Il Protocollo ARP (Address Resolution Protocol)

Introduzione

Il protocollo ARP (Address Resolution Protocol) è un protocollo di livello 2/3 del modello OSI utilizzato per risolvere indirizzi IP in indirizzi MAC all’interno di una rete locale (LAN). Definito nell’RFC 826 del 1982, ARP è fondamentale per il funzionamento delle reti Ethernet/IP.

Funzione Principale

ARP permette di scoprire l’indirizzo MAC (hardware) di un dispositivo conoscendone l’indirizzo IP (logico), rendendo possibile la comunicazione a livello Data Link.

Incapsulamento della Trama ARP

Il Concetto di Incapsulamento

Quando parliamo di incapsulamento, ci riferiamo a un meccanismo fondamentale nelle reti a strati: ogni livello del modello OSI “avvolge” i dati del livello superiore aggiungendo le proprie informazioni di controllo. È come inserire una lettera in una busta: la lettera (dati di livello superiore) viene inserita nella busta (intestazione di livello inferiore) per essere spedita.

ARP: un Protocollo a Cavallo tra Due Livelli

Il protocollo ARP ha una caratteristica particolare: opera tra il livello 2 (Data Link) e il livello 3 (Network) del modello OSI. Non è un protocollo puramente di livello 3 come IP, né puramente di livello 2 come Ethernet. La sua funzione è proprio quella di “collegare” questi due livelli, traducendo indirizzi logici (IP) in indirizzi fisici (MAC).

Come Funziona l’Incapsulamento ARP

Quando un dispositivo deve inviare un messaggio ARP, il pacchetto ARP viene inserito come payload (carico utile) all’interno di una trama Ethernet. Vediamo come:

Prima viene creato il pacchetto ARP (28 byte) con tutti i suoi campi (che vedremo in dettaglio)
Poi questo pacchetto viene “inserito” all’interno di una trama Ethernet
L’Ethernet aggiunge le proprie intestazioni prima e dopo il pacchetto ARP

Il risultato è una struttura “a scatole cinesi”:

┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      TRAMA ETHERNET                           │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Header Ethernet (14 byte)                                 │ │
│ │  • MAC Destinazione (6 byte)                              │ │
│ │  • MAC Sorgente (6 byte)                                  │ │
│ │  • EtherType = 0x0806 (2 byte) ← indica che segue ARP    │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                 │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │           PACCHETTO ARP (28 byte)                         │ │
│ │  • Hardware Type                                          │ │
│ │  • Protocol Type                                          │ │
│ │  • Lunghezze indirizzi                                    │ │
│ │  • Operation (Request/Reply)                              │ │
│ │  • Sender MAC e IP                                        │ │
│ │  • Target MAC e IP                                        │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                 │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Padding (se necessario, fino a 18 byte)                   │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                 │
│ ┌───────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ FCS - Frame Check Sequence (4 byte)                       │ │
│ │ (controllo errori calcolato su tutta la trama)            │ │
│ └───────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└───────────────────────────────────────────────────────────────┘

Visualizzazione Schematica Semplificata

+------------------+------------------+----------+----------+-----+
| MAC Destinazione | MAC Sorgente     | EtherType| Payload  | FCS |
| (6 byte)         | (6 byte)         | (2 byte) | (28 byte)| 4 B |
+------------------+------------------+----------+----------+-----+
                                       |  0x0806  |
                                       |   ARP    |
                                       +----------+

Il Campo EtherType: L’Identificatore Fondamentale

Il campo EtherType nell’intestazione Ethernet è cruciale per l’incapsulamento. Questo campo di 2 byte comunica al ricevente che tipo di dati sono contenuti nel payload della trama.

