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ARP (Address Resolution Protocol)

Reference: [책] IT 엔지니어를 위한 네트워크 입문



  • OSI 7 Layers 중 2, 3계층이 주소를 가지고 있고 통신할 때 목적지를 찾아갈 수 있도록 하지만 2게층 MAX 주소와 3계층 IP 주소간에는 아무 관계도 없다
    • 2계층 MAC 주소는 hardware 생산업체가 임의적으로 할당한 주소이고,
    • 3계층 IP 주소는 직접 할당하거나 DHCP를 이용해 자동으로 할당받는다
  • 실제 통신은 IP 주소 기반으로 일어나고 MAC 주소는 상대방의 주소를 자동으로 알아내서 통신하게 된다
    • 이때 상대방의 MAC 주소를 알아내기 위해 사용되는 protocol이 **ARP (Address Resolution Protocol)**이다

1. ARP란?

  • Data 통신을 위해 2계층 물리적 주소인 MAC 주소와 3계층 논리적 주소인 IP 주소 두 개가 사용된다
    • IP 주소 체계는 물리적 MAC 주소와 전혀 연관성이 없으므로 두 개의 주소를 연개시켜 주기 위한 mechanism 이 필요하다
      • 이때 사용되는 protocol이 ARP 이다
  • ARP protocol은 TCP/IP protocol을 위해서만 동작하는 것은 아니다
    • TCP-Ethernet protocol과 같이 3계층의 논리적 주소와 2층 물리적 주소 사이에 관계가 없는 protocol에서 ARP protocol과 같은 mechanism을 사용해 물리적 주소와 논리적 주소를 연결한다
  • Host에서 아무 통신이 없다가 처음 통신을 시도하면 packet을 바로 캡슐화 (Encapsulation) 할 수 없다
    • 통신을 시도할 때 출발지와 목적지의 IP주소는 알고 있어 캡슐화하는데 문제는 없지만, 상대방의 MAC 주소를 알 수 없어 2계층 캡슐화를 수행할 수 없다
      • 상대방의 주소를 알아내려면 ARP Broadcast를 이용해 network 전체에 상대방의 MAC주소를 질의해야한다
  • ARP Broadcast를 받은 목적지는 ARP protocol을 이용해 자신의 MAC주소를 응답한다
    • 이 작업이 완료되면 출발지, 목적지 모두 상대방에 대한 MAC주소를 학습 하고,
    • 이후 packet이 정상적으로 encapsulation되어 상대방에게 전달될 수 있다
  • Packet Network에서는 큰 데이터를 잘라 전송하므로 여러 개의 packet을 전송해야 한다
    • Packet을 보낼 때마다 ARP Broadcast를 수행하면 network 통신의 효율성이 크게 저하되므로 memory에 정보를 저장해두고 재사용한다
      • 성능 유지를 위해서는 ARP Table을 오래 유지하는 것이 좋지만, 논리 주소(IP)는 언제든 바뀔 수 있으므로 일정 시간 동안 통신이 없으면 이 table은 삭제된다


