ネットワークのしくみ 5：ARP ― 付け替わる MAC、変わらない IP

ARP：「この IP の人、MAC を教えて」と全員に聞く

ARP（Address Resolution Protocol）の考え方は単純です。

同じネットワークの全員に「192.168.1.1 の人、あなたの MAC アドレスを教えて」と聞く。その IP アドレスを持っている本人だけが答える。

誰に聞けばいいか分からないので、全員に聞く。3本目で見たブロードキャスト（全員宛て）は、まさにこのためにあります。

教室で「田中さんいますか？」と全員に聞くと、田中さん本人だけが「はい」と手を挙げるのと同じです。

質問は、ブロードキャストで全員に届く

PC-A は、ARP の質問の小包を作ります。

宛先がブロードキャストなので、スイッチはこの小包を全部の口に流します。PC-B にも、ルーター1にも届きます。

ARP の小包は、IP の札を付けずに、MAC の札の中に直接入れて送ります。まだ相手の MAC を知らない段階で使うものなので、同じネットワークの中だけで完結する、いちばん下の層の仕組みです。

本人（ルーター1）だけが、質問した人に答える

質問を受け取った機械は、それぞれ「192.168.1.1 は自分か？」を確かめます。

PC-B は自分の IP アドレスが 192.168.1.20 なので、黙って捨てます。ルーター1は自分の IP アドレスが 192.168.1.1 なので、答えを返します。

答えは全員に叫ぶ必要がないので、質問した PC-A だけに送ります。質問の小包に PC-A の MAC アドレスが書いてあったので、宛先が分かります。

ついでに、スイッチもこのやりとりで、aa:aa と r1:r1 がどの口にいるかを学習します（3本目）。

答えは、しばらく覚えておく（ARP テーブル）

小包を送るたびに ARP で聞いていたら、ネットワークがブロードキャストだらけになってしまいます。そこで PC は、答えをしばらく覚えておきます。この表を ARP テーブル（ARP キャッシュ）と呼びます。

覚えておく時間は機械によって違い、数分から数十分程度です。3本目のスイッチの表と同じく、古い情報を持ち続けないように、時間が経つと忘れます。

自分の PC のターミナルで arp -a と打つと、自分の ARP テーブルを見ることができます。家のネットワークなら、ルーター（デフォルトゲートウェイ）の IP アドレスと MAC アドレスの組が、ほぼ必ず載っているはずです。

混同しやすいので整理しておきます。

1区間目：PC-A → ルーター1

ルーター1の MAC アドレスが分かったので、PC-A はようやく本来の小包を送れます。

MAC の宛先はルーター1、IP の宛先はサーバー。2つの宛先が食い違っています。これが外宛ての小包の普通の姿です。

スイッチは MAC の札だけを見て、ルーター1の口に流します。IP の札は見ません。

ルーター1は MAC の札を捨て、IP の札を見る

小包を受け取ったルーター1は、まず MAC の札を確かめます。宛先が自分（r1:r1）なので受け取ります。

ここで、MAC の札は役目を終えます。MAC の札の役目は「この線の上で、ルーター1まで届けること」だったからです。ルーター1は MAC の札を捨てます。

次に、ルーター1は IP の札を見ます。宛先は 203.0.113.10 です。自分宛てではありません。そこで、自分のルーティングテーブル（道しるべの表）を確かめます。「203.0.113.0/24 宛ては、次はルーター2（10.0.0.2）へ」と書いてあります。

この「表を見て次を決める」部分は、次の作品で詳しく見ます。ここでは「次はルーター2」と決まった、とだけ押さえてください。

新しい MAC の札を付けて、次の区間へ

次の渡し先がルーター2（10.0.0.2）と決まりました。ルーター1は、ルーター2の MAC アドレスを知る必要があります。どうするかというと、PC-A がやったのとまったく同じように、ARP で聞きます（覚えていればそれを使います）。