Valori comuni di EtherType:

0x0800 → Il payload contiene un pacchetto IPv4
0x0806 → Il payload contiene un pacchetto ARP
0x86DD → Il payload contiene un pacchetto IPv6
0x8100 → La trama contiene un VLAN tag

Quando una scheda di rete riceve una trama Ethernet, la prima cosa che fa è leggere il campo EtherType. Se legge 0x0806, “sa” che deve passare i dati al gestore del protocollo ARP e non, ad esempio, allo stack TCP/IP.

Perché Questa Struttura?

Questa organizzazione a livelli permette:

Separazione delle responsabilità: Ethernet si occupa solo di trasportare la trama da un MAC all’altro sulla rete locale, mentre ARP si occupa della risoluzione degli indirizzi
Flessibilità: La stessa infrastruttura Ethernet può trasportare diversi protocolli (IP, ARP, IPv6, etc.) semplicemente cambiando l’EtherType
Modularità: Possiamo cambiare il protocollo di livello superiore (es. passare da IPv4 a IPv6) senza dover modificare Ethernet

Esempio Concreto di Incapsulamento

Immaginiamo che il computer con IP 192.168.1.100 voglia scoprire il MAC del router 192.168.1.1:

Passo 1 - Creazione del pacchetto ARP:

Il sistema operativo crea un pacchetto ARP Request di 28 byte:
- Operation: 1 (Request)
- Sender IP: 192.168.1.100
- Sender MAC: 00:11:22:33:44:55
- Target IP: 192.168.1.1
- Target MAC: 00:00:00:00:00:00 (sconosciuto!)

Passo 2 - Incapsulamento in Ethernet:

Il driver della scheda di rete "avvolge" il pacchetto ARP in una trama Ethernet:
- MAC Destinazione: FF:FF:FF:FF:FF:FF (broadcast - tutti devono riceverlo!)
- MAC Sorgente: 00:11:22:33:44:55 (il nostro MAC)
- EtherType: 0x0806 (dice: "questo è ARP")
- Payload: [il pacchetto ARP di 28 byte creato prima]
- FCS: [calcolato automaticamente dall'hardware]

Passo 3 - Trasmissione:

La scheda di rete aggiunge il preambolo e trasmette la trama sul cavo.
Tutte le schede di rete sulla stessa LAN riceveranno la trama.

Passo 4 - Ricezione e De-incapsulamento:

Ogni scheda di rete:
1. Riceve la trama
2. Controlla il MAC destinazione (FF:FF:FF:FF:FF:FF → è per tutti!)
3. Legge l'EtherType (0x0806 → è un pacchetto ARP)
4. "Estrae" il pacchetto ARP di 28 byte dal payload
5. Lo passa al software che gestisce ARP
6. Solo il dispositivo con IP 192.168.1.1 risponderà

La Differenza tra Pacchetto e Trama

È importante comprendere la terminologia:

Pacchetto ARP: I 28 byte di dati ARP puri, senza intestazioni Ethernet
Trama Ethernet: L’intera struttura che include header Ethernet + pacchetto ARP + FCS

Quando diciamo “il pacchetto ARP viene incapsulato nella trama Ethernet”, significa esattamente questo: il pacchetto diventa parte del contenuto (payload) della trama.

Intestazione Ethernet per ARP

Campo	Dimensione	Descrizione
MAC Destinazione	6 byte	`FF:FF:FF:FF:FF:FF` per ARP Request (broadcast)<br>MAC specifico per ARP Reply
MAC Sorgente	6 byte	Indirizzo MAC del mittente
EtherType	2 byte	`0x0806` identifica il protocollo ARP
Payload ARP	28 byte	Dati del protocollo ARP
FCS	4 byte	Frame Check Sequence (controllo errori)

Struttura Dettagliata del Pacchetto ARP

Il payload ARP ha una dimensione fissa di 28 byte ed è composto dai seguenti campi:

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|        Hardware Type          |         Protocol Type         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  HW Addr Len  | Proto Addr Len|          Operation            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   Sender Hardware Address                     |
|                        (6 byte)                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   Sender Protocol Address                     |
|                        (4 byte)                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   Target Hardware Address                     |
|                        (6 byte)                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   Target Protocol Address                     |
|                        (4 byte)                               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Descrizione dei Campi ARP

1. Hardware Type (HTYPE) - 2 byte

Offset: 0-1 | Dimensione: 16 bit

Identifica il tipo di indirizzo hardware utilizzato.

