ARP

1.ARP

(1)ARP（Address Resolution Protocol）
・アドレス解決プロトコルと訳される。
・ARPはIPアドレスからMAC（Media Access Control)アドレスを取得するプロトコルである。
・ネットワークスペシャリスト試験の過去問では、TCP/IPにおけるARPの説明として、「IPアドレスからMACアドレスを得るプロトコル(H16NW午前 問22)」と述べている。
・Windowsパソコンでは、arp -aコマンドでキャッシュしているARP情報を表示する。

・ARPの要求パケットはブロードキャスト（MACアドレス　ff:ff:ff:ff:ff:ff）でセグメント全体に送信され、返信はユニキャストで返信される。
・ARPテーブルはこんな感じです。CiscoのCatalystの場合、show arp コマンドにて確認することができる。MACアドレステーブルとは別物です。違いはスイッチングHUB記事で理解しましょう。メーカによってARPテーブルの保持時間は異なりますが、多くは数分です。

IPアドレス	MACアドレス
192.168.1.10	mac1
192.168.1.30	mac2

(2)ARPのフレーム
フレームフォーマットは以下です。
・HTYPE(2)
・PTYPE（２）
・HLEN（１）
・PLEN（１）
・オペレーション（１）
・送信元MACアドレス（６）
・送信元IPアドレス（４）
・ターゲットのMACアドレス（６）
・ターゲットのIPアドレス（４）

補足解説
・HTYPE（ハードウェアタイプ）は、イーサネットの場合は1（厳密には0x0001）
・PTYPE（プロトコルタイプ）で、IPv4の場合は0x0800
・HLEN（Hardware length）はMACアドレスの長さで、6が入る
・PLEN（Protocol length）はIPアドレスの長さで、4が入る
・オペレーションにはrequest（要求）の場合が1、reply（応答）の場合は2が入る。
・ARP要求パケットの場合、「ターゲットのIPアドレス」に解決をしたいIPアドレスを入れる。「ターゲットのMACアドレス」は空になる。

(3)ARPの動作


※「タイプフィールドにはARPを表す「0x0806」の値が入る」「ARP要求時は、宛先MACアドレスにはブロードキャスト（FF-FF-FF-FF-FF-FF)が入る」と追記。
 上記の例とリンクしていないが、Wiresharkでキャプチャした例を紹介します。

　
ARPはレイヤ２の通信ですか？
これのキャプチャ画面を見ると、送信元IPアドレスが入っているから、
レイヤ３の通信に見受けられます。
確かに、フレームのProtocolフィールドに0x800（IP）と入っているから、そう思えてきます。実際、レイヤ3と解説している文献もいくつかあることでしょう。しかし、よくよくフレームの中身を見てみますと、IPヘッダと送信元IPアドレスなどとは違い、ARPフレームのデータ部分として送信元IPアドレスなどが入っているだけです。IPヘッダの送信元IPアドレスなどではありません。詳しくは、HTTPやICMPなどのIPヘッダと比べていただきたい。
https://nw.seeeko.com/archives/50559141.html#2ICMP

(4)ARPテーブルに情報を追記する端末はどれ？
　先ほどのPC1がARPを送った図を見てください。ARP要求したPC1が、自分のARPテーブルに情報を追記（または書き換え）しました。では、他のPC2~4はARPテーブルに情報を追記すると思いますか？
というのも、PC1からのARP Requestのフレームによって、PC1のIPアドレスとMACアドレスの情報をPC2~PC4が知ることができます。PC2~PC4は、その情報を、自分のARPテーブルに書き込むでしょうか。



話の流れからすると、書き込むのでしょうか。
正解は、ARP応答を返したPC2だけが書き込みます。一方、PC3とPC4は、このやりとりに関与していないので、ARPテーブルには書き込みません。
　この仕組みを利用して、通信相手のARPテーブルに嘘の情報を書き込むことができます。たとえば、PC1が送ったARP Requestですが、自分のMACアドレスを詐称すれば、PC2は、詐称されたMACアドレスをARPテーブルに記載してしまうのです。

