ARP ～IPアドレスとMACアドレスを対応付け～

ARPとは

ARP(Address Resolution Protocol)とはIPアドレスとMACアドレスを対応付けるためのプロトコルです。そして、IPアドレスとMACアドレスを対応付けることをアドレス解決と呼びます。ARPというプロトコルの名前の由来です。

ARPはイーサネットでIPパケットを転送するときに必要不可欠な大事なプロトコルです。

なぜMACアドレスも必要か？

TCP/IPの通信では、IPアドレスで宛先を指定しているのですが、なぜ、MACアドレスも必要なのでしょうか？

それは、IPだけでは最終的な宛先までデータを送り届けられないからです。IPには「0」「1」のビットを物理的な信号に変換して伝えていくような機能がありません。そこで、IPパケットをイーサネットやWi-Fiといったネットワークインタフェース層のプロトコルでカプセル化して、物理的な信号に変換して送り出さなければいけません。ネットワークインタフェース層プロトコルとして、イーサネットを利用しているときにIPパケットをイーサネットインタフェースから送り出すには、イーサネットヘッダを付加しなければいけません。

IPヘッダにはIPアドレスが必要です。そして、イーサネットヘッダにはMACアドレスが必要です。送信元IPアドレスと送信元MACアドレスはパケットを送信する機器のものなのでわかります。そして、TCP/IPの通信では必ずIPアドレスを指定するので、宛先IPアドレスは指定されたものを使えばよいです。あとは宛先MACアドレスが必要です。宛先IPアドレスに対応するMACアドレスを求めるためにARPがあります。

図で明示的に表していませんが、イーサネットインタフェースから送り出すときには、「0」「1」のデジタルデータを物理的な信号へ変換しています。

「IPアドレスとMACアドレスの違い」、「なぜIPアドレスもMACアドレスも必要になるか」について以下の記事で詳しく解説しています。

ネットワークのおべんきょしませんか？

なぜIPアドレスだけでなくMACアドレスも必要なの？～IPアドレスとMACアドレスの違...

https://www.n-study.com/ip-addressing/ip-address-and-mac-address/

「IPアドレス」と「MACアドレス」がなぜ両方とも必要になるかについて、できる限り丁寧に解説します。

「0」「1」のデジタルデータを物理的な信号に変換して転送するためによく利用するイーサネットおよび無線LAN(Wi-Fi)についての詳細は以下のリンクからご覧ください。

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イーサネットの仕組み

https://www.n-study.com/ethernet/

イーサネットの仕組みイーサネットは、1つの同じネットワークの中でデータを転送するためのプロトコルです。企業の社内ネットワークや家庭内ネットワークを構築するために、イーサネットをよく利用しています。イーサネットの仕組みをしっかりと理解して、社内ネットワークや家庭内ネットワークを構築しましょう。

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無線LANの仕組み | ネットワークのおべんきょしませんか？

https://www.n-study.com/wlan-detail/

無線LANによって、ケーブル配線なしに手軽にLAN(Local Area Network)を構築できます。特に、スマートフォンの普及によって、今や無線LANは欠かせない技術となっています。無線LANの仕組みについて解説します。

ARPの仕組み

ARPのアドレス解決の対象は同じネットワーク内のIPアドレスです。イーサネットインタフェースで接続されているPCなどの機器がIPパケットを送信するために宛先IPアドレスを指定したときに、自動的にARPの処理が行われます。ユーザはARPの動作について特に意識する必要はありませんが、ARPによってアドレス解決を行っているということはネットワークの仕組みを知る上でとても重要です。

ARPの動作の流れは、次のようになります。

ARPリクエストをブロードキャスト: ARPリクエストでIPアドレスに対応するMACアドレスを問い合わせる

ARPリプライを返す: 問い合わされたIPアドレスを持つホストがARPリプライでMACアドレスを教える

ARPキャッシュを更新: アドレス解決したIPアドレスとMACアドレスの対応をARPキャッシュに保存する

なお、ARPリクエストおよびARPリプライは、IPヘッダは付加せずイーサネットヘッダで直接カプセル化されます。

ARPの詳しいメッセージフォーマットは以下の記事をご覧ください。

ネットワークのおべんきょしませんか？

ARPフォーマット

https://www.n-study.com/tcp-ip/arp-format/

ARPフォーマットARPのメッセージはイーサネットヘッダで直接カプセル化して転送されます。イーサネットヘッダのタイプコード0x0806でデータ部分がARPメッセージであることを表します。図 ARPフォーマットフィールド名サイズ内容Hardware Type16ビットイーサネットの場合、0x0001で固定Protocol Type16ビット IPv4の場合、0x0800で固定Hardware Size8ビットMACアドレスのサイズ(バイト)。0x06Protocol Size8ビットIPアドレスのサイズ(バイト)。0x04Opcode16ビットARPリクエスト:0x0001ARPリプライ:0x0002Sender MAC address48ビット送...