そして、新しい MAC の札を付けます。

ルーターは口ごとに別の MAC アドレスを持っています。左側（ネットワーク A 側）の口は r1:r1、右側（ルーター2側）の口は r1:w です。ルーターは複数のネットワークの境目に立っているので、それぞれのネットワークに1つずつ口を持っているのです。

IP の札は書き換えません。ただし、TTL だけは1減らします（2本目）。

最後の区間：ルーター2 → サーバー

ルーター2も、同じことを繰り返します。MAC の札を捨て、IP の札の宛先 203.0.113.10 を見て、表を確かめます。

今度は、宛先がルーター2の右側のネットワーク（203.0.113.0/24）の中にいます。つまり、4本目の言葉で言えば「同じネットワーク」です。だから、ほかのルーターに渡すのではなく、サーバー本人に直接渡します。ARP でサーバーの MAC アドレス（ss:ss）を聞いて、MAC の札を付けます。

サーバーは、MAC の札を見て「自分宛てだ」、IP の札を見て「自分宛てだ」と確かめ、中身を受け取ります（2本目の「外側から開けていく」）。

3つの区間を並べると

ここまでの3つの区間を並べてみます。

MAC の札は3回とも別物です。区間ごとに、その区間の「隣」の MAC アドレスが書かれています。IP の札は1文字も変わっていません（TTL だけが減っています）。

1本目で「IP アドレスは最後まで変わらない。MAC アドレスは区間ごとに付け替わる」と書いたのは、このことです。郵便でいえば、封筒の宛名（IP）はそのままで、局から局へ運ぶときの配達伝票（MAC）だけを区間ごとに貼り替えている、ということになります。

なぜ、わざわざ2種類の宛先を使い分けるのか

なぜ、こんな二重の仕組みになっているのでしょうか。理由は2本目で見た層の分担です。

途中の区間は、有線の LAN、Wi-Fi、光ファイバー、携帯電話の回線と、さまざまです。区間ごとに「線の上でどうやって隣に渡すか」の方法は違っていてかまいません。MAC アドレスを使うのはイーサネットや Wi-Fi の場合で、別の種類の回線なら別の渡し方をします。

一方で、「最終的にどこへ向かうか」は、途中のどの区間でも共通の書き方でなければなりません。そうでないと、途中のルーターが「どっちへ向かえばいいか」を判断できません。

だから、区間ごとに変わってよいもの（MAC）と、旅の最初から最後まで共通のもの（IP）を、別の層の別の札に分けたのです。

同じネットワーク宛てなら、相手本人の MAC を聞く

よくある勘違いを1つ整理しておきます。「ARP では、最終の宛先の MAC アドレスを聞く」と思いがちですが、違います。

ARP で聞くのは、「次に渡す相手」の MAC アドレスです。

PC-A がサーバー本人の MAC アドレスを ARP で聞くことはありません。聞いても、サーバーは別のネットワークにいるので、ブロードキャストが届かず、誰も答えません。

同じネットワークの PC-B 宛てなら、4本目の判定で「同じネットワーク」と分かるので、PC-B 本人の MAC アドレスを聞いて、直接渡します。ルーターは通りません。

ARP は「言ったもの勝ち」。だから悪用もされる

ARP には弱点があります。答えに、本人である証拠が付いていないことです。

同じネットワークに悪意のある機械がいると、「192.168.1.1 は私です。MAC は ee:ee」と偽の答えを送れます。PC-A がそれを信じると、外宛ての小包をすべて、その悪意のある機械に渡してしまいます。中身を覗かれたり、書き換えられたりするおそれがあります。これを ARP スプーフィングと呼びます。

メールのしくみシリーズで見た「SMTP は差出人を確かめない」と、よく似た形です。古い仕組みは、同じネットワークの中にいる相手を信頼する前提で作られています。

対策として、会社のネットワークではスイッチに偽の答えを弾く機能を入れたりします。また、HTTPS のように通信の中身を暗号化しておけば、途中で横取りされても中身は読まれません。公共の Wi-Fi で HTTPS が大事なのは、このためでもあります。