2. ARP 동작

  • ARP Packet은 여러 가지 field 중 ARP data에 사용되는 아래의 4개 field가 중요하게 사용된다
    1. 송신자 hardware MAC 주소
    2. 송신자 IP Protocol 주소
    3. 대상자 MAC 주소
    4. 대상자 IP Protocol 주소
  • ARP는 위의 4개의 field를 이용해 아래와 같이 동작한다
    • ex) Server A (1.1.1.1) -------- Server B (1.1.1.2)
      • Server A에서 server B로 ping을 보내려고 할 때, server A에서는 3계층의 IP주소까지 캡슐화 할 수 있지만, 목적지 MAC 주소를 모르기 때문에 정상적으로 packet을 만들 수 없다
      • Server A는 목적지 server B의 MAC 주소를 알아내기 위해 ARP 요청을 network에 broadcast한다
        • ARP packet을 network에 broadcast할 때 2계층 MAC 주소는 출발지를 자신의 MAC 주소로, 도착지는 broadcast (FF-FF-FF-FF-FF-FF)로 채우고,
        • ARP protocol field의 전송자 MAC과 IP에는 자신의 주소로, 대상자 IP 주소는 10.1.1.2, 대상자 MAC 주소는 00-00-00-00-00-00으로 채워 network에 뿌린다
      • 2계층 목적지 주소가 broadcast 주소이므로 이 ARP packet은 같은 network 안에 있는 모든 단말에 보내지고 모든 단말은 ARP protocol 내용을 확인한다
        • 확인해서 ARP protocol의 대상자 IP가 자신이 맞는지 확인해 자신이 아니면 ARP packet을 버린다
      • Server B에서는 ARP 요청의 대상자 IP 주소가 자신의 IP이므로 ARP 요청을 처리하고 그에 대한 응답을 보낸다
        • 이때는 송신자와 대상자의 위치가 바뀐다
      • ARP 요청을 처음 보냈던 server A와 달리 server B에서는 ARP 요청을 수신하면서 이미 ARP 요청을 보낸 sever A의 IP 주소와 MAC 주소를 알고 있어 모든 ARP field를 채워 응답 할 수 있다
        • ARP 요청에서 받은 server A의 정보를 이용해 대상자 MAC, IP 주소를 채우고 자신의 MAC, IP 주소를 송신자 MAC, IP 주소로 채워 응답한다
          • ARP 요청을 처음 보낼 때는 broadcast인 반면, (2계층 목적지 MAC 주소가 broadcast이므로)
          • ARP 응답을 보낼 때는 출발지와 도착지 MAC 주소가 명시되어 있는 unicast이다
      • Server A는 server B부터 ARP 응답을 받아 자신의 ARP cache table을 갱신한다
        • 이 ARP cache table은 정해진 시간동안 server B와의 통신이 없을 때까지 유지된다
          • 해당 시간 안에 통신이 다시 이루어지면 그 시간은 다시 초기화된다
      • ARP cache table이 갱신된 후에는 상대방의 MAC 주소를 알고 있으므로 도착지 MAC 주소 field를 완성해 ping packet을 보낼 수 있다


3. GARP

  • 일반적인 ARP 외에도 ARP protocol field를 그대로 사용하지만 내용을 변경해 원래 ARP protocol의 목적과 다른 용도로 사용하는 GARP. RARP와 같은 protocol 이 있다
  • GARP는 Gratuitous ARP의 약자로, 대상자 IP field에 자신의 IP 주소를 채워 ARP 요청을 보낸다
    • ARP가 상대방의 MAC 주소를 알아내기 위해 사용되는 반면, GARP는 자신의 IP와 MAC 주소를 알릴 목적으로 사용된다
      • 그렇기 때문에 GARP의 목적지 MAC 주소 (2계층 destination MAC)는 broadcast MAC 주소를 사용한다
  • GARP의 packet을 살펴보면
    • 송신자 MAC (Sender MAC)은 자신의 MAC 주소,
    • 송신자 IP (Sender IP) 주소는 자신의 IP주소,
    • 대상자 MAC (Target MAC) 주소는 모두 0으로 표기해 00:00:00:00:00:00,
    • 대상자 IP (Target IP) 주소도 자신의 IP 주소로 넣어 network에 broadcast 한다

3-1. 다른 ARP 요청 vs GARP

  • 같은점
    • 대상자 MAC 주소가 00:00:00:00:00:00 으로 채워진 것이고
  • 다른점
    • 송신자와 대상자 IP 주소가 자신으로 동일하다

3-2. GARP를 사용해 동일 Network에 자신의 IP 주소와 MAC 주소를 알려주는 이유

1. IP 주소 충돌 감지

  • IP 주소는 유일하게 할당되어야 하는 값이지만 여러가지 이유로 내가 할당받은 IP를 다른 사람이 쓰고있을 수 있다
    • IP 충돌 때문에 통신이 안 되는 것을 예방하기 위해 자신에게 할당된 IP가 network에서 이미 사용되고 있는지 GARP를 통해 확인한다
  • 단말이 network에 연결되면 GARP를 통해 현재 설정된 IP 주소를 network에서 사용되고 있는지 확인할 수 있다
    • 만약 GARP에 대한 응답이 오면 network 상에서 해당 IP를 이미 사용 중인 단말이 있다는 것을 알 수 있다