1.ARPリクエストで問い合わせ

IPアドレスを指定してIPパケットをイーサネットインタフェースから送り出すときに、まずARPリクエストを送信します。ARPリクエストの中身は「このIPアドレスのMACアドレスを教えてください」というものです。

ARPリクエストは同じネットワーク上のすべてのホストが受信するようにブロードキャストで送ります。ARPのアドレス解決は同じネットワークの中だけなのは、ブロードキャストを利用するからです。ブロードキャストは違うネットワークには転送されません。

なお、ARPリクエストはブロードキャストなので、同じネットワーク上のすべてのホストが受信しますが、問い合わせ対象のIPアドレス以外のホストはARPリクエストを受信しても破棄します。

問い合わせ対象ではないホストはARPリクエストをいったん受信してから、自身に関係ないと判断して破棄します。そのため、ARPリクエストに関係ないホストには若干の余計な負荷がかかります

2.ARPリプライでMACアドレスを教える

問い合わせ対象のIPアドレスのホストがARPリプライを返します。ARPリプライの内容は問い合わせされたMACアドレスです。ARPリプライでもとのホストは目的のIPアドレスに対するMACアドレスを認識できるようになります。

3.ARPキャシュの更新

IPパケットを送信するたびにARPのアドレス解決を行うのは効率よくありません。それに、IPアドレスとMACアドレスの対応はそうそう頻繁に変わるものではありません。そこで、いったん解決したIPアドレスをMACアドレスの対応を一定時間ARPキャッシュに保存します。なお、ARPキャッシュは問い合わせしたホストと問い合わせされたホストの両方で更新します。

ARPキャッシュにIPアドレスとMACアドレスの対応が存在していれば、ARPリクエストとリプライで名前解決する手順をスキップできます。ARPキャッシュ内の情報は時間が経つと削除されます。ARPキャッシュはARPテーブルとも呼びます。

ARPのアドレス解決の例

以下の図は、ARPのアドレス解決の例です。PC1から同じネットワーク上のPC3(IPアドレス 192.168.1.3)へデータを送信するときに、PC3のMACアドレスを解決する様子を表しています。

PC3のMACアドレスを解決できたら、イーサネットヘッダの宛先MACアドレスを指定して、イーサネットインタフェースをからPC3宛てのデータを送り出すことができます。

異なるネットワークへデータを転送するとき

ARPのアドレス解決は同じネットワーク上のIPアドレスに対してのみです。では、異なるネットワークへデータを転送するときには、どのようにMACアドレスを求めればよいのでしょうか？

異なるネットワークのIPアドレス宛てにデータを送るときには、まず、デフォルトゲートウェイに転送します。デフォルトゲートウェイとは、同じネットワーク上のルータです。他のネットワークへの入口です。ルータによって複数のネットワークが相互接続されています。つまり、異なるネットワークは同じネットワーク上のルータの先にあります。異なるネットワークへのデータを送るときには、ARPの問い合わせ対象のIPアドレスとしてデフォルトゲートウェイのIPアドレスでARPリクエストを送信します。デフォルトゲートウェイのルータがARPリプライを返して、送信元のホストはデフォルトゲートウェイのMACアドレスがわかるようになります。

デフォルトゲートウェイのIPアドレスに対するMACアドレスを解決すると、イーサネットヘッダでカプセル化して、データを送信します。イーサネットヘッダの宛先MACアドレスは、デフォルトゲートウェイのものです。ですが、宛先IPアドレスは最終的にデータを送り届けたいホストのものになります。

そして、デフォルトゲートウェイがデータを受信して、宛先IPアドレスに基づいてルーティングします。

デフォルトゲートウェイの詳細について、以下の記事をご覧ください。

ネットワークのおべんきょしませんか？

デフォルトゲートウェイの詳細～ホストもルーティングしている～

https://www.n-study.com/iprouting/default-gateway-detail/

デフォルトゲートウェイのポイントデフォルトゲートウェイのポイントデフォルトゲートウェイとは、PC/サーバなどのホストが他のネットワークへ通信するときに最初にパケットを転送するルータ/レイヤ3スイッチデフォルトゲートウェイの設定とは、PCのルーティングテーブルにデフォルトルート「0.0.0.0/0」をスタティックルートとして登録すること。デフォルトゲートウェイのIPアドレスがネクストホップアドレスになる他のネットワークの宛先IPアドレスはデフォルトルートに一致するので、デフォルトゲートウェイへと転送されるデフォル...

ARPキャッシュの管理(Windows)

Windows OSでは、コマンドプロンプトからARPキャッシュを管理できます。ARPキャッシュの内容を表示したり、スタティックにIPアドレスとMACアドレスの対応を登録したり、ARPキャッシュの情報を削除する方法を解説します。

ARPキャッシュの表示

コマンドプロンプトからarp -aコマンドでARPキャッシュの内容を表示します。ネットワークインタフェースが複数存在する場合は、ネットワークインタフェースごとにARPキャッシュが表示されます。

C:\Users\gene>arp -a

インターフェイス: 192.168.1.169 --- 0x3
  インターネット アドレス 物理アドレス           種類
  192.168.1.1           28-bd-89-d3-42-1c     動的
  192.168.1.20          f4-f5-e8-4d-f8-92     動的
  192.168.1.21          d8-6c-63-5a-ae-55     動的
  192.168.1.30          f0-72-ea-15-1d-d0     動的
  192.168.1.50          6c-62-6d-ec-8b-e2     動的
  192.168.1.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的
  224.0.0.2             01-00-5e-00-00-02     静的
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     静的
  224.0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     静的
  224.0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     静的
  239.255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     静的
  255.255.255.255       ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的

