MACアドレスのすべて：ARP、ICMP、ping、IPv6(NDP)までネットワークの基礎を体系的に学ぶ

ネットワークの世界を旅するデータにとって、「住所」にあたるIPアドレスは不可欠です。しかし、データが最終的な目的地、つまりあなたのパソコンやスマートフォンにたどり着くには、もう一つの重要なアドレスが必要になります。それが、機器一台一台に割り当てられた固有の識別番号、「MACアドレス」です。

「IPアドレスがあれば通信できるんじゃないの？なぜMACアドレスまで必要なの？」
「ARP（アープ）ってよく聞くけど、何のためにあるの？」
「pingコマンドで疎通確認はするけど、その裏側で何が起きているんだろう？」

基本情報技術者試験や応用情報技術者試験の学習を進める中で、こうした疑問に突き当たった方も多いのではないでしょうか。これらの技術は、私たちが普段何気なく使っているインターネット通信の根幹を支える、非常に重要な仕組みです。

この記事では、ネットワークの根幹をなすMACアドレスの役割から、IPアドレスとMACアドレスを結びつける「ARP」の詳しい仕組み、そしてネットワークの疎通確認に欠かせない「ICMP」とpingコマンドの関係まで、専門用語を一つひとつ丁寧に解説します。身近な例えや図解を豊富に使い、「なぜその技術が必要なのか」という論理的なつながりを重視して説明を進めるので、これまでネットワークに苦手意識があった方でも、きっと理解が深まるはずです。

この記事を読み終える頃には、点と点だった知識が線でつながり、ネットワークの通信がより明確にイメージできるようになるでしょう。

MACアドレスとは？│IPアドレスとの違いとベンダーIDの仕組み

私たちがインターネットを使うとき、通信相手を特定するために「IPアドレス」が使われます。これはネットワーク上の「住所」に例えられ、世界中のどこにデータ届けるかを示します。しかし、データが目的のネットワーク（例えば、あなたの家のWi-Fiルーターの範囲内）に到着しただけでは、最終的な宛先であるあなたのパソコンやスマートフォンには届きません。

ここで登場するのがMACアドレス（Media Access Control address）です。

MACアドレスは、ネットワークに接続するすべての機器（パソコン、スマートフォン、ゲーム機、ルーターなど）に、製造段階で割り当てられる世界で唯一の識別番号です。IPアドレスが変更可能な「住所」だとすれば、MACアドレスは変更できない「機器固有の背番号」や「マイナンバー」に例えられます。

• IPアドレス（レイヤ3）: ネットワーク全体（インターネット）での住所。可変的。
• MACアドレス（レイヤ2）: 同一ネットワーク内での機器の識別番号。固定的。

例えば、あなたが友人に手紙を送るシーンを考えてみましょう。
IPアドレスは「〇〇県〇〇市〇〇町1-2-3」という住所です。郵便局員はこの住所を頼りに手紙を届けます。
しかし、その住所が大きなマンションだった場合、郵便局員は「101号室の田中さん」という部屋番号と名前まで確認しないと、正確に手紙を渡せません。この「部屋番号と名前」にあたるのがMACアドレスです。同じWi-Fiに接続している複数の機器の中から、特定の1台を正確に識別するために使われるのです。

MACアドレスの構造：ベンダーIDと固有番号

MACアドレスは通常、00-1A-2B-3C-4D-5E のように、2桁ずつハイフンやコロンで区切られた12桁の16進数で表現されます。この48ビットの番号は、実は2つの部分に分かれています。

1. 前半24ビット（OUI: Organizationally Unique Identifier）: IEEEという組織によって管理・割り当てられるベンダーID。どのメーカー（ベンダー）が製造した機器かを示します。
2. 後半24ビット: 各メーカーが製品ごとに割り当てる製品固有のシリアル番号。

つまり、MACアドレスの前半部分を見れば、「この機器はApple製だな」「これはNintendo製だな」ということが判別できるのです。この仕組みのおかげで、世界中のネットワーク機器のMACアドレスが重複することなく、一意に保たれています。

このように、MACアドレスは単なるランダムな番号ではなく、IPアドレスと連携して正確なデータ通信を実現し、その出自情報も含む、ネットワークの根幹を支える重要な識別子なのです。