2. 상대방 (동일 subnet 상의 다른 상대방)의 ARP Table 갱신

  • 가상 MAC 주소를 사용하지 않는 database HA (High Availability) solution에서 주로 사용한다
    • Database HA는 주로 두 database server가 하나의 가상 IP 주소로 서비스한다
      • 두 대의 database중 하나만 동작하고, 나머지 한 대는 대기하는 Active-Standby로 동작한다
      • Active 상태인 server가 가상 IP 주소 요청에 응답해 서비스하지만 MAC 주소는 가상 주소가 아닌 실제 MAC 주소를 사용한다
    • 만약 요청에 응답하던 master 장비 A가 동작하지 않을 경우, 대기하던 장비 B가 active로 동작해 가상 IP 주소에 대한 ARP 요청에 응답한다
      • Active로 새로 변경된 장비 B와 처음 통신하는 단말은 변경된 active의 MAC 주소를 학습해 통신이 가능하지만,
      • 기존 master 장비 A를 active 로 인식하고 통신하던 단말은 A의 MAC 주소가 ARP Cache Table에 남아 있어 단말이 계속 A로 packet을 보낸다
      • 이렇게 기존 정보가 남아 있는 단말이 보낸 packet은 정상적으로 동작하지 않아 network에서 응답이 불가능하거나, Standby 상태인 A쪽으로 packet이 보내지므로 정상적인 service를 받을 수 없게 된다
        • 이런 형상을 예방하기 위해 Standby 장비가 Active 상태가 되면 GARP Packet을 network에 보내 active 장비가 변경 되었음을 알려준다
          • 이후 local network 단말들의 ARP table에는 해당 가상 IP 주소가 MAC주소로 갱신되어 통신된다
  • 최근 network 장비에서는 위와같은 형태의 HA는 잘 쓰이지 않는다
    • GARP를 이용해 packet을 가로채는 기법이 많이 사용되어 보안상의 이유로 GARP를 받더라도 ARP table을 갱신하지 않는 단말들이 존재할 가능성이 있어 이런 문제가 발생하지 않는 가상 MAC을 사용하는 HA solution이 사용된다

3. HA (High Availability) 용도의 Clustering, VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol), HSRP (Hot Standby Router Protocol)

  • 앞에 2번의 HA solution의 경우 장비 이중화를 위해 사용되지만, 실제 MAC 주소를 사용하지 않고 가상 MAC을 사용하는 Clustering, VRRP, HSRP와 같은 **FHRP (First Hop Redundancy Protocol)**에서도 GARP가 사용된다
    • Database HA solution에서 GARP 사용 목적이 ARP Table 갱신이었던 반면,
    • Clustering 이나 FHRP의 사용은 Network에 있는 switch 장비의 MAC Table 갱신이 목적이다
      • Clustering에서 가상 MAC 주소를 사용하는 경우, 단말은 ARP 정보를 가상 MAC 주소로 학습하므로 단말의 ARP Table을 갱신할 필요가 없다
      • but, Clustering 중간에 있는 switch의 MAC Table은 master가 변경되었을 때 가상 MAC 주소의 위치를 적절히 찾아가도록 update해야 하므로 master가 변경되는 시점에 MAC Table의 갱신이 필요하다
    • 따라서 Slave가 master로 역할이 변경되면 GARP를 전송하고 switch에서는 이 GARP를 통해 MAC 주소에 대한 port 정보를 새로 변경해 MAC table을 갱신한다


4. RARP

  • Reverse ARP의 줄임말로 말그대로 반대로 동작하는 ARP이다
    • GARP처럼 ARP Protocol 구조는 같지만,
      • filed에 들어가는 내용이 다르고
      • 원래 목적과 반대로 사용된다
    • ARP vs RARP
      • ARP
        • IP 주소 -> ARP -> MAC 주소
      • RARP
        • MAC 주소 -> RARP -> IP 주소
  • RARP는 IP 주소가 정해져 있지 않은 단말이 IP 할당을 요청할 때 사용한다
    • ARP 는 내가 통신해야 할 상대방의 MAC 주소를 모를 때 상대방의 IP 주소로 MAC 주소를 물어볼 목적으로 만들어진 protocol 이다
    • 반대로 RARP는 나 자신의 MAC 주소는 알지만 IP가 아직 할당되지 않아 IP를 할당해주는 server에 어떤 IP 주소를 써야 하는지 물어볼 때 사용된다
  • RARP는 과거에 network host 주소 할당에 사용되었지만 제한된 기능으로 인해 BOOTP와 DHCP로 대체되어 사용되지 않는다