Valore	Tipo	Descrizione
`0x0001`	Ethernet	Rete Ethernet (il più comune)
`0x0006`	IEEE 802	Reti token ring
`0x0007`	ARCnet	Architettura ARCnet
`0x000F`	Frame Relay	Reti Frame Relay

Valore tipico: 0x0001 (Ethernet)

2. Protocol Type (PTYPE) - 2 byte

Offset: 2-3 | Dimensione: 16 bit

Identifica il tipo di protocollo di livello 3 per cui si richiede la risoluzione.

Valore	Protocollo
`0x0800`	IPv4 (il più comune)
`0x86DD`	IPv6

Valore tipico: 0x0800 (IPv4)

3. Hardware Address Length (HLEN) - 1 byte

Offset: 4 | Dimensione: 8 bit

Specifica la lunghezza in byte dell’indirizzo hardware.

Valore per Ethernet: 6 (indirizzo MAC a 48 bit)

4. Protocol Address Length (PLEN) - 1 byte

Offset: 5 | Dimensione: 8 bit

Specifica la lunghezza in byte dell’indirizzo di protocollo.

Valore per IPv4: 4 (indirizzo IP a 32 bit)

5. Operation (OP) - 2 byte

Offset: 6-7 | Dimensione: 16 bit

Specifica il tipo di operazione ARP.

Valore	Tipo	Descrizione
`0x0001`	ARP Request	Richiesta di risoluzione indirizzo
`0x0002`	ARP Reply	Risposta con indirizzo MAC
`0x0003`	RARP Request	Reverse ARP - richiesta IP da MAC
`0x0004`	RARP Reply	Reverse ARP - risposta
`0x0008`	InARP Request	Inverse ARP request
`0x0009`	InARP Reply	Inverse ARP reply

Valori più comuni: 1 (Request) e 2 (Reply)

6. Sender Hardware Address (SHA) - 6 byte

Offset: 8-13 | Dimensione: 48 bit

Indirizzo MAC del dispositivo mittente.

Formato: XX:XX:XX:XX:XX:XX (notazione esadecimale)

Esempio: 00:1A:2B:3C:4D:5E

7. Sender Protocol Address (SPA) - 4 byte

Offset: 14-17 | Dimensione: 32 bit

Indirizzo IP del dispositivo mittente.

Formato: Indirizzo IPv4 in notazione decimale puntata

Esempio: 192.168.1.100 → C0.A8.01.64 (hex)

8. Target Hardware Address (THA) - 6 byte

Offset: 18-23 | Dimensione: 48 bit

Indirizzo MAC del dispositivo destinatario.

Nel caso di ARP Request:

Valore: 00:00:00:00:00:00 (sconosciuto, è proprio questo che si vuole scoprire!)

Nel caso di ARP Reply:

Valore: Indirizzo MAC effettivo del richiedente

9. Target Protocol Address (TPA) - 4 byte

Offset: 24-27 | Dimensione: 32 bit

Indirizzo IP del dispositivo destinatario di cui si vuole conoscere il MAC.