MACヘッダの構造と役割│イーサネットフレームでデータを運ぶ仕組み

前のセクションで、MACアドレスが「機器固有の背番号」であることを学びました。では、この背番号は実際のデータ通信でどのように使われるのでしょうか。

ネットワークを流れるデータは、「イーサネットフレーム」という小さな荷物のような単位に分割されて運ばれます。そして、この荷物に貼られる「宛名ラベル」の役割を果たすのがMACヘッダです。

送信したいデータ（例えば、上位層であるIP層から渡されたIPパケット）があると、データリンク層でその前後に制御情報が付加されます。このプロセスを「カプセル化」と呼び、MACヘッダを付加されたデータがイーサネットフレームとなります。

【図解：イーサネットフレームの簡易構造】
[ 宛先MACアドレス | 送信元MACアドレス | タイプ ] + [ データ本体（IPパケットなど） ] + [ FCS ]
↑----------------- MACヘッダ -----------------↑

このMACヘッダに含まれる主要な情報は次の3つです。

なぜMACヘッダは不可欠なのか？

この「宛名ラベル」がなければ、データは目的地にたどり着けません。

• 宛先MACアドレスがなければ：同じネットワークに接続された多数の機器の中から、どれにデータを届けるべきか判断できません。
• 送信元MACアドレスがなければ：データを受け取った側が、誰に返信すればよいか分かりません。また、ネットワーク機器（スイッチングハブ）が「どのポートにどの機器が接続されているか」を学習するためにも不可欠です。
• タイプがなければ：フレームを受け取った機器が、その中身をどう処理すればよいか判断できません。「これはWebサイトのデータ（IP）だからブラウザに渡そう」「これはアドレス解決の問い合わせ（ARP）だからOSで処理しよう」といった判断は、このタイプ情報に基づいて行われます。

このように、MACヘッダは同一ネットワーク内での確実な通信を実現するための、非常に重要な制御情報なのです。

ARPの仕組みとは？IPアドレスからMACアドレスを調べる謎解き通信

さて、これまでの解説で「IPアドレス（住所）」と「MACアドレス（機器の背番号）」、そしてそれらを記載する「MACヘッダ（宛名ラベル）」が登場しました。しかし、ここで大きな疑問が生まれます。

「通信したい相手のIPアドレスは分かっているけど、そのIPアドレスを持つ機器のMACアドレスが分からない…」

まさに、住所は分かっているけれど、その家に住んでいる人の名前が分からない状態です。この問題を解決しなければ、MACヘッダに宛先MACアドレスを書き込めず、データを送ることができません。

この「IPアドレスを手がかりに、MACアドレスを問い合わせる」ためのプロトコルこそが、ARP (Address Resolution Protocol) です。ARPは、まるでネットワーク内で「192.168.1.10さん、あなたのMACアドレスを教えてくださーい！」とアナウンスしてくれるような役割を担います。

ARPの具体的な動作フロー

ARPがどのようにMACアドレスを解決するのか、具体的なPC間の通信を例に見ていきましょう。

【登場人物】

• PC-A: IPアドレス 192.168.1.10 / MACアドレス AA-AA-AA-AA-AA-AA
• PC-B: IPアドレス 192.168.1.20 / MACアドレス BB-BB-BB-BB-BB-BB
• 舞台: 同じ社内ネットワーク（同一セグメント）

