このページでは、IEEE 802.11の各規格の速さと周波数帯、ビーコンからSSID・暗号方式までの接続手順、CSMA/CAとRTS/CTS、チャネルの選び方がわかります。
- 一言で言うと：
- 電波でつなぐ無線LAN（IEEE 802.11シリーズ）の、規格ごとの速さと周波数帯、アクセスポイントにつながるまでの手順、電波ならではのぶつからない送り方（CSMA/CA）、チャネルの選び方の話
- 暗号化（WEP、WPAなど）は、セキュリティ分野で扱う
規格（IEEE 802.11a/b/g/n/ac/ax、OFDM）→ つながるまで（ビーコン → SSID → 暗号方式）→ ぶつからない送り方（CSMA/CA、RTS/CTS）→ チャネルの選び方（2.4GHz帯は1・6・11）
覚え方の軸
- 規格は「周波数帯」と「速さ」の組合せで覚える
- 2.4GHz帯はb・g（障害物に強い）、5GHz帯はa・ac、両方使えるのがn・ax
- 速さは、11b（11M）→ 11a・11g（54M）→ 11n（600M）→ 11ac（7G）→ 11ax（9.6G）
- Wi-Fiの番号は、11n＝Wi-Fi 4、11ac＝Wi-Fi 5、11ax＝Wi-Fi 6
- 速くする技術は「並べる・束ねる」
- OFDMは、周波数の違う複数の搬送波を並べて並列に送る
- MIMOは、複数のアンテナで並列に送る（MU-MIMOは一度に複数の相手）
- チャネルボンディングは、隣のチャネルを束ねる
- アクセス制御は「有線はCD（検出）、無線はCA（回避）」
- 電波では衝突を検出できないので、ランダムに待ってから送り、受け取った側がACKを返す
- 隠れ端末問題には、RTS/CTS（送っていい？／どうぞ）で対応する
- 2.4GHz帯のチャネルは「5つ離す」
- 1チャネルの幅は22MHz、中心は5MHz刻み。だから5つ以上離れた3つ（1・6・11など）なら干渉しない
無線LANの規格：速さと周波数帯（★）
- 無線LAN：
- 一般には、IEEE 802.11シリーズの規格に準拠した機器で作るネットワーク
無線LANの規格（★試験で問われる）
| 規格 | 最大伝送速度 | 周波数帯 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| IEEE 802.11b | 11Mbps | 2.4GHz | 障害物に強い。無線の場合は実効スループットが大幅に落ちるので、マルチメディア通信などには向いていない |
| IEEE 802.11a | 54Mbps | 5GHz | 早くから普及した規格。11bとの互換性がない |
| IEEE 802.11g | 54Mbps | 2.4GHz | 11bと上位互換。11bと混在させられるが、11bのノードの待ち時間が大きくなり、11g対応ノードの通信速度が落ちる |
| IEEE 802.11n（Wi-Fi 4） | 600Mbps | 2.4GHz、5GHz | 11a、11b、11gと上位互換。2つの周波数帯を併用する。従来規格と互換性があり、11a・11b・11g対応のノードも11nのネットワークにつなげる。チャネルボンディング、MIMO対応 |
| IEEE 802.11ac（Wi-Fi 5） | 7Gbps | 5GHz | 11a、11nと上位互換。チャネルボンディング、MU-MIMO（一対多の同時通信型MIMO）対応 |
| IEEE 802.11ax（Wi-Fi 6） | 9.6Gbps | 2.4GHz、5GHz | 多数の利用者が同時にアクセスしても、スループットが落ちにくい。チャネルボンディング、MU-MIMO対応 |
- 試験での出方（試験）：
- 各規格の最大伝送速度と、使う周波数帯が問われる
- 規格の覚え方：
- b・gは「2.4GHz」（電子レンジと同じ帯で混みやすいが、壁を回り込みやすい）
- a・acは「5GHz」（「a」が付くと5GHz）
- n・axは「両方」
- 2.4GHzと5GHzの例え：
- 2.4GHzは、遠くまで届き、壁にも強いが、電子レンジやBluetoothなどで混みやすい一般道
- 5GHzは、速くて空いているが、壁に弱い高速道路
- チャネルボンディング：
- 隣り合うチャネルをまとめて、1つのチャネルとして扱う技術
- 例えば、2車線をつなげて1本の広い道として使う