Esempio: 192.168.1.1

Tabella Riepilogativa dei Campi

Campo	Offset	Dimensione	Valore Tipico	Descrizione
Hardware Type	0-1	2 byte	`0x0001`	Ethernet
Protocol Type	2-3	2 byte	`0x0800`	IPv4
HW Address Length	4	1 byte	`6`	Lunghezza MAC
Protocol Address Length	5	1 byte	`4`	Lunghezza IP
Operation	6-7	2 byte	`1` o `2`	Request/Reply
Sender HW Address	8-13	6 byte	MAC mittente	Es: `00:1A:2B:3C:4D:5E`
Sender Protocol Address	14-17	4 byte	IP mittente	Es: `192.168.1.100`
Target HW Address	18-23	6 byte	`00:00:00:00:00:00` (Request)	MAC destinatario
Target Protocol Address	24-27	4 byte	IP destinatario	Es: `192.168.1.1`

Dimensione totale payload ARP: 28 byte

Esempio Pratico: ARP Request

Scenario

Il computer 192.168.1.100 (MAC: 00:11:22:33:44:55) vuole comunicare con il router 192.168.1.1 ma non conosce il suo indirizzo MAC.

Trama ARP Request Completa

TRAMA ETHERNET (14 byte header + 28 byte payload + 4 byte FCS = 46 byte)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ETHERNET HEADER                                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ MAC Destinazione:  FF:FF:FF:FF:FF:FF  (Broadcast)          │
│ MAC Sorgente:      00:11:22:33:44:55                       │
│ EtherType:         0x0806              (ARP)               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ARP PAYLOAD                                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Hardware Type:     0x0001              (Ethernet)          │
│ Protocol Type:     0x0800              (IPv4)              │
│ HW Addr Length:    0x06                (6 byte)            │
│ Proto Addr Length: 0x04                (4 byte)            │
│ Operation:         0x0001              (Request)           │
│ Sender MAC:        00:11:22:33:44:55                       │
│ Sender IP:         192.168.1.100                           │
│ Target MAC:        00:00:00:00:00:00   (sconosciuto)       │
│ Target IP:         192.168.1.1                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Dump Esadecimale

Offset  Hex                                              ASCII
------  -----------------------------------------------  ----------------
0000    FF FF FF FF FF FF 00 11 22 33 44 55 08 06      ........"3DU..
                          ↑ MAC Sorgente    ↑ EtherType
0010    00 01 08 00 06 04 00 01 00 11 22 33 44 55      ..........."3DU
        ↑HType ↑PType ↑L ↑L ↑Op  ↑ Sender MAC
0020    C0 A8 01 64 00 00 00 00 00 00 C0 A8 01 01      ...d..........
        ↑Sender IP   ↑ Target MAC      ↑Target IP

Esempio Pratico: ARP Reply

Scenario

Il router 192.168.1.1 (MAC: AA:BB:CC:DD:EE:FF) risponde alla richiesta.

Trama ARP Reply Completa

TRAMA ETHERNET
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ ETHERNET HEADER                                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ MAC Destinazione:  00:11:22:33:44:55  (Unicast al PC)     │
│ MAC Sorgente:      AA:BB:CC:DD:EE:FF  (Router)             │
│ EtherType:         0x0806              (ARP)               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ARP PAYLOAD                                                 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Hardware Type:     0x0001              (Ethernet)          │
│ Protocol Type:     0x0800              (IPv4)              │
│ HW Addr Length:    0x06                (6 byte)            │
│ Proto Addr Length: 0x04                (4 byte)            │
│ Operation:         0x0002              (Reply)             │
│ Sender MAC:        AA:BB:CC:DD:EE:FF   (Router)            │
│ Sender IP:         192.168.1.1                             │
│ Target MAC:        00:11:22:33:44:55   (PC richiedente)    │
│ Target IP:         192.168.1.100                           │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

Confronto Request vs Reply

Campo	ARP Request	ARP Reply
Ethernet Dest MAC	`FF:FF:FF:FF:FF:FF` (broadcast)	`00:11:22:33:44:55` (unicast)
Ethernet Src MAC	`00:11:22:33:44:55` (PC)	`AA:BB:CC:DD:EE:FF` (Router)
Operation	`0x0001` (Request)	`0x0002` (Reply)
Sender MAC	`00:11:22:33:44:55` (PC)	`AA:BB:CC:DD:EE:FF` (Router)
Sender IP	`192.168.1.100` (PC)	`192.168.1.1` (Router)
Target MAC	`00:00:00:00:00:00`	`00:11:22:33:44:55` (PC)
Target IP	`192.168.1.1` (Router)	`192.168.1.100` (PC)