【シナリオ】 PC-Aが、初めてPC-Bにデータを送ろうとしています。

1. [PC-A] 目的地の確認: PC-Aは「192.168.1.20 (PC-B) にデータを送りたい」と考えます。しかし、宛名ラベル（MACヘッダ）に書くべきPC-BのMACアドレスを知りません。
2. [PC-A] ARPリクエストをブロードキャスト: そこでPC-Aは、ネットワーク内のすべての機器に向かって、「ARPリクエスト」というパケットを一斉送信（ブロードキャスト）します。
   • パケットの中身: 「IPアドレスが 192.168.1.20 の方、あなたのMACアドレスを教えてください。ちなみに私は 192.168.1.10 の AA-AA-.... です」
   • ブロードキャスト: この時、宛先MACアドレスには特殊な「FF-FF-FF-FF-FF-FF」が設定されます。これは「全員宛」を意味し、同じネットワークにいる全員がこのパケットを受け取ります。
3. [ネットワーク内の全機器] リクエストの受信: PC-Bを含む、ネットワーク内のすべての機器がARPリクエストを受け取ります。
4. [PC-B] ARPリプライをユニキャスト:
   • 関係ない機器は「自分宛の問い合わせではない」と判断し、このパケットを無視（破棄）します。
   • 一方、名指しされたPC-Bは「それは私のことだ！」と応答します。PC-Bは「ARPリプライ」というパケットを、問い合わせ元であるPC-Aにだけ返信（ユニキャスト）します。
   • パケットの中身: 「はい、192.168.1.20 は私です。私のMACアドレスは BB-BB-BB-BB-BB-BB です」
5. [PC-A] 謎解き完了！: ARPリプライを受け取ったPC-Aは、ついにPC-BのMACアドレスを知ることができました。これで晴れて宛先MACアドレスを書き込むことができ、本来送りたかったデータをPC-Bに送信開始できます。

この一連の流れが、ARPによるアドレス解決です。

ARPパケットの仕様

この「教えてください（リクエスト）」と「私です（リプライ）」のやり取りを制御しているのが、ARPパケットの中身です。特に重要なのが「オペレーションコード」です。

ARPは、このようにIPアドレスという論理的なアドレスと、MACアドレスという物理的なアドレスを動的に結びつける、TCP/IP通信に不可欠な「縁の下の力持ち」なのです。

ARPキャッシュとバースト特性｜無駄な通信を減らすネットワークの知恵

ARPの仕組みによって、IPアドレスからMACアドレスを特定できるようになりました。しかし、ここで一つ考えてみてください。もし、データを送るたびに、毎回ネットワーク全体へ「〇〇さん、いますかー？」と大声で尋ねていたらどうなるでしょうか？

通信のたびにARPリクエストというブロードキャストが発生すると、ネットワークは常に問い合わせのパケットで溢れかえり、非常に非効率です。この問題を解決するのが「ARPキャッシュ」という賢い仕組みです。

ARPキャッシュとは？「一度調べた名前は覚えておく」

ARPキャッシュとは、一度ARPによって解決した「IPアドレスとMACアドレスの対応表」を、各コンピュータが自身のメモリ上に一時的に保存しておく機能のことです。

これは、よく電話をかける相手の電話番号を、スマートフォンの連絡先に登録しておくのと同じです。一度登録しておけば、次からは電話帳を探すだけで済み、わざわざ誰かに番号を問い合わせる必要はありませんよね。

ARPキャッシュのメリット

1. 通信の高速化: 2回目以降の通信では、ARPリクエストを送信する手間が省けます。自身のARPキャッシュを参照するだけですぐにMACアドレスがわかるため、素早くデータ送信を開始できます。
2. ネットワーク負荷の軽減: 何よりも、不要なARPリクエスト（ブロードキャスト）を劇的に減らすことができます。これにより、ネットワーク全体の無駄なトラフィックが削減され、パフォーマンスが向上します。

ARPキャッシュの中身と有効期限

このARPキャッシュは、コマンドプロンプトやターミナルで arp -a と入力することで、実際に確認することができます。

> arp -a

インターフェイス: 192.168.1.10 --- 0x10
  インターネット アドレス   物理アドレス           種類
  192.168.1.1           d8-5d-ef-1a-2b-3c     動的
  192.168.1.20          bb-bb-bb-bb-bb-bb     動的
  224.0.0.22            01-00-5e-00-00-16     静的

このように、「どのIPアドレス」が「どのMACアドレス」に対応しているかが一覧で表示されます。

ただし、このキャッシュ情報はずっと保存されるわけではありません。通常は数分から数十分程度の有効期限（エージングタイム）が設定されており、期限が切れると自動的に削除されます。なぜなら、PCの移動や機器の故障などで、IPアドレスとMACアドレスの組み合わせは変更される可能性があるため、常に最新の情報を保つ必要があるからです。

バースト特性とARPキャッシュの重要性

ネットワーク上の通信は、常に一定量ではありません。動画の読み込み開始時や、大容量ファイルのダウンロード時など、特定の瞬間にデータ転送が集中する「バースト通信」という特性があります。

