Mapeamento IP para MAC

1. O Conflito de Camadas

Para que um dado saia do seu computador e chegue ao vizinho, ele precisa atravessar duas camadas do modelo OSI:

• Camada 3 (Rede): Trabalha com o Endereço IP. É a inteligência que sabe "para qual rede" o dado vai.
• Camada 2 (Enlace): Trabalha com o Endereço MAC. É a força bruta que sabe "para qual cabo/porta" o dado vai.

O Problema: Um switch de rede comum (L2) não lê endereços IP. Ele só entende endereços MAC. Se o seu computador enviar um pacote apenas com o IP de destino, o switch não saberá o que fazer com ele. O Mapeamento ARP resolve isso criando uma "ponte" entre esses dois mundos.

O mapeamento entre endereços lógicos (IP) e físicos (MAC) é definido pela RFC 826 (1982), "An Ethernet Address Resolution Protocol". O protocolo ARP opera diretamente sobre a camada de enlace (EtherType 0x0806) e não tem cabeçalho IP próprio — ele é encapsulado em um quadro Ethernet.

2. O Processo de Encapsulamento

Quando você envia um dado, o sistema operacional realiza os seguintes passos:

1. Criação do Pacote (L3): O sistema coloca o IP de Origem e o IP de Destino.
2. Consulta à Tabela ARP: O PC olha na memória: "Eu já sei qual é o MAC do dono deste IP?".
3. A Descoberta: Se não souber, ele pausa o envio e inicia a descoberta via ARP (conforme veremos adiante).
4. Montagem do Quadro (L2): Assim que recebe o MAC de destino, o PC "embrulha" o pacote IP dentro de um Quadro Ethernet.
   • MAC de Origem: O seu.
   • MAC de Destino: O endereço físico que o ARP acabou de descobrir.

3. Estrutura do Pacote ARP

O pacote ARP tem 28 bytes (em redes Ethernet/IPv4) e a seguinte estrutura:

O Fluxo de Descoberta ARP

1. ARP Request (Broadcast): O emissor constrói um quadro Ethernet com MAC destino FF:FF:FF:FF:FF:FF contendo o pacote ARP request. Todos os hosts da VLAN recebem e processam o quadro.
2. Verificação Local: Cada host compara o campo Target IP com seu próprio IP. Apenas o dono do IP responde.
3. ARP Reply (Unicast): O host dono do IP envia um quadro Ethernet unicast de volta ao emissor original com o campo Sender MAC preenchido com seu MAC real e o Opcode = 2.
4. Cache: O emissor armazena o mapeamento IP→MAC na sua tabela ARP e prossegue com o envio dos dados.

4. O Mapeamento em Redes Locais vs. Remotas

O mapeamento físico muda drasticamente dependendo de onde o destino está:

A. Destino na Mesma Rede

O mapeamento é direto.

• IP de Destino: 192.168.1.50
• MAC de Destino: AA:BB:CC:DD:EE:FF (O MAC do próprio computador de destino).

B. Destino em Outra Rede (Internet)

Aqui está o segredo: O seu computador não mapeia o MAC do servidor do Google.

• IP de Destino: 8.8.8.8 (Google)
• MAC de Destino: 11:22:33:44:55:66 (O MAC do seu Roteador/Gateway).

Pense nisso como um Estafeta: Você coloca o nome do destinatário final na carta (IP), mas entrega a carta fisicamente nas mãos do carteiro (MAC do Roteador). O roteador, por sua vez, fará um novo mapeamento para o próximo salto.

A decisão "mesma rede ou rede remota" é feita pela tabela de rotas e pela máscara de sub-rede. Se o IP destino estiver dentro do prefixo da interface local, o ARP consulta diretamente o destino; caso contrário, o ARP consulta o MAC do next-hop (gateway padrão).

5. Tabela ARP Cache

Para evitar o overhead de broadcast a cada pacote, o sistema operacional mantém um cache temporário dos mapeamentos aprendidos.

• Entradas Dinâmicas: Aprendidas automaticamente, expiram após um tempo (Linux: ~1 min a 60 min conforme uso; Windows: 2-10 min). O tempo é controlado pelos parâmetros gc_stale_time e gc_timeout no Linux.
• Entradas Estáticas: Configuradas manualmente pelo administrador, não expiram. Úteis para servidores críticos ou como defesa contra ARP spoofing.

