、これはアプリケーションごとの通信を区別するためです。

このようにして通信を開始すると、スマホ→サーバー（要求）では「送信元 192.168.1.3:50000」「送信先 192.168.1.2:80」、サーバー→スマホ（応答）では「送信元 192.168.1.2:80」「送信先 192.168.1.3:50000」でデータをやり取りします。

スマホが通信を切るとスマホの50000番ポートは閉じられますが（不要になるため）、サーバーの80番ポートは閉じられません（新しい接続を待機するためにリッスンし続けます）

遠く離れた人との通信

データを適切な端末に転送するNAPT

LANでは、スマホやPCなど様々な機器が存在しています。
しかし、外部（WAN）はLAN内の機器を個別に認識していません。（ローカルIPアドレスを使って通信できない）
（忘れちゃった場合は、もう一度「データの送信先を決める方法」を読んでください）
外部と通信するときは、グローバルIPアドレスとポート番号だけで通信します。

この時、グローバルIPアドレスとポート番号だけで、どのようにしてLAN内の適切な機器にデータを転送しているのでしょうか？

ルーターに来たデータを適切な端末へ転送する仕組みをNAPTと言います。
ちなみにポート開放というのは、静的NAPTというもの（後に説明）の設定をすることです

LAN内から通信を開始したとき

LAN内からWANに要求を送信し、応答を受け取るとき、動的NAPTという仕組みを利用します。
このようなLAN内から開始される通信を、外向き通信やアウトバウンド通信と言います。
逆に、外部から開始される通信を内向き通信（インバウンド通信）と言います。
内向き通信では静的NAPT（後述）を利用します。

ルーター（LAN）にグローバルIPアドレス200.200.200.200（ローカルIPアドレス 192.168.1.1）を割り当てられている人が、LAN内のクライアントPC（ローカルIPアドレス 192.168.1.2）から世界のどこかのWebサーバー（アドレス 100.100.100.100 ポート番号80）と通信するとします（サーバー側LANの通信については静的NAPTで説明をするので今回は簡略化して、インターネット（WAN）に直接サーバー機がつながっているとします）

まずクライアントPCが50000番ポートを通信用に確保します。
データの送信元は「192.168.1.2:50000」送信先は「100.100.100.100:80」となります。

そのデータを同一LAN内のルーターが受け取ると、送信元を「200.200.200.200:12345」（未使用の番号をランダム割当）に書き換えます（送信先はそのまま）
この機能を動的NAPTと言います。

この機能のおかげで、グローバルIPアドレスを持っていないLAN内機器でも、外部のインターネットと通信することができます。

サーバーがそのデータを受け取って、処理をした後、自宅にあるルーターへと応答します（送信元「100.100.100.100:80」・ 送信先「200.200.200.200:12345」）

自宅にあるルーターがそのデータを受け取ると、先ほど192.168.1.2:50000から来たデータを200.200.200.200:12345に書き換えていたので、逆に200.200.200.200:12345を192.168.1.2:50000に書き換えます。
するとルーターが受け取ったデータが、送信先「192.168.1.2 ポート番号50000」に書き換えられ、クライアントPCへ無事送信されます。

LAN外から通信を開始したとき

ポート開放とは

WANから接続してもらうとき、通信するポートは決まっているので（httpなら80番、マイクラなら25565番など）、あらかじめ何番のポートをどのローカルIPアドレスの何番に転送するかを設定しておく必要があります（ランダムなポート番号だと、クライアントがどのポート番号と通信すればいいのかわからない）

その設定のことを静的NAPT設定、IPマスカレード設定、もしくはポート開放と言います。
ということは、本来ポート開放とは、「ルーターの〇番に来たデータを、ローカルIPアドレス○○.○○.○○.○○の〇番に転送するようにする設定すること」になりますね。
サーバーを外部から通信可能にするときは、通信するポート番号を決める必要があるから、人が手動で設定する必要があるのですね。
（また、設定していない場合[ポート開放していない場合]、勝手にデータを送られても自動遮断してくれるので、そういう意味でもこの機能は役に立ちますね）

このように人が手動で固定し、勝手に設定が変わらないため、静的と言われます。
（それに対し、動的NAPTは逐次ランダムなポート番号を割り当てるため、動的と言われます、多分）

静的NAPTを使った通信

さて、WANから通信を開始してもらうときの通信の仕方を見ていきましょう。
（前章で言えば、あいまいにしていた「サーバー側LAN」での通信ですね）

条件は前と同じです。
追加で、サーバー側ルーターではあらかじめポート開放（静的NAPT設定）をしているとします（ルーターの「80番」に来たデータを、サーバーPCの「192.168.10.2」の「80番」に転送する設定）

サーバー側ルーターが、送信元「200.200.200.200:12345」・送信先「100.100.100.100:80」のデータを受け取ると、NAPT設定を参照します。
80番の設定がある場合、その設定をもとに転送します。
80番の設定が無い場合、データは破棄されます。
今回は80番の設定があるので、送信先が「192.168.10.2:80」に書き換えられて送信されます。

サーバー用PCがそのデータ（要求）を受け取ると、要求を処理して応答します。
応答するデータは送信元「192.168.10.2:80」送信先「200.200.200.200:12345」で送信します。

サーバー側ルーターが返信を受け取ると、同様に静的NAPTを参照して、送信元の「192.168.10.2:80」を「100.100.100.100:80」に変換して、クライアントへ返信します。

NAPTのまとめ

動的NAPTと静的NAPTの通信をまとめると、次のようになります

まとめ

今回は、ネットワーク機器同士がどうやって通信をしているのか？ということを、ルーターに注目して解説しました。

今記事の内容をまとめると以下の通りです

• ルーターを介して通信している
• IPアドレスによって、どこに送信するかを決めている
• ポート番号によって、どのプログラムの通信なのかを判断している
• LAN内の機器とWANの機器同士の通信は、NAPTという機能を使って、IPアドレスとポート番号を適切に変換して行っている
• ポート開放は、静的NAPTを設定する作業である

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