ARPの限界を理解している回答者を当てよう

IPアドレスからMACアドレスを調べるARPはどこまで有効？

2011年08月24日 06時00分更新

文● 遠藤哲

クイズ「誰が正解？」の時間がやってきました。このクイズでは、ケンイチ君、いずみちゃん、竹田君の3人が私の質問に答えます。ただし、正解なのは1人だけですよ。クイズのテーマは「TCP/IP」、ネットワークの基本です。さてさて、誰が正解か当てられますか？

誰が正解？（間違いが2人いますので要注意！）

ARPでIPアドレスからMACアドレスを調べる

　Ethernetで構築されたネットワークでは、IPパケットを「Ethernetフレーム」と呼ばれるデータフォーマットで送受信する（図1）。Ethernetフレームのヘッダは、おもに宛先および送信元のMACアドレス（Media Access Control address）と上位プロトコルタイプの3つのフィールドで構成されている。Ethernetカードには固有のMACアドレスが設定されており、EthernetはこのMACアドレス情報を使ってEthernetフレームの送受信を行なうのである。

図1●IPの階層とEthernetフレーム

　一方、IPではIPアドレスが使用される。つまり、Ethernetを使ったIPでの通信はIPアドレスとMACアドレスの2つのアドレスを使って行なわれることになる。そのため、EthernetでIP通信をするには、その都度宛先IPアドレスから宛先MACアドレスを調べる手段が必要となる。

　このMACアドレスを調べるプロトコルが「ARP（Address Resolution Protocol：アープ）」である。ARPでは、MACアドレスを知りたいIPアドレスをブロードキャスト（全ホスト宛の通信）ですべての隣接ホストに送信する。そして、該当するIPアドレスを持つホストから応答としてMACアドレスを受け取る（図2）

図2●単一ネットワークでのARPの動作

ルータを経由したパケット転送

　ここでポイントとなるのは、図3のように2つのネットワークがあり、宛先ホストがルータをまたいだネットワークにある場合だ。IPアドレスではネットワーク（どこの）とホスト（誰か）を示すことができるので、複数のネットワークをまたいでも宛先を指定することができる。またIPネットワークでは、ルータにパケットを転送させることで、異なるネットワークにIPパケットを送ることが可能だ。

図3●ルータをまたいだARPの動作

　しかし、Ethernetのフレームはルータを越えられず、ハブやスイッチで接続されている隣接ノードとしか通信できない。そのうえ、ARP要求で使うIPのブロードキャストの通信は、ルータを越えられないという制約がある。つまり、EthernetのブロードキャストでARP要求を送信している以上、ルータを越えてARP要求を送ることはできないのだ。

　そこで、ルータ（図のGW）のIPアドレスを調べ（各ホストにデフォルトゲートウェイとして指定されている）、さらにARPでルータのMACアドレスを調べる。そして、データフレームをルータ宛に送信する。これを図3で説明すると、172.16.1.153から10.0.0.100にIPパケットを送るのに、いったんIPパケットをルータに送るということになる。

　ここでルータは、受け取ったEthernetフレームからIPパケットを取り出すが、そのIPヘッダに書かれた宛先がルータではないため、あらためてその宛先IPアドレスへパケットを転送することになる。ここでもルータから宛先IPアドレスについてARPを実行してMACアドレスを調べる。そして、Ethernetフレームを作り直して、宛先の10.0.0.100にIPパケットを届ける。

　このようにIPパケットの送信では、ARPというプロトコルを使うことで、MACアドレスを調べながら、IPパケットを転送していくのである。

　3人ともMACアドレスの解決にARPを使うことでは一致しているが、ケンイチ君といずみちゃんのARPの説明は誤っている。ケンイチくんは、他のネットワークのMACアドレスもARPで調べられるとしているのが間違い。ARP要求はEthernetのブロードキャストで送るので、他のネットワークにARP要求を送ることはできない。いずみちゃんは、ARP要求の宛先をスイッチとしているところが間違い。またARP要求をルータで転送するというところも誤っている。正解は竹田君だ。