ARP ― IPアドレスからMACアドレスを調べる

同じネットワーク内の相手にデータを渡すとき、実際に使われる宛先はMACアドレスです。しかし普段扱っているのは IPアドレスの方で、相手のMACアドレスは分かりません。この「IPは分かるがMACが分からない」を解決するのがARP（Address Resolution Protocol、アドレス解決プロトコル）です。

IPアドレスとMACアドレスの役割の違いは2-1 MACアドレスとIPアドレスの違いで説明した通りです。第3層（ネットワーク層）はIPアドレスで最終的な宛先を決めますが、実際にフレームを渡すのは 第2層（データリンク層）で、そこで使われるのはMACアドレスです。

つまり「IPアドレスで宛先を決める層」と「実際に渡す層」が違うため、決めたIPアドレスを渡す直前にMACアドレスへ 変換する橋渡し役が必要になります。それがARPです。

PC（192.168.10.25）が、同じネットワーク内のゲートウェイ（192.168.10.1）のMACアドレスを調べる例で見ていきます。

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   ARPリクエストをブロードキャストする

   「192.168.10.1 のMACアドレスを教えてください」という問い合わせを、宛先MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF で送る。同じネットワーク内の全員に届く。

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   該当する機器だけが判断する

   問い合わせを受け取った機器は、自分宛て（自分のIPアドレスへの質問）かどうかを確認する。違えば何もせず無視する。

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   該当する機器だけがARPリプライを返す

   「私です。MACアドレスは AC:DE:48:AA:BB:CC です」という返信を、問い合わせ元のPCだけにユニキャストで返す。

全員に聞いて、該当者だけが答える。この非対称さ（ブロードキャストで聞いてユニキャストで返す）がARPの動き方です。

一度調べたIPアドレスとMACアドレスの対応は、機器の中にARPテーブル（ARPキャッシュ）として保持されます。 同じ相手と通信するたびにARPリクエストをやり直していては効率が悪いので、一度解決した結果を使い回すためです。

$ arp -a
? (192.168.10.1) at ac:de:48:aa:bb:cc [ether] on eth0
? (192.168.10.30) at ac:de:48:dd:ee:ff [ether] on eth0

1行の中身を分解すると、次のようになります。

ARPテーブルには有効期限がある

ARPテーブルのエントリは、記録したらずっと残るわけではありません。一定時間使われないと自動的に消えます（例えばCiscoルータの初期設定では4時間）。期限が切れると、次にそのIPアドレスと通信するときは、もう一度 ARPリクエストからやり直します。

別ネットワークにある相手と通信するとき、混乱しやすい点があります。ARPで尋ねるのは最終的な宛先のMACアドレスではなく、デフォルトゲートウェイのMACアドレスだということです。

理由は「なぜMACアドレスへの変換が必要か」で触れた制約の通りです。ARPは同じネットワーク内でしか使えません。 最終的な宛先が別ネットワークにいる場合、PCはそのMACアドレスを直接調べる方法を持たず、まず自分と同じ ネットワーク内にいるデフォルトゲートウェイにフレームを渡す必要があります。だからARPで尋ねる相手もゲートウェイになります。 宛先が同一ネットワークかどうかの判定自体は3-1 デフォルトゲートウェイで扱っています。

ここで重要なのは、ARPで尋ねる相手（ゲートウェイ）と、パケットの宛先IPアドレス（サーバ）は別物だということです。 IPヘッダの宛先IPは最後まで書き換わらずサーバのままですが、Ethernetヘッダの宛先MACだけがゲートウェイのものになります。 複数のルータを経由するときに宛先MACが区間ごとに書き換わる話は2-1で扱った内容と同じしくみです。

ここまでのARPは「相手のMACアドレスを尋ねる」動きでしたが、GARP（Gratuitous ARP）は自分から 自分のIPアドレスについてARPを送信する仕組みです。主に2つの用途があります。1つは、同じIPアドレスを使う 機器が既にいないかを確認する重複IPアドレスの検知（起動時に自分のIPアドレス宛てにARPを送り、 応答があれば重複と分かる）。もう1つは、MACアドレスが変わったことを周囲に知らせて、他の機器のARPテーブルを 有効期限を待たずに更新させる用途です。

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