もし、このバースト通信の際にARPキャッシュがなければ、どうなるでしょうか。
送られてくる大量のデータパケット一つひとつのために、ARPリクエストのブロードキャストが何度も発生し、ネットワークがパンクしてしまいます。

ARPキャッシュがあるおかげで、最初の1回だけアドレスを解決すれば、あとはキャッシュを使って高速に連続でデータを処理できます。つまり、ARPキャッシュは、こうしたバースト的な通信を円滑に処理し、ネットワーク全体の安定性を保つ上で、極めて重要な役割を担っているのです。

プロキシARPとは？ルーターが代理で応答する便利な仕組み

ARPの基本原則は「ARPリクエスト（ブロードキャスト）は、ルーターを越えられない」というものです。つまり、ARPはあくまで同じネットワーク内でMACアドレスを解決するための仕組みです。

では、もし間違って別のネットワークにいる機器に対してARPリクエストを送ってしまったら、どうなるのでしょうか？通常なら、リクエストはルーターに遮られ、誰からも応答がなく通信は失敗します。

しかし、この状況を救うために、ルーターが「代理（Proxy）」で応答してくれる特殊な機能があります。それがプロキシARP（Proxy ARP）です。

プロキシARPの役割：「私が代わりに答えておきます」

プロキシARPとは、ルーターが管理する別のネットワーク宛てのARPリクエストを受け取った際に、本来の宛先機器の代わりに、ルーター自身のMACアドレスを応答する機能です。

これは、大規模なマンションのコンシェルジュのようなものです。
配達員が、自分が担当ではない別の棟に住む「田中さん」の部屋を探して「田中さーん！」と叫んだとします。通常は応答がありませんが、事情をよく知るコンシェルジュが「田中さんならあちらの棟ですよ。荷物は私が預かって、責任を持ってお届けします」と代理で応答してくれるイメージです。配達員は、コンシェルジュに荷物を渡せば、無事に田中さんの元へ届けてもらえます。

プロキシARPの動作フロー

【登場人物】

• PC-A: IPアドレス 192.168.1.10
• PC-C: IPアドレス 192.168.2.10 （PC-Aとは別のネットワークにいる）
• ルーター: 2つのネットワークを繋いでおり、プロキシARPが有効。MACアドレスは RR-RR-RR-RR-RR-RR。

【シナリオ】PC-Aが、別ネットワークにいるPC-Cに通信しようとします。

1. [PC-A] ARPリクエスト: PC-Aは、通信相手のPC-C(192.168.2.10)が同じネットワークにいると勘違いし、ARPリクエストをブロードキャストします。
2. [ルーター] 代理応答: このリクエストはPC-Cには届きません。しかし、プロキシARPが有効なルーターは、このリクエストを見て「192.168.2.10 は私の管轄だ」と判断します。そして、あたかも自分がPC-Cであるかのように、PC-AへARPリプライを返します。
   • 応答の中身: 「192.168.2.10 のMACアドレスは、私（ルーター）の RR-RR-RR-RR-RR-RR です」
3. [PC-A] ARPキャッシュ登録: PC-Aは、その応答を信じ込み、「192.168.2.10 のMACアドレスは RR-RR-.. である」とARPキャッシュに登録します。
4. [PC-A] データ送信: PC-AはPC-C宛のデータを、宛先MACアドレスをルーターのものにして送信します。
5. [ルーター] データ転送: データを受け取ったルーターは、IPヘッダを見て本来の宛先がPC-Cであることを確認し、責任をもってPC-Cのいるネットワークへデータを転送（ルーティング）します。

これにより、PC-Aは相手が別ネットワークにいることを意識することなく、透過的に通信を確立できるのです。

メリットとデメリット

プロキシARPは便利な反面、注意点も多い技術です。

プロキシARPは、緊急避難的な利用や特定の古いシステムを接続する際には役立ちますが、ネットワークの挙動が複雑になるため、現代のネットワーク設計では積極的な利用は避けられる傾向にあります。

ICMPとpingコマンドの役割｜ネットワークの疎通確認とエラー通知

これまでの章では、IPアドレスやMACアドレスを使い、ARPの助けを借りて「いかにしてデータを正しく相手に届けるか」を見てきました。しかし、もしデータが途中で無くなったり、宛先が見つからなかったりした場合、送信元はどうやってその事実を知ればよいのでしょうか？