Considerazioni sulla Dimensione della Trama

Calcolo Dimensione Totale

Trama Ethernet completa:
┌────────────────┬──────────┐
│ Preambolo      │  8 byte  │ (non trasmesso in catture software)
│ MAC Dest       │  6 byte  │
│ MAC Src        │  6 byte  │
│ EtherType      │  2 byte  │
│ Payload ARP    │ 28 byte  │
│ Padding        │ 18 byte  │ (se necessario per min 64 byte)
│ FCS            │  4 byte  │
└────────────────┴──────────┘

Dimensione Minima delle Trame Ethernet

La Regola dei 64 Byte

Uno degli aspetti fondamentali dello standard Ethernet IEEE 802.3 è che ogni trama deve avere una dimensione minima di 64 byte (escluso il preambolo e il SFD - Start Frame Delimiter). Questa non è una scelta arbitraria, ma deriva da precise necessità tecniche legate al funzionamento del protocollo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Perché Esiste una Dimensione Minima?

La dimensione minima di 64 byte è stata stabilita per garantire il corretto funzionamento dell’algoritmo di rilevamento delle collisioni nelle reti Ethernet classiche (10BASE-T, 100BASE-T in half-duplex).

Il problema delle collisioni:

Nelle reti Ethernet half-duplex, quando due dispositivi trasmettono simultaneamente, si verifica una collisione. Il meccanismo CSMA/CD richiede che il dispositivo trasmittente sia ancora in trasmissione quando il segnale di collisione torna indietro dal punto più lontano della rete.

Il calcolo:

Consideriamo una rete Ethernet 10BASE-T con la massima estensione consentita:

Lunghezza massima del cavo: 2500 metri (considerando ripetitori)
Velocità di propagazione del segnale: circa 2/3 della velocità della luce ≈ 200.000 km/s
Tempo di andata e ritorno (RTT - Round Trip Time): circa 25 microsecondi

A 10 Mbps:

1 byte viene trasmesso in 0.8 microsecondi
In 25 microsecondi possiamo trasmettere circa 31 byte

Per sicurezza, lo standard ha raddoppiato questo valore e arrotondato, arrivando a 64 byte come dimensione minima. Questo garantisce che anche in scenari peggiori (massima distanza, collisione tardiva), il trasmittente rilevi sempre la collisione prima di terminare la trasmissione.

Componenti della Dimensione Minima

La trama di 64 byte si compone in questo modo:

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│  TRAMA ETHERNET MINIMA = 64 byte                    │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                      │
│  Header Ethernet:            14 byte                │
│    • MAC Destinazione:        6 byte                │
│    • MAC Sorgente:            6 byte                │
│    • EtherType/Length:        2 byte                │
│                                                      │
│  Payload (dati utili):     46-1500 byte             │
│    • Minimo:                 46 byte                │
│    • Massimo:              1500 byte (MTU)          │
│                                                      │
│  FCS (Frame Check Seq.):      4 byte                │
│                                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

Totale minimo: 14 + 46 + 4 = 64 byte

Nota importante: Il preambolo (7 byte) e l’SFD (1 byte) vengono aggiunti a livello fisico e non sono conteggiati nei 64 byte. La trama completa trasmessa sul cavo è quindi di almeno 72 byte.

Il Padding: Quando e Perché

Quando il payload effettivo è inferiore a 46 byte, viene automaticamente aggiunto del padding (riempimento) per raggiungere la dimensione minima richiesta.

Cos’è il padding?

Il padding consiste in byte di riempimento (solitamente zeri, ma non necessariamente) aggiunti alla fine del payload per portare la trama alla dimensione minima di 64 byte totali.