- MIMO（Multi Input Multi Output）：
- データの送受信に複数のアンテナを使うことで、データを並行して送る技術
- 例えば、1本のホースではなく、何本ものホースで同時に水をまく
- MU-MIMO：
- 一対多の同時通信型のMIMO
- アクセスポイントが、複数の端末に同時に送れる
- 注意（新しい情報）：
- 2020年ごろから、6GHz帯も使える「Wi-Fi 6E」（11axの拡張）が登場した
- 2024年には、IEEE 802.11be（Wi-Fi 7）が登場した。最大伝送速度は約46Gbpsで、2.4GHz・5GHz・6GHzの3つの周波数帯を使う
- 試験では、上の表（11axまで）をまず確実に覚えておけばよい
IEEE 802.11a/g/n/acで使う多重化方式（OFDM）
- 変調：
- デジタルデータをアナログデータに変えるときは、搬送波という信号に変調を加えて、デジタルデータの0と1に対応させる
- IEEE 802.11a/g/n/acでは、この変調方式にOFDMを使う
- OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing：直交周波数分割多元通信）：
- 周波数の違う複数の搬送波を使って、パケットを並列に送受信することで、伝送効率を上げる技術
- 変調速度を上げずに、データ通信を高速化できる
- OFDMの例え：
- 1車線を猛スピードで走る（変調速度を上げる）代わりに、たくさんの車線（搬送波）にゆっくり並べて走らせる
無線LANのアクセス手順：つながるまでの3ステップ（★）
無線LANアクセス手順
- ビーコン信号の受信と接続：
- アクセスポイントからのビーコン信号を受け取る
- SSIDの確認：
- 同じSSIDかを確かめる
- 暗号方式の確認：
- パケットを暗号化する手続きをする
① ビーコン信号の受信と接続
- ビーコン信号：
- アクセスポイントは、常に、自分のSSIDを含むビーコン信号をブロードキャストで送っている
- 無線LANを使うノードは、このビーコンでアクセスポイントを認識して、通信を始める
- 例えば、灯台の光。「ここにいますよ」と常に知らせている
- SSID：
- アクセスポイントに設定する、最大32文字の英数字で表すネットワーク識別子
- ESSID（Extended SSID）ともいう
- ステルス機能：
- 自分のSSIDを公にすると、誰でもSSIDを取得できてしまうので、不正侵入の危険性が高くなる
- そこで、SSIDの発信を停止する機能
- ステルス機能を使うと、事前にSSIDを知っているノードだけがアクセスできるようになる
② SSIDの確認
- SSIDによる接続許可：
- 基本的には、同じSSIDを設定したノードだけに接続を許可する
- ANY接続：
- どのノードからの接続も受け入れる場合に許可するもの
- ノードがSSIDを「ANY」として接続すると、無条件に接続が許可される
- ANY接続拒否機能：
- SSIDが一致した場合だけ通信を許可する機能
- MACアドレスフィルタリング：
- 多くのアクセスポイントが対応している
- 使うノードのMACアドレスを事前に登録しておくと、それ以外のノードからのアクセスを拒否して、セキュリティを上げられる
- 例えば、マンションの入口で、登録された住人の顔だけを通す
③ 暗号方式の確認
- 暗号方式の確認：
- 送るパケットを暗号化する手続きをする
- 無線LANの暗号方式は、セキュリティ分野で扱う
- 補足：
- ステルス機能、ANY接続拒否、MACアドレスフィルタリングは、どれも補助的な対策にすぎない
- SSIDは、端末が接続するときの通信から読み取れるし、MACアドレスは偽装（なりすまし）できる
- だから、本当の守りは、WPA2・WPA3による暗号化と認証
無線LANのアクセス制御方式：ぶつからないように送る（★）
① CSMA/CA方式
- CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance：搬送波感知多重アクセス／衝突回避）：
- 無線LANが使っている通信の制御方式
- CSMA/CD方式に似ているが、「衝突検出」の部分が「衝突回避」になっているところが違う