実は、データを運ぶ主役であるIPプロトコルには、エラーを通知したり、通信が成功したかを確認したりする機能が備わっていません。IPはただひたすら、ベストエフォート（最大限の努力）でデータを送り届けることだけに専念します。

このIPの弱点を補うために存在する、重要な相棒がICMP（Internet Control Message Protocol）です。

ICMPとは？IP通信の「お助け役」

ICMPは、IP通信におけるエラー通知や、ネットワークの状態を診断するための制御メッセージをやり取りするためのプロトコルです。

例えば、あなたが送った荷物（IPパケット）が、宛先不明で配達できなかったとします。その際、配送業者（ルーター）が「宛先不明でした」という付箋（ICMPメッセージ）を荷物に貼って、あなたの元へ送り返してくれる。このような「お知らせ機能」を提供するのがICMPの役割です。

主なICMPメッセージには、以下のようなものがあります。

• 宛先到達不能（Destination Unreachable）: 宛先のホストやネットワークが見つからない場合に通知されます。
• 時間超過（Time Exceeded）: パケットがネットワーク内をさまよい続けないようにするためのTTL（生存時間）がゼロになった場合に通知されます。
• エコー要求／応答（Echo Request/Reply）: ネットワークの疎通確認に使われます。

pingコマンド：ICMPの最も身近な利用例

このICMPの仕組みを利用した最も有名で、かつ最もよく使われるコマンドが`ping`です。
pingは、指定したIPアドレスやホスト名を持つ相手と、ネットワーク的に繋がっているか（疎通性があるか）を確認するための、最も基本的なトラブルシューティングツールです。

「インターネットに繋がらないな」と思った時、まずping 8.8.8.8（GoogleのDNSサーバー）を試した経験がある方も多いでしょう。

pingの裏側の仕組み：「元気ですか？」の呼びかけ

pingコマンドを実行すると、内部ではICMPを使ったシンプルなやり取りが行われています。

1. [送信元PC] ICMPエコー要求（Echo Request）:
   ping 8.8.8.8 を実行すると、送信元PCは「ICMP エコー要求（タイプ8）」というメッセージを作成します。これは、相手に対して「元気ですか？そこにいますか？」と呼びかけているようなものです。このICMPメッセージをIPパケットに格納し、8.8.8.8宛に送信します。
2. [宛先サーバー] ICMPエコー応答（Echo Reply）:
   エコー要求を受け取ったサーバー（8.8.8.8）は、その返事として「ICMP エコー応答（タイプ0）」というメッセージを作成します。「はい、元気ですよ。ここにいます」と返事をしているイメージです。このパケットを、送信元PCに返信します。
3. [送信元PC] 疎通確認の完了:
   送信元PCがエコー応答を無事に受信できれば、「相手との間で正常に通信ができる」と判断できます。

このキャッチボールが成功するかどうかで、ネットワークの基本的な接続性を確認しているのです。

pingの実行結果に表示されるtime=...msは、この往復にかかった時間（RTT）を、TTLはパケットが破棄されるまでの残り時間（経由できるルーターの数）を示しており、ネットワークの状態を診断する上で重要な情報となります。

ICMPv6と近隣探索(NDP)｜IPv6で進化したアドレス解決と通知機能

これまで解説してきた内容は、主に現在主流であるIPv4ネットワークの世界の話でした。しかし、インターネットの世界は、IPアドレス枯渇の問題に対応するため、次世代の規格であるIPv6への移行が進んでいます。

そして、IPv6の世界では、これまで学んできたルールが大きく変わります。特に大きな変更点は「ARPの廃止」です。では、IPv6ではどのようにしてIPアドレスからMACアドレスを調べているのでしょうか？

その答えは、IPv4のICMPを大幅に機能拡張した「ICMPv6」にあります。

ARPはなぜ廃止？ ICMPv6への機能統合

IPv6では、ARPという独立したプロトコルは存在しません。代わりに、ARPが担っていたアドレス解決の機能は、すべてICMPv6の機能の一部として統合されました。

