MACアドレスとIPアドレスの違いと使い分け

IPアドレスは、通信の最終的な届け先や送り主を示す住所です。途中でどれだけ中継されても、データの小包であるパケットが目的地に届くまで変わりません。

MACアドレスは、区間ごとに、次にデータを手渡す相手を示すアドレスです。ルータを1つ越えるたびに書き換わります。宅配便の配送員が中継地点ごとに交代するのと同じです。

この区別が分かると、ルータを越える通信で何が書き換わるかを追えます。ARPやルーティングも、この2つのアドレスの使い分けを前提にした仕組みです。

いちばんの違いは誰が割り当てるかです。MACアドレスは、機器の製造時に工場で書き込まれます。

先頭24ビットを見るとメーカーが分かり、この部分をOUIまたはベンダーIDと呼びます。

IPアドレスは、あとから自由に割り当てや変更ができます。割り当て方には、手で設定する方法と、IPアドレスなどを自動で配るDHCPがあります。

最近のスマホやPCには、接続するネットワークごとに別のランダムなMACアドレスを使う機能があります。この機能をMACアドレスランダム化と呼びます。店舗などでの位置追跡を防ぎ、プライバシーを保護するための仕組みです。

2つのアドレスが両方必要なのは、片方だけでは通信が成立しないからです。MACアドレスだけでは、どのネットワークの機器かが分かりません。IPアドレスだけでは、同じネットワーク内で次にどの機器へ渡せばよいかを特定できません。

そこで、最終的な宛先はIPアドレスで指定し、区間ごとの受け渡し相手はMACアドレスで指定します。

荷物を送るとき、伝票に書く宛先住所は最初から最後まで変わりません。これがIPアドレスです。

一方、荷物を実際に手で運ぶ配送員は、営業所を経由するたびに交代します。自宅から最寄りの営業所まで運ぶ人と、営業所間のトラック運転手と、最後に届ける配達員は別の人です。この配送員にあたるのがMACアドレスです。

まず、HTTPリクエストがEthernetフレーム（イーサネットで送るデータの単位）に組み立てられる様子を確認します。組み立ての流れはカプセル化の記事で説明しています。

ただし、上の図が示すのは、1つの区間でフレームが組み立てられる様子だけです。この1つの区間を1ホップと呼びます。

実際の通信では複数のルータを経由するので、区間ごとにEthernetヘッダが作り直されます。PCからサーバまで、ルータA・ルータBの2台を経由する例で確かめます。

送信元MACと宛先MACは、区間が変わるたびに別の値に書き換わっています。一方、送信元IPと宛先IPは、表では3つの区間とも同じ値です。これはNAT後の値にそろえた書き方で、下の注記で説明します。

宛先IPアドレスは、最後まで変わりません。Ethernetヘッダの送信元MACアドレスと宛先MACアドレスは、ルータを越えるたびに作り直されます。

通信の相手を指定するときに使うのはIPアドレスですが、同じネットワーク内でデータを渡すにはMACアドレスが必要です。そのため、宛先のIPアドレスは分かっていても、対応するMACアドレスが分からない状況が起こります。

これを解決するのがARP（Address Resolution Protocol）です。ARPでは、まずネットワーク内の全員に「このIPアドレスの人はいますか」と問い合わせます。この問い合わせをARPリクエストと呼びます。

ARPリクエストはブロードキャストで全員に届きます。受け取った機器のうち、該当するIPアドレスを持つ機器だけが「私です、MACアドレスはこれです」と返します。この返事をARPリプライと呼びます。

ターミナルを開くと、自分のMACアドレスとIPアドレスを確認できます。同じネットワーク内の機器のIPアドレスとMACアドレスの対応表も確認できます。

$ ip addr
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500
    link/ether ac:de:48:00:11:22 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.10.25/24 brd 192.168.10.255 scope global eth0

# link/ether の行がMACアドレス、inet の行がIPアドレスです。

$ 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

# これまでにARPで調べた、IPアドレスとMACアドレスの対応表です。
# この対応表をARPキャッシュと呼びます。