Das Address Resolution Protocol (ARP)

Um den Zweck des Address Resolution Protocol (ARP) zu verstehen ist es wichtig das Adressierungskonzept von Ihrem Heimnetzwerk zu verstehen. In einem Heimnetzwerk gibt es zwei Adressierungsebenen. Zu einem die Adressierung auf Internet Protokoll (IP) Ebene. Die Adressierung auf IP Ebene ist von den Übertragungsmedien und Netzwerktypen auf der Übertragungsstrecke unabhängig. Zum anderen gibt es die sogenannten MAC (Medium Access Control) Adressen, welche die Adressierung auf der niedrigeren physikalischen Ebene ermöglichen. Die IP Adressierung wird benutzt, um Datenpakete Ende zu Ende über Netzwerke und viele Geräte hinweg zu vermitteln (im Internet weltweit). Die MAC Adressierung ist nur innerhalb eines lokalen Netzwerkes gültig und wird benutzt um genau das nächste Gerät auf einer Ende zu Ende Übertragungsstrecke zu adressieren.

Folgendes Diagramm veranschaulicht diese Zusammenhänge.

Um ein Datenpaket von z.B Gerät A nach Gerät B in Ihrem Heimnetzwerk zu senden, muss Gerät A die MAC Adresse von Gerät B kennen. Die MAC Adresse eines Geräts wird schon bei der Fertigung in der Fabrik fest einprogrammiert. Somit ist letztendlich aus Ihrer Sicht und auch Ihres z.B. PCs die MAC Adresse eines Gerätes zufällig und nicht ableitbar. Wenn Ihr PC ein Datenpaket übertragen möchte, dann kennt dieser erst einmal nur die meist per DNS ermittelte IP Zieladresse. Das Resultat ist das es einen Mechanismus geben muss, welcher in der Lage ist automatisch die MAC Adresse des nächsten Gerätes auf der Ende zu Ende Übertragungsstrecke festzustellen.

Genau das ist mit dem Internet Protokoll Version 4 die Aufgabe des Address Resolution Protocol (ARP). Es sorgt dafür das ein Absender in der Lage ist automatisch die MAC Adresse des nächsten Gerätes auf der Ende zu Ende Übertragungsstrecke anhand einer vorhandenen IPv4 Adresse zu ermitteln.

Wenn die Ende zu Ende Übertragungsstrecke nur Ihr Heimnetzwerk ist, z.B. Ihr PC direkt Daten an Ihr NAS versendet, dann ist es relativ einfach nachzuvollziehen woher die Geräte die IP Adressen Ihrer direkten Kommunikationspartner im Heimnetzwerk kennen. Wenn Sie jedoch im Internet surfen, dann ist die finale IP Zieladresse im Internet bekannt, doch der erste Teilabschnitt der Ende zu Ende Übertragung ist bis zu Ihrem Internet-Router. Somit wird für die Ermittelung der MAC Adresse per ARP erst einmal die IP Adresse Ihres Internet-Routers benötigt. Hier kommt nun die Konfiguration des sogenannten “Gateways” ins Spiel. Das Gateway ist das Gerät zu welchem alle Datenpakte versandt werden, welche nicht direkt in Ihrem Heimnetzwerk zugestellt werden, sprich meistens Ihr Internet-Router. Die Konfiguration des Gateways auf den Endgeräten erfolgt üblicherweise automatisch über DHCP.

Im folgenden die prinzipielle Funktion von ARP im Ablauf:

1. Der Absender (Ihr Rechner) generiert ein zu sendendes Datenpaket, inklusive der Ziel IP Adresse.

2. Ihr Rechner ermittelt anhand der Ziel IP Adresse ob das Ziel des Datenpaketes direkt in Ihrem lokalen Heimnetzwerk liegt oder im Internet.

   • Falls das Ziel im Internet liegt, dann wird für die Auflösung im folgenden die Gateway IP Adresse benutzt.

3. Ihr Rechner schaut in seinem lokalen Zwischenspeicher (engl. Cache) ob er schon eine MAC Adresse kennt, welche der Ziel IP Adresse, bzw. der Gateway IP Adresse zugehörig ist. Wenn ja, dann wird die vorhandene MAC Adresse benutzt und das Datenpaket versandt. Wenn nein, dann siehe nächster Schritt.

4. Ihr Rechner sendet eine Nachricht an alle Geräte in Ihrem Heimnetzwerk. Die Nachricht beinhaltet die gesuchte IP Adresse.

5. Alle Geräte in Ihrem Heimnetzwerk empfangen die Nachricht und schauen nach ob die beinhaltete IP Adresse Ihre eigene ist. Wenn ja, dann sendet das gesuchte Gerät eine Antwort und fügt seine MAC Adresse der Antwort bei.

6. Ihr Rechner empfängt die Antwort, trägt die Zuordnung von MAC Adresse zu IP Adresse in seinem Zwischenspeicher ein.

7. Ihr Rechner benutzt die nun bekannte MAC Adresse um das Datenpaket zu versenden.

Die Zwischenspeicherung vermeidet das für jedes zu versendende Paket die MAC Adresse neu ermittelt werden muss. Falls über einen gewissen Zeitraum keine weiteren Pakete an ein direktes Ziel in Ihrem Heimnetzwerk mehr gesandt wurden, dann wird ein Zuordnungseintrag automatisch aus dem Zwischenspeicher gelöscht. Üblich sind hierfür Zeiträume von 5-15 Minuten.

Notiz: Die in einem Heimnetzwerk üblichen Übertragungsmedien Ethernet, WLAN und PowerLine, benutzen alle die gleich 48 Bit MAC Adressstruktur. Des Weiteren sind Umwandlungsmechanismen eingebaut, um Daten von z.B. Ethernet kommend über PowerLine weiter zu übertragen und die 48 Bit MAC Zieladresse beizubehalten. Als Resultat stellen die meisten Heimnetzwerke aus Internet Protokoll Sicht ein einzelnes Netzwerk dar, in welchem jedes Gerät mit jedem direkt über MAC Adressen kommunizieren kann.