Formula del padding:

Padding necessario = 46 - dimensione_payload_effettivo

Se (Header + Payload + FCS) < 64 byte:
    Padding = 46 - dimensione_payload
Altrimenti:
    Padding = 0

Calcolo Dettagliato per le Trame ARP

Analizziamo passo per passo una trama contenente un pacchetto ARP:

Passo 1 - Dimensioni dei componenti:

Header Ethernet:     14 byte
  ├─ MAC Dest:        6 byte
  ├─ MAC Source:      6 byte
  └─ EtherType:       2 byte (0x0806 per ARP)

Payload ARP:         28 byte
  ├─ Hardware Type:   2 byte
  ├─ Protocol Type:   2 byte
  ├─ HW Addr Len:     1 byte
  ├─ Proto Addr Len:  1 byte
  ├─ Operation:       2 byte
  ├─ Sender MAC:      6 byte
  ├─ Sender IP:       4 byte
  ├─ Target MAC:      6 byte
  └─ Target IP:       4 byte

FCS:                  4 byte

Passo 2 - Somma senza padding:

14 (Header) + 28 (ARP) + 4 (FCS) = 46 byte

46 byte < 64 byte → È necessario il padding!

Passo 3 - Calcolo del padding necessario:

Payload minimo richiesto = 46 byte
Payload effettivo (ARP) = 28 byte

Padding = 46 - 28 = 18 byte

Passo 4 - Trama finale:

┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ Header Ethernet:           14 byte               │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ Payload ARP:               28 byte               │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ PADDING (zeri):            18 byte ← Aggiunto!   │
├──────────────────────────────────────────────────┤
│ FCS:                        4 byte               │
└──────────────────────────────────────────────────┘

Totale: 14 + 28 + 18 + 4 = 64 byte ✓

Visualizzazione Esadecimale con Padding

Ecco come appare una trama ARP reale con il padding:

Offset  Hex Data                                         ASCII
------  -----------------------------------------------  ----------------
0000    FF FF FF FF FF FF 00 11 22 33 44 55 08 06      ........"3DU..
        └─ MAC Dest ─┘ └─ MAC Src ──┘ └EType┘
        
0010    00 01 08 00 06 04 00 01 00 11 22 33 44 55      ..........."3DU
        └HT─┘ └PT─┘ HL PL └Op┘ └─ Sender MAC ──┘
        
0020    C0 A8 01 64 00 00 00 00 00 00 C0 A8 01 01      ...d..........
        └Sender IP┘ └─ Target MAC ──┘ └Target IP┘
        
0030    00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00      ..............
        └──────────── PADDING (18 byte) ─────────────
        
0040    00 00 00 00 XX XX XX XX                         ........
        ─────┘ └─── FCS ──┘

I byte da offset 0x002C a 0x003D (18 byte) sono il padding aggiunto automaticamente.

Chi Aggiunge il Padding?

Il padding viene aggiunto automaticamente dall’hardware della scheda di rete (NIC - Network Interface Card) prima della trasmissione. Il software (driver, sistema operativo) non deve preoccuparsi di questo dettaglio.

Processo:

Il sistema operativo crea il pacchetto ARP (28 byte)
Lo passa al driver Ethernet che aggiunge l’header (14 byte)
Il controller della NIC verifica la dimensione totale
Se < 64 byte, la NIC aggiunge automaticamente il padding
La NIC calcola e aggiunge il FCS
La trama viene trasmessa sul cavo

Dimensione Massima: MTU (Maximum Transmission Unit)

Mentre esiste un minimo, esiste anche un massimo:

Trama Ethernet standard (senza VLAN tag):
┌─────────────────────────────────────────┐
│ Header:           14 byte               │
│ Payload MAX:    1500 byte (MTU)         │
│ FCS:               4 byte               │
└─────────────────────────────────────────┘
Totale MAX: 1518 byte

MTU (Maximum Transmission Unit) = 1500 byte

Questa è la quantità massima di dati che può essere trasportata in una singola trama Ethernet standard. Pacchetti IP più grandi devono essere frammentati.

