--- title: ARP と NDP url: https://doc.liz6.com/ja/networking/01-l2-data-link/02-arp-and-ndp locale: ja area: networking tags: - networking - l2-data-link date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: IPアドレスからMACアドレスへの変換——IPv4ではARP（ブロードキャスト要求＋ユニキャスト応答＋キャッシュ老化）、IPv6ではNDP（マルチキャスト近接ノード発見＋SLAAC自動設定）を使用します。レイヤー2とレイヤー3の間のこの架橋は、ローカルネットワーク通信の第一歩です。 --- # ARP と NDP > IPアドレスからMACアドレスへの変換——IPv4ではARP（ブロードキャスト要求＋ユニキャスト応答＋キャッシュ老化）、IPv6ではNDP（マルチキャスト近接ノード発見＋SLAAC自動設定）を使用します。レイヤー2とレイヤー3の間のこの架橋は、ローカルネットワーク通信の第一歩です。 ## 概要 ARP がなければ、IP パケットはイーサネット上で転送できません——ARP は IP アドレスを MAC アドレスに変換する接着剤プロトコルです。ARP リクエスト（「192.168.1.1 は誰？」）はブロードキャストフレームとして送信され、宛先ホストが自身の MAC を返信します。IPv6 では NDP が ARP に代わり、ICMPv6 を基盤としており、アドレス解決に加え、ルーター発見（RS/RA）とアドレス自動設定（SLAAC）も提供します。ARP は 1982 年に設計されましたが、「LAN 内の全員を信頼する」というセキュリティモデルは現代では非常に脆弱です。しかし、低オーバーヘッドと単純さゆえに、閉鎖型ネットワークでは依然として効率的です。 ## ARP プロトコル (RFC 826) ### フレーム形式 ARP は Ethernet フレーム内に直接カプセル化されます (EtherType=0x0806)。IP レヤーは存在しません: ``` Hardware Type: 2 bytes — 1 = Ethernet Protocol Type: 2 bytes — 0x0800 = IPv4 HW Addr Len: 1 byte — 6 (MAC) Protocol Addr Len: 1 byte — 4 (IPv4) Operation: 2 bytes — 1=Request, 2=Reply, (RARP は 3/4、ほとんど使われない) Sender HW Addr: 6 bytes (MAC) Sender Protocol Addr: 4 bytes (IPv4) Target HW Addr: 6 bytes (Request では 0 パディング) Target Protocol Addr: 4 bytes (IPv4) ``` Request はブロードキャスト MAC (ff:ff:ff:ff:ff:ff) 宛てに送信され、Reply はユニキャストです。ARP メッセージの総長は 28 bytes + イーサネットヘッダー 18 bytes = 46 bytes です——これはイーサネットの最小ペイロード長にちょうど一致し、パディングは不要です。 ### カーネル ARP 状態機械 各 neighbor entry には以下の状態があります (include/net/neighbour.h): ``` NUD_NONE: 新規作成、状態なし NUD_INCOMPLETE: ARP リクエストを送信済み、応答を待機中 — タイムアウト後に再試行 NUD_REACHABLE: 直近で到達可能を確認（通常状態） NUD_STALE: 期限切れだがクリーンアップされていない — 次回使用時に DELAY に移行 NUD_DELAY: TCP 確認応答を待機中（5秒間） NUD_PROBE: ARP プロブを送信（最大3回、1秒間隔） NUD_FAILED: プロブが3回失敗 — entry を削除 ``` 状態遷移: カーネル ARP 状態機械: NUD 近接ノード表項のライフサイクル NUD_NONE 新規作成・状態なし NUD_INCOMPLETE ARP request 送信済み・reply 待機中 NUD_REACHABLE 直近で到達可能確認（通常） NUD_FAILED entry 削除（再作成が必要） NUD_STALE 期限切れだが未クリーンアップ NUD_DELAY TCP 確認応答を待機中（5秒） NUD_PROBE ARP probe 送信（最大3回、1秒間隔） ARP request 送信 タイムアウト（1秒） ARP reply 受信 30秒で期限切れ データパケットがこの entry 宛てに送信 5秒以内に TCP 確認応答 → ARP 不要！ 5秒経過しても確認応答なし ARP reply 3回失敗 重要: NUD_STALE では能動的に ARP を送信しない——カーネルは、 実際にその近接ノード宛てにデータパケットを送信する際にのみ、 重要: `base_reachable_time`（デフォルト 30秒）経過後の NUD_STALE 状態では、**能動的に ARP を送信しません**。