これは、プロトコルの種類を減らしてネットワークの仕組みをよりシンプルにし、IPv6に関連する機能を中心に据えるという設計思想に基づいています。
ICMPv6は、単なるIPの「お助け役」から、IPv6ネットワークの根幹を支える必須のプロトコルへと昇格したのです。

近隣探索プロトコル(NDP) ：ARPの正統後継者

IPv6でアドレス解決を担うのは、ICMPv6のメッセージ機能を利用した近隣探索プロトコル（NDP: Neighbor Discovery Protocol）です。NDPは、IPv4におけるARPの機能のほか、ルーターの発見など複数の役割をこなします。

NDPによるアドレス解決の流れは、ARPと非常によく似ています。

1. 近隣要請（NS: Neighbor Solicitation）メッセージ
   • IPv4の「ARPリクエスト」に相当します。
   • MACアドレスを知りたい機器が、「このIPv6アドレス (例: 2001:db8::1) を持っているノードは、MACアドレスを応答してください」というメッセージを送信します。
2. 近隣通知（NA: Neighbor Advertisement）メッセージ
   • IPv4の「ARPリプライ」に相当します。
   • NSメッセージを受け取った機器が、「はい、そのIPv6アドレスは私です。私のMACアドレスは XX-XX-.. です」と応答します。

このように、やり取りの名前は変わりましたが、「問い合わせ」と「応答」によってアドレスを解決するという基本的な考え方は同じです。

ICMPv6に集約された多彩な機能

NDPが担うのはアドレス解決だけではありません。ICMPv6は、IPv4では複数のプロトコルに分かれていた機能を自身に集約しています。

特筆すべきは、IPv6の大きな特徴である「アドレス自動設定」を支えている点です。PCなどの機器は、ネットワークに接続すると、まずルーターに対して「ルーター広告（RA）」を要求し、ネットワーク情報（プレフィックスなど）を受け取って自身のIPv6アドレスを生成します。

さらに、そのアドレスを使う前に「重複アドレス検出（DAD）」を行い、「このアドレス、誰か使っていませんか？」と近隣要請（NS）を投げて、ユニークであることを確認します。これらの重要なプロセスもすべてICMPv6/NDPが担っているのです。

このようにICMPv6は、IPv4時代のICMPとARPの役割を統合・拡張した、IPv6ネットワークに不可欠な、より中心的で強力なプロトコルへと進化を遂げています。

まとめ：MACアドレスからICMPv6まで、ネットワーク通信の全体像

本記事では、ネットワークの基礎を理解する上で避けては通れない「MACアドレス」と、それを取り巻く重要なプロトコルについて、順を追って解説してきました。

最後に、これまでの内容のキーポイントを振り返りましょう。

• MACアドレスは「機器の背番号」: 世界に一つだけの物理的なアドレスで、同じネットワーク内（データリンク層）で通信相手を正確に特定します。前半はメーカーを示すベンダーIDです。
• ARPは「アドレス解決の探偵」: IPアドレス（住所）はわかるがMACアドレス（名前）がわからない時に、「このIPアドレスの人はいませんか？」とネットワークに問い合わせ、MACアドレスを特定する重要な役割を担います。
• ARPキャッシュは「賢い電話帳」: 一度調べたIPアドレスとMACアドレスの対応を一時的に記憶しておくことで、無駄なARPリクエストを減らし、通信の効率と速度を向上させます。
• ICMPは「通信のドクター」: IP通信を補助し、エラー通知（宛先到達不能など）や疎通確認（ping）を行うプロトコルです。ネットワークトラブルの最初の切り分けに欠かせません。
• ICMPv6は「進化した後継者」: 次世代のIPv6では、ARPの機能がICMPv6に統合されました。アドレス解決から重複アドレスの検出までこなし、IPv6ネットワークの中核を担う、より強力で中心的なプロトコルです。

これらの技術は一つひとつが独立しているのではなく、互いに密接に連携し合って、私たちが普段何気なく行っているデータ通信を支えています。

この記事を通じて、点と点でしかなかった知識が線でつながり、「PCの電源を入れてからWebサイトが表示されるまでの裏側」が、より具体的にイメージできるようになっていれば幸いです。

ここで得た基礎知識は、基本情報・応用情報技術者試験の合格はもちろん、実務でネットワークトラブルに直面した際の、論理的な思考の土台となるはずです。