Jumbo Frames:

Alcune reti supportano “Jumbo Frames” con MTU fino a 9000 byte, utilizzate in ambienti che richiedono alte prestazioni (data center, storage network).

Tabella Riepilogativa delle Dimensioni

Componente	Minimo	Standard	Massimo	Note
Preambolo + SFD	8 byte	8 byte	8 byte	Non conteggiato nei 64 byte
Header Ethernet	14 byte	14 byte	14 byte	Fisso (senza VLAN)
Payload	46 byte	variabile	1500 byte	Include eventuale padding
FCS	4 byte	4 byte	4 byte	Fisso
Trama totale	64 byte	variabile	1518 byte	Senza preambolo
Sul cavo	72 byte	variabile	1526 byte	Con preambolo

Implicazioni Pratiche del Padding

1. Efficienza di banda:

Per dati molto piccoli, il padding rappresenta uno spreco. Ad esempio, un ping ICMP con 1 byte di dati:

Header IP:     20 byte
Header ICMP:    8 byte
Dati:           1 byte
─────────────────────
Payload totale: 29 byte

Con header Ethernet (14 byte) e FCS (4 byte):
14 + 29 + 4 = 47 byte → servono 17 byte di padding!

Efficienza: 1 byte utile su 64 byte totali = 1.56%

2. Sicurezza:

Il padding potrebbe contenere residui di memoria precedente. Alcuni sistemi azzerano esplicitamente il padding per evitare information leakage.

3. Rilevamento del padding:

Il ricevente deve sapere dove finiscono i dati reali e inizia il padding. Questo è gestito dai protocolli di livello superiore (es. IP ha un campo “Total Length”).

Caso Speciale: Reti Moderne (Full-Duplex)

Nelle reti moderne full-duplex (commutate con switch), non ci sono collisioni perché i canali di trasmissione e ricezione sono separati. Tecnicamente, il limite minimo di 64 byte non sarebbe necessario per ragioni di CSMA/CD.

Tuttavia, lo standard mantiene il limite per:

Compatibilità retroattiva
Semplicità dei chip Ethernet
Uniformità dello standard
Alcuni meccanismi di QoS e statistiche si basano su questa dimensione

Riassunto dei Concetti Chiave

✓ La dimensione minima di 64 byte deriva da requisiti tecnici del CSMA/CD
✓ Il padding viene aggiunto automaticamente dall’hardware quando necessario
✓ Per ARP servono 18 byte di padding (28 byte dati + 18 padding = 46 byte payload)
✓ Il preambolo (8 byte) non è conteggiato nei 64 byte
✓ La dimensione massima standard è 1518 byte (MTU 1500 + 14 header + 4 FCS)
✓ Nelle reti moderne il limite persiste per compatibilità e standardizzazione

Tipi Speciali di Messaggi ARP

1. Gratuitous ARP

Un dispositivo invia un ARP Request per il proprio indirizzo IP.

Scopi:

Rilevare conflitti IP (Duplicate Address Detection)
Aggiornare le ARP cache degli altri dispositivi
Annunciare un cambio di MAC address

Caratteristiche:

Sender IP = Target IP (stesso indirizzo)
Target MAC = 00:00:00:00:00:00
Ethernet Dest = FF:FF:FF:FF:FF:FF (broadcast)

2. ARP Probe

Verifica se un indirizzo IP è già in uso prima di configurarlo.

Caratteristiche:

Sender IP = 0.0.0.0
Target IP = indirizzo da verificare
Se arriva una risposta, l’IP è già utilizzato

3. ARP Announcement

Annuncio dell’associazione IP-MAC appena configurata.