カーネルは、実際にその近接ノード宛てにデータパケットを送信する際にのみ、DELAY → PROBE のチェーンを通じて到達可能性を確認します。これにより、ネットワークがアイドル状態のときに意味のない ARP トラフィックが大量に発生するのを防ぎます。 ### /proc によるチューニング ```bash cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/gc_stale_time # STALE entry の生存時間（デフォルト 60秒） cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/base_reachable_time # REACHABLE 状態のタイムアウト（デフォルト 30秒） cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/delay_first_probe_time # DELAY 状態の持続時間（デフォルト 5秒） cat /proc/sys/net/ipv4/neigh/default/mcast_solicit # マルチキャストプロブ回数（デフォルト 3） ``` ### Gratuitous ARP 送信元 IP = 宛先 IP かつ送信元 MAC != 0 の ARP Request のことです。イーサネットブロードキャスト + 宛先 IP が自身の IP という、「自問自答」の特殊な形式です。用途は以下の通りです: 1. IP の切り替え（VRRP/HSRP/CARP）: 仮想 IP が1つの物理ホストから別のホストに移行 → Gratuitous ARP を送信 → スイッチと近接ノードの ARP キャッシュを更新 → 新所有者が即座にトラフィックを受信 2. 重複 IP の検出: IP を設定直後 → Gratuitous ARP を送信 → 応答があれば → IP 衝突 3. ARP キャッシュの更新: 「私の MAC は変わっていないが、キャッシュを更新してほしい」と能動的に通知（あまり使われない） ### Proxy ARP ルーターが、同じ物理セグメントにいない宛先の ARP Request に代わって応答します: ``` Host A: (10.0.1.100 に ping を送信、ただしこれは自分のサブネット外) → ARP 「10.0.1.100 は誰？」 Router: (Host A の ARP を確認し、10.0.1.0/24 へのルートを持っている) → ARP Reply（自身の MAC で）: 「10.0.1.100 は です」 Host A: → IP パケットをルーターの MAC 宛てに送信 Router: → ルーティングテーブルに従って転送 ``` 非推奨——設定ミス（Host A は 10.0.1.100 がローカル到達可能と考えるのではなく、ルーターへのルートを持つべき）を隠蔽してしまいます。Linux のデフォルトは `proxy_arp=0` です。 --- ## NDP (IPv6 近接ノード発見, RFC 4861) NDP は ICMPv6 を介して 5 種類のメッセージを伝達し、ARP の全機能を置き換えるとともに、アドレス自動設定を追加しました: ### ICMPv6 メッセージ形式 すべての NDP メッセージは、IPv6 Next Header=58 の後に共通の ICMPv6 ヘッダー形式を共有します: ``` Type (1 byte): 133=RS, 134=RA, 135=NS, 136=NA, 137=Redirect Code (1 byte): 0 (Redirect を除く) Checksum: ICMPv6擬似ヘッダーチェックサム（IPv6 src/dst を含む） Reserved: (4 bytes、ゼロ) Message Body: タイプ固有のオプション ``` オプション（TLV 形式）: ``` [Type 1] [Length 1] [Value...] Length = 8バイト単位（Type+Length 自体を含む） → Type=1 Len=1 → 合計 8バイト、Value=6バイト 主要オプション: Type 1: ソース/ターゲットリンク層アドレス（MAC） Type 2: プレフィックス情報（RA に含まれる: プレフィックス + プレフィックス長 + フラグ） Type 3: リダイレクトヘッダー Type 5: MTU（RA） ``` ### Neighbor Solicitation (NS, type 135) ``` 宛先: 「この IPv6 は誰？MAC を教えて」 宛先 IPv6 の solicited-node マルチキャストアドレス宛てに送信: ff02::1:ff<宛先 IPv6 アドレスの下位24ビット> 送信元アドレス: 送信インターフェースの link-local（または、すでに持っている場合はユニキャスト） オプション: Source Link-Layer Address（自身の MAC） ``` ### Neighbor Advertisement (NA, type 136) ``` 宛先: 「この IPv6 私です、私の MAC は X です」 NS の送信元アドレス（ユニキャスト）または全ノード（マルチキャスト、DAD 衝突の場合）宛てに送信 フラグ: R (Router): 送信者がルーター（RA の Router Lifetime に基づく） S (Solicited): NS への応答である（1 に設定） O (Override): 既存の NCE を上書き（0 の場合、受信者は古いエントリを保持可能） オプション: Target Link-Layer Address ``` ### SLAAC (ステートレスアドレス自動設定, RFC 4862) ``` ホスト: 1. link-local アドレスを生成: fe80::/64 プレフィックス + IID 2. RS (Router Solicitation, type 133) を送信 送信元: ::（未指定アドレス）または link-local 宛先: ff02::2（all-routers マルチキャスト） ルーター: 3. RA (Router Advertisement, type 134) で応答 送信元: ルーターの link-local 宛先: RS への応答の場合 → RS の送信元アドレス宛て（ユニキャスト） 定期的な場合 → ff02::1（all-nodes マルチキャスト） RA には Prefix Information (Option 2) が含まれる: プレフィックス: （例: 2001:db8:abcd::） プレフィックス長: （例: 64） L (on-link): このプレフィックスは同じリンク上にある → 直接通信可能 A (autonomous): このプレフィックスを使用して SLAAC → グローバルアドレスを生成 Valid Lifetime: アドレスの有効期間（通常 2592000秒 = 30日） Preferred Lifetime: アドレスの「優先」期間（到達後、deprecated だが削除はされない） RA には Router Lifetime が含まれる: 0: このルーターはデフォルトゲートウェイとして使用不可 >0: デフォルトルートの有効秒数（最大 65535 ≈ 18時間） ``` ### SLAAC アドレス生成 ``` EUI-64（非推奨、MAC が露出する）: MAC: aa:bb:cc:dd:ee:ff → IID: aa:bb:cc:ff:fe:dd:ee:ff (fffe を挿入、U/L ビットを反転) → 完全なアドレス: 2001:db8:abcd:0:a8bb:ccff:fedd:eeff/64 プライバシー拡張 (RFC 8981、Linux デフォルト): ランダム IID + 短い有効期間 → 定期的に新しいアドレスを生成 → 古いアドレスは deprecated だが保持（既存接続は切断されない） → 新しいアドレスは preferred → 新しい接続では新しいアドレスを使用 → ネットワーク間での追跡を防止 ``` ### DAD (重複アドレス検出) ``` 生成されたすべての IPv6 アドレス（link-local または global）は、使用可能になる前に DAD を実行する必要があります: 1. NS を送信: target = 検証するアドレス, 送信元 = ::（未指定アドレス） 2. NA が返信された場合（DAD 衝突）→ そのアドレスは使用不可 3. DupAddrDetectTransmits 回まで送信（デフォルト 1回） 4. NA が 0 個受信 → アドレス使用可能 → tentative から preferred へ移行 注意: DAD はアドレス設定時、ネットワーク接続直後に実行する必要があります → 2台のデバイスが同時に同じアドレスを生成した場合（衝突確率は極めて低い）→ 2台目が検出 → 無効化 ``` ## ARP の攻撃面と防御 ``` ARP スプーフィング（Man-in-the-Middle）: 攻撃者: 偽造された ARP Reply を送信 → 宛先の IP を攻撃者の MAC にマッピング → トラフィックが攻撃者にリダイレクト 防御: 1. DAI (Dynamic ARP Inspection): スイッチが ARP の正当性をチェック （DHCP snooping DB + 静的バインディング）— 企業ネットワーク向け 2. 暗号化トンネル: ARP がポイズニングされても → トラフィックは暗号化 → 中間者は閲覧不可 これが唯一の完全な解決策である——トラフィックが WireGuard/Tailscale で暗号化されていれば、ARP スプーフィングは無効 3. 静的 ARP: `ip neigh add 192.168.1.1 lladdr xx:xx:xx dev eth0 nud permanent` 最も安全だが、大規模な管理は不可能 ``` ## 参考 - **RFC**: 826 (ARP), 4861 (NDP), 4862 (SLAAC), 8981 (Privacy Extensions) - **ソースコード**: `net/ipv4/arp.c`, `net/core/neighbour.c` (ARP 状態機械), `net/ipv6/ndp.c` - **ツール**: `ip neigh`, `arp -a`, `arping -I eth0 192.168.1.1`, `tcpdump arp` / `tcpdump icmp6` *キーワード: ARP, NUD 状態機械, gratuitous ARP, proxy ARP, NDP, NS/NA, RS/RA, SLAAC, EUI-64, DAD, solicited-node multicast*