Comandos de Inspeção

# Linux/macOS — Ver cache ARP
arp -n
ip neigh show

# Linux — Adicionar entrada estática
ip neigh add 192.168.1.10 lladdr aa:bb:cc:dd:ee:ff dev eth0 nud permanent

# Linux — Limpar cache ARP
ip neigh flush all

# Windows
arp -a
arp -s 192.168.1.10 aa-bb-cc-dd-ee-ff

Cisco IOS

R1# show ip arp
Protocol  Address          Age (min)  Hardware Addr   Type   Interface
Internet  192.168.1.1            -   0050.56ab.cdef  ARPA   GigabitEthernet0/0
Internet  192.168.1.50           3   aabb.ccdd.eeff  ARPA   GigabitEthernet0/0

R1# clear ip arp 192.168.1.50

6. Por que o MAC é necessário?

Endereços IP são lógicos e podem mudar (via DHCP). O endereço MAC é globalmente único e fixo na peça de hardware. Se comunicássemos apenas por IP, teríamos que atualizar a "vizinhança" toda vez que alguém reiniciasse o roteador. O mapeamento ARP garante que, não importa qual IP o dispositivo tenha hoje, o sinal chegará à placa de rede correta.

Adicionalmente, a separação IP/MAC permite mobilidade: um laptop pode mudar de rede (e de IP) sem trocar de placa de rede (e de MAC). O ARP reconcilia as duas identidades a cada nova associação.

7. Variações do Protocolo ARP

A. Gratuitous ARP

Um host envia um ARP request com Sender IP = Target IP = seu próprio IP. Objetivos:
- Anunciar seu MAC para atualizar caches de vizinhos (útil após failover de cluster ou troca de placa).
- Detectar conflito de IP (se alguém responder, o IP já está em uso — usado em DHCP conflict detection).

B. Proxy ARP

Um roteador responde a ARP requests em nome de hosts em outra sub-rede. Útil quando hosts não sabem configurar gateway padrão, mas abre vetor de ataque (ARP spoofing intermediário). Definido na RFC 1027.

C. RARP (Reverse ARP)

O inverso do ARP: dado um MAC, descobre o IP. Definido na RFC 903. Foi usado por estações diskless (sem disco) para obter IP na inicialização. Hoje está obsoleto, substituído por BOOTP e DHCP, que são mais robustos.

D. InARP (Inverse ARP)

Usado em redes NBMA (Frame Relay, ATM) para descobrir o IP do lado remoto a partir do identificador de circuito virtual (DLCI). Definido na RFC 2390.

8. Equivalente em IPv6: NDP

O IPv6 não usa ARP. Em seu lugar, o Neighbor Discovery Protocol (NDP), definido na RFC 4861, usa mensagens ICMPv6:

• Neighbor Solicitation (Type 135): equivalente ao ARP request, enviado para multicast ff02::1:ffXX:XXXX (Solicited-Node) em vez de broadcast.
• Neighbor Advertisement (Type 136): equivalente ao ARP reply.

Vantagens do NDP sobre ARP: usa multicast scoped (não interrompe todos os hosts), integra detecção de duplicidade (DAD), descoberta de roteador (RA/RS) e redirecionamento.

9. Segurança: ARP Spoofing e Defesas

O ARP original não tem autenticação: qualquer host pode anunciar qualquer MAC. Isso viabiliza o ARP Spoofing (ou ARP Cache Poisoning):

1. Atacante envia ARP reply forjado alegando ser o gateway (192.168.1.1 → MAC do atacante).
2. Vítimas atualizam seu cache e passam a enviar todo tráfego para o atacante.
3. Atacante intercepta (Man-in-the-Middle) ou descarta (DoS) o tráfego.

Defesas

Cisco IOS — DAI

! Habilitar DHCP snooping (pré-requisito)
ip dhcp snooping
ip dhcp snooping vlan 10
!
interface range Gi0/1-24
 ip dhcp snooping trust
 ip arp inspection trust
!
vlan 10
 ip arp inspection limit rate 15

10. Resumo Técnico

• Entrada: Endereço IPv4 (Lógico).
• Saída: Endereço MAC (Físico).
• Ferramenta: Protocolo ARP (RFC 826).
• Local de Armazenamento: Cache ARP do Sistema Operacional.
• Encapsulamento: Quadro Ethernet, EtherType 0x0806.
• Modo: Broadcast (request) + Unicast (reply).
• Equivalente IPv6: NDP (ICMPv6 Type 135/136, RFC 4861).

11. Conclusão

O mapeamento IP para MAC é a ponte que permite que duas camadas abstratas distintas (Rede e Enlace) cooperem. Sem o ARP, o IP seria apenas uma abstração inútil sobre Ethernet. Apesar de sua simplicidade — um simples par IP/MAC aprendido por broadcast —, o ARP carrega problemas de segurança sérios por não possuir autenticação, exigindo mecanismos complementares como DAI, 802.1X e MACsec em ambientes críticos. Em IPv6, o protocolo foi substituído pelo NDP, mais seguro e eficiente, mas o ARP continuará presente em redes IPv4 por muitos anos, tornando seu domínio obrigatório para qualquer profissional de redes.