ARPキャッシュのスタティック登録

arp -sコマンドでARPキャッシュにスタティックにIPアドレスとMACアドレスの情報を登録できます。arp -sコマンドのフォーマットは以下のようになります。arp -sコマンドは、管理者権限で実行します。

ARPキャッシュのスタティック登録

C:\>arp -s <ip-address> <mac-address>

<ip-address> : IPアドレス
<mac-address> : MACアドレス

以下は、IPアドレス「192.168.1.200」のMACアドレス「00-00-00-01-02-03」を登録する例です。

C:\WINDOWS\system32>arp -s 192.168.1.200 00-00-00-01-02-03

C:\WINDOWS\system32>arp -a

インターフェイス: 192.168.1.169 --- 0x3
  インターネット アドレス 物理アドレス           種類
  192.168.1.1           28-bd-89-d3-42-1c     動的
  192.168.1.20          f4-f5-e8-4d-f8-92     動的
  192.168.1.21          d8-6c-63-5a-ae-55     動的
  192.168.1.30          f0-72-ea-15-1d-d0     動的
  192.168.1.50          6c-62-6d-ec-8b-e2     動的
  192.168.1.200         00-00-00-01-02-03     静的
  192.168.1.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的
  224.0.0.2             01-00-5e-00-00-02     静的
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     静的
  224.0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     静的
  224.0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     静的
  239.255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     静的
  255.255.255.255       ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的

ARPキャッシュの削除

arp -dコマンドでARPキャッシュ内のIPアドレスとMACアドレスのエントリを削除できます。arp -dコマンドのフォーマットは、以下のようになります。arp -dコマンドは、管理者権限で実行します。

ARPキャッシュの削除

C:\>arp -d <ip-address>

<ip-address> : 削除するARPキャッシュのIPアドレス。ワイルドカード「*」を指定するとすべて

以下は、IPアドレス「192.168.1.200」のARPキャッシュエントリを削除する例です。

C:\WINDOWS\system32>arp -a

インターフェイス: 192.168.1.169 --- 0x3
  インターネット アドレス 物理アドレス           種類
  192.168.1.1           28-bd-89-d3-42-1c     動的
  192.168.1.20          f4-f5-e8-4d-f8-92     動的
  192.168.1.21          d8-6c-63-5a-ae-55     動的
  192.168.1.30          f0-72-ea-15-1d-d0     動的
  192.168.1.50          6c-62-6d-ec-8b-e2     動的
  192.168.1.200         00-00-00-01-02-03     静的
  192.168.1.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     静的
  224.0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     静的
  224.0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     静的
  239.255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     静的
  255.255.255.255       ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的

C:\WINDOWS\system32>arp -d 192.168.1.200

C:\WINDOWS\system32>arp -a

インターフェイス: 192.168.1.169 --- 0x3
  インターネット アドレス 物理アドレス           種類
  192.168.1.1           28-bd-89-d3-42-1c     動的
  192.168.1.20          f4-f5-e8-4d-f8-92     動的
  192.168.1.21          d8-6c-63-5a-ae-55     動的
  192.168.1.30          f0-72-ea-15-1d-d0     動的
  192.168.1.50          6c-62-6d-ec-8b-e2     動的
  192.168.1.255         ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     静的
  224.0.0.251           01-00-5e-00-00-fb     静的
  224.0.0.252           01-00-5e-00-00-fc     静的
  239.255.255.250       01-00-5e-7f-ff-fa     静的
  255.255.255.255       ff-ff-ff-ff-ff-ff     静的

ARPフレームのMACアドレスは？

ARPは、IPパケットをイーサネットでカプセル化するときの宛先MACアドレスを求めるために利用します。では、「ARPフレームの宛先MACアドレス」はどうなるんでしょう？ARPフレーム、すなわち、ARPリクエストとARPリプライのMACアドレスは、以下のように指定します。

ARPリクエスト
宛先MACアドレス:FF-FF-FF-FF-FF-FF(ブロードキャスト)
送信元MACアドレス:ARPリクエストを送信するインタフェースのMACアドレス

ARPリプライ
宛先MACアドレス:ARPリクエストの送信元MACアドレス
送信元MACアドレス:ARPリプライを送信するインタフェースのMACアドレス

ARPリクエストの宛先MACアドレスを求めるなんてことは必要ありません。ARPリクエストの宛先MACアドレスはブロードキャストMACアドレス「FF-FF-FF-FF-FF-FF」を指定すればいいのです。そして、送信元MACアドレスはARPリクエストを送信するインタフェースのMACアドレスになります。

ARPリクエストの返事がARPリプライです。そのため、ARPリプライの宛先MACアドレスは、ARPリクエストの送信元MACアドレスを使えばいいだけです。また、送信元MACアドレスは、ARPリプライを送るインタフェースのMACアドレスです。

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