Caratteristiche:

Sender IP = Target IP = nuovo indirizzo configurato
Inviato dopo un ARP Probe senza risposta

ARP Cache

I dispositivi mantengono una tabella ARP (ARP cache) per evitare continue richieste.

Struttura della Cache

Indirizzo IP	Indirizzo MAC	Tipo	TTL
192.168.1.1	AA:BB:CC:DD:EE:FF	Dinamico	120s
192.168.1.50	11:22:33:44:55:66	Dinamico	45s
192.168.1.254	FF:EE:DD:CC:BB:AA	Statico	∞

Comandi per visualizzare la cache

Windows:

arp -a

Linux/macOS:

arp -n
# oppure
ip neigh show

Timeout della Cache

Dinamico: 120-300 secondi (tipico)
Statico: inserito manualmente, non scade
Incompleto: richiesta inviata ma nessuna risposta

Problematiche di Sicurezza

ARP Spoofing (ARP Poisoning)

Un attaccante invia ARP Reply falsi per:

Intercettare traffico (Man-in-the-Middle)
Causare Denial of Service
Redirigere traffico

Esempio di attacco:

Attaccante invia:
- ARP Reply a PC: "192.168.1.1 è a MAC_ATTACCANTE"
- ARP Reply a Router: "192.168.1.100 è a MAC_ATTACCANTE"

Risultato: tutto il traffico passa per l'attaccante

Difese

Static ARP entries per dispositivi critici
ARP inspection su switch gestiti
Software di monitoraggio (arpwatch, XArp)
Port security sugli switch

Limitazioni del Protocollo ARP

Sicurezza: Nessuna autenticazione, vulnerabile a spoofing
Scalabilità: Funziona solo in reti locali (broadcast domain)
Broadcast storm: Troppe richieste possono saturare la rete
IPv6: Sostituito da NDP (Neighbor Discovery Protocol)

Relazione con altri Protocolli

RARP (Reverse ARP)

Risolve MAC → IP
Usato da diskless workstation per ottenere un IP
Obsoleto, sostituito da DHCP/BOOTP

Proxy ARP

Router risponde a ARP Request per conto di altri host
Permette comunicazione tra sottoreti diverse
Può causare problemi di sicurezza

GARP (Gratuitous ARP)

Già discusso sopra
Fondamentale per VRRP, HSRP (protocolli di ridondanza)

Riferimenti

RFC 826 - An Ethernet Address Resolution Protocol (1982)
RFC 5227 - IPv4 Address Conflict Detection
RFC 903 - Reverse Address Resolution Protocol (RARP)

Esercizi di Verifica

Esercizio 1

Dato il seguente dump esadecimale, identifica tutti i campi ARP:

FF FF FF FF FF FF 00 50 56 C0 00 08 08 06 00 01
08 00 06 04 00 01 00 50 56 C0 00 08 C0 A8 01 0A
00 00 00 00 00 00 C0 A8 01 01

Esercizio 2

Calcola la dimensione totale di una trama Ethernet contenente un pacchetto ARP, includendo il padding necessario.

Esercizio 3

Spiega perché in un ARP Request il campo “Target Hardware Address” è impostato a 00:00:00:00:00:00.

Esercizio 4

Descrivi il flusso completo di un’operazione ARP quando un host A (192.168.1.10) vuole comunicare con l’host B (192.168.1.20) che non è presente nella sua ARP cache.

Conclusioni

Il protocollo ARP, nonostante la sua semplicità e i suoi limiti di sicurezza, rimane fondamentale per il funzionamento delle reti Ethernet/IP moderne. La comprensione dettagliata della struttura delle sue trame è essenziale per:

Troubleshooting di rete
Analisi del traffico con strumenti come Wireshark
Implementazione di sicurezza di rete
Sviluppo di applicazioni di rete a basso livello

La transizione verso IPv6 e il protocollo NDP rappresenta l’evoluzione naturale, ma ARP continuerà a essere rilevante nelle reti IPv4 per molti anni a venire.