(5)ARPに関する過去問
ARPに関して、過去問（H28春FE午後問4）に解説があります。

〔ARPの機能の説明〕 IPアドレスを基にMACアドレスを得るARPの機能は，問合せとしでARP要求”を送信し，それに対する回答としでARP応答”を受け取ることで実現される。例えば，セグメント10.1.1.0/24において，ホストA（IPアドレス10.1.1.10,  MACアドレス00:53:00:DA;C7:0B）がホストB（IPアドレス10.1.1.20,  MACアドレス00:53:00:EC:17:27）宛てにIPデータグラムを送信しようとしたとき，ホストBのMACアドレスはARPによって，次のようにして得られる。 （1）ホストAは，IPアドレス10.1.1.20に対するARP要求を送信する。このとき，ARP要求は「て￣￣Iされる。 （2）ARP要求を受け取ったホストBは，そのARP要求が自分のIPアドレスに対する問合せであることを確認すると，自分のIPアドレス10.1.1.20とMACアドレス00:53:00:EC:17:27を格納したARP応答を送信する。同じARP要求を受け取ったその他のホストは，それが自分のIPアドレスに対する問合せではないので，無視する。 （3）ホストAは，ホストBが送信したARP応答を受け取ることによって，IPアドレス10.1.1.20に対応するMACアドレスが00:53:00:EC:17:27であることが分かる。 ホストAは，ホストBのIPアドレスと得られたMACアドレスの対応付けをキャッシュする。キャッシュが破棄されるまで10.1.1.20宛てのIPデータグラムを送る際，イーサネットフレームの宛先MACアドレスとして00:53:00:EC:17:27を使用する。

2.RARPとProxyARP

▼RARP（Reverse Address Resolution Protocol）
・逆アドレス解決プロトコルと訳される。ARP（Address Resolution Protocol）とは逆に、MACアドレスからIPアドレスを解決するプロトコル。
・RARPはMACアドレスからIPアドレスを取得する。ARPとは機能が逆なので、Reverseと付いている。
・ネットワークスペシャリスト試験の過去問では、「電源オフ時にIPアドレスを保持することができない装置が、電源オン時に自装置のMACアドレスから自装置に割り当てられているIPアドレスを知るために用いるデータリンク層のプロトコルで、ブロードキャストを利用するもの」とある。（H21NW午前 問11)
・実際の動作としては、RARPサーバに、MACアドレスとIPアドレスの対応表を保管しておきます。IPアドレスを持てない装置から、IPアドレスが何かというRARPのメッセージが来たら、IPアドレスを答えます。

 
なんですかこれ？
いまどきそんな機器あるんですか？
それに、DHCPサーバでも、MACアドレスとIPアドレスの情報を管理できますよね。
確かにそうです。今は全く使われません。IPアドレスが持てない装置もほぼありませんし、RARPよりもBOOTPやDHCPプロトコルの方が、優れています。例えば、IPアドレスだけではなくで、デフォルトGWやDNS情報も答えることができます。なので、RARPというものがあって、ARPの反対の動作をする程度で理解しておけばいいでしょう。

▼Proxy ARP
最後はProxy　ARPです。こちらもRARPと同様に、それほど重要ではありませんので、聞き流してもらって構いません。
仕組みは、ARPの代理応答を行うものです。たとえば、サブネットマスクを定義できない古いPCが存在する場合に使われます。

[PC1（古いPC）　172.16.1.1]　---　[ルータ]　---　[PC2(新しいPC）　172.16.2.1/24]

上記の図を少し補足します。古いPCはサブネットを定義できないので、172.16.1.1のPCはクラスBです。

　
サブネットという概念がないので、172.で始まるIPアドレスは自動的にクラスB、つまりネットワークアドレスが172.16.0.0/16になるのですね。
そうです。よって、PC2（172.16.2.1）も同じ172.16.0.0/16のネットワークにいると考えて、ARPを投げます。ですが、実際にはルータでセグメントが分けられています。ARPはPC2には届きません。そこで、ルータが新PCの代理（Proxy）で古いPCにARPを返すのです。

　

そもそも、IPアドレスとMACアドレスと2つを使っているからややこしいと思います。
どちらか一つにすればいいのに。
まあ、そうもいかないだろう。まず、L2レベルの通信はMACアドレスが無いとできない。MACアドレスは必須だ。しかし、IPアドレスが無しで、MACアドレスだけでのインターネットは不可能ではないかもしれない。だが、IPアドレスはシンプルな考えかたでルーティングの概念もわりと分かりやすい。2重管理になったとしても、あった方がいいのではないかと思う。

3.GARP

Gratuitousは、「いわれのない」や「根拠のない」という意味でして、GARPは本来のARPとは機能が全く違います。
ARPという名がついている理由は、フレームフォーマットはARPと同じだからです。ARPフレームにおいて、本来は調査対象のIPアドレスを入れるフィールドに、自分のIPアドレスを入れています。なので、ARP本来の目的である、MACアドレスを解決するためのフレームではないのです。
　

じゃあ、何が目的なのですか？
GARPを送信する目的は、（ネットワークスペシャリスト試験対策）としては大きく２つです。

1)ARPテーブルの更新
　過去問（R1NW午後1問1)では以下の記載があります。
「マスタルータが故障した際には，新しくマスタになったルータが〔　c：ARP　〕パケットをブロードキャストすることによってL2SWのMACアドレステーブルを更新する。」
ネットワークスペシャリスト試験の過去問（H26秋NW午後１問2）には、「自ポートに設定されたIPアドレスの解決を要求する〔　エ：GARP又は，Gratuitous ARP　〕を用いて接続機器のARPテーブルを更新する」とあります。ここにあるように、スイッチなどのARPテーブルを更新することです。

2)MACアドレステーブルの更新
　スイッチのMACアドレステーブルの更新。たとえば、VRRPに構成において、マスタルータがダウンした場合、バックアップルータがマスタルータに昇格します。マスタルータに昇格したルータは、スイッチのMACアドレステーブルを更新する目的で送信します。そうしないと、スイッチのMACアドレステーブルは、古い情報、つまり、仮想IPアドレスに対するスイッチのポートが、ダウンしたルータのままになる。

■参考（グダグダと書いた解説）
　ネットワークスペシャリスト試験の過去問（H28秋NW午前Ⅱ問6）では、「IPv4でのARPを利用したGratuitous ARP の説明」として，「ターゲットIPアドレスフィールドに自端末が使用するIPアドレスを入れて，MACアドレスを問い合わせる」とあります。
GARPの仕組みは、この過去問にあるように、「自ポートに設定されたIPアドレスの解決を要求する」ことです。GARPのパケットをWiresharkでキャプチャした例を以下に示します。送信元IPアドレスと，宛先IPアドレスが同じになっています。つまり、「自分自身のMACアドレスを教えてくれ」と言っているのです。

　　

なぜ自分のIPアドレスを解決する必要があるんですか？
自分のIPアドレスとMACアドレスなら，解決しなくてもわかっているのでは？
その通り。解決しなくても分かっています。GARPを投げる目的は、自分のMACアドレスを知りたいのではなく、別のところにあります。GARPを送ることによって、自分のIPアドレスとMACアドレスを周りに通知したいのです。
　ネットワークスペシャリスト試験の過去問（H26秋NW午後1問2）では、「自ポートに設定されたIPアドレスの解決を要求する〔　エ：GARP又は，Gratuitous ARP　〕を用いて接続機器のARPテーブルを更新する機能」とあります。
さらに、別のネットワークスペシャリスト試験の過去問（H25NW午後Ⅱ問1）ではGARPの目的が問われ、解答例は「同一サブネット内のIPノードがもつARPキャッシュを更新させるため」となっています。
このように、GARPは本来のARPとしての意味がありません。Gratuitousが、「いわれのない」「根拠のない」という意味なのも、理解できるのではないでしょうか。

■メモ
以下は、EPSONのプリンタが出しているGARPパケットです。自分の存在を示すためのパケットかと思われます。（詳細は不明）