- CSMA/CAを使う理由：
- 無線LANは、物理層の媒体として電波を使うので、衝突を検出できない
- そこで、衝突を検出するのではなく、回避しようというのがCSMA/CA方式
CSMA/CA方式の特徴（★）
- バックオフ制御時間：
- 送信するノードは、使いたい周波数帯が使われていないかを確かめた後、必ずランダムな時間だけ待ってから送信を始める
- この待ち時間をバックオフ制御時間という
- ACKで受け取りを知らせる：
- 衝突が起きてフレームが壊れても、それを検出できない
- だから、データを受け取ったノードはACKを返して、データを正常に受け取ったことを知らせる
- ACKが来なければ送り直す：
- 送信側ノードは、決めた時間内にACKを受け取れなければ、干渉が起きたと判断して、一定時間後に再送する
- CSMA/CDとCSMA/CAの違い：
- CSMA/CDは、空いていたらすぐ送り、ぶつかったら待って送り直す（有線）
- CSMA/CAは、空いていても必ずランダムに待ってから送る。ぶつかったかはACKの有無で判断する（無線）
- CSMA/CAの例え：
- 暗い部屋で、相手の声が聞こえにくい会議。話す前に少し間をおき、話し終わったら相手に「わかった（ACK）」と言ってもらう。返事がなければ、もう一度話す
② RTS/CTS
- 隠れ端末問題：
- 無線LANでは、通信するノード間の距離が離れすぎていたり、ノード間に障害物があったりすると、互いに他のノードがデータを送っていることを感知できないので、衝突が起きる
- この問題のこと
- 例えば、アクセスポイントを挟んで、反対側の部屋にいる2人。お互いの声は聞こえないが、真ん中のアクセスポイントには2人の声が同時に届いてしまう
- RTS/CTS方式：
- 隠れ端末問題を避けるための方式
- RTS/CTSの手順：
- 無線LANノードは、データを送る前に、RTS（Request To Send：送信リクエスト）をアクセスポイントに送る
- これを受理したアクセスポイントは、CTS（Clear to Send：送信OK）を返す
- 無線LANノードは、アクセスポイントからCTSを受け取ったら、データ送信を始める
- CTSで衝突を抑える仕組み：
- CTSには、他のノードに対する送信抑制時間が書かれていて、衝突を抑える
- 他のノードは、CTSを傍受することで、自分以外の別のノードに送信権があると解釈し、データ送信を延期する
- CSMA/CA with RTS/CTS：
- データ送信を始める前に、データ送信のネゴシエーションとして、RTS/CTS方式を使ったCSMA/CA
- RTS/CTSの例え：
- 司会者（アクセスポイント）に「発言していいですか（RTS）」と手を挙げ、司会者が「Aさん、どうぞ。他の人は○分待って（CTS）」と全員に聞こえるように言う。Aさんの声が聞こえない人も、司会者の声は聞こえるので黙る
無線LANのチャネル割り当て：干渉しないチャネルを選ぶ（★）
- 試験での出方：
- チャネル割り当ての詳細は問われない
- 問われるのは、「2.4GHz帯の無線LANのアクセスポイントにチャネル番号を設定するときの注意点」
- チャネル：
- 無線LANでは、複数のノードが同時に通信できるように、使う周波数帯域を分割している。これをチャネルという
① 無線LANのチャネル
- 2.4GHz帯のチャネル：
- 2.4GHz帯を使うIEEE 802.11gでは、中心周波数を5MHz刻みにして、13個のチャネルを割り当てている
- 干渉しないチャネルの数：
- 1つのチャネルの周波数幅は、規格上22MHz
- だから、互いに干渉しない独立した周波数帯域で使えるチャネルは、最大3個
- 例えば、「1、6、11」、「2、7、12」、「3、8、13」
- チャネル設定の注意：
- 複数のアクセスポイントを運用する場合は、この点に気を付けて、電波干渉が起きないようにチャネルを設定する
- 隣接チャネルのケース：
- 隣り合うアクセスポイントにチャネル1とチャネル2を設定すると、周波数帯域が重なるので、電波干渉を受ける範囲ができる
- 同一チャネルの場合：
- 同じチャネルでは、無線LANノードは基本的にCSMA/CA方式に従って動くので、機器どうしの干渉は大きな問題にはならない
- 問題になるのは、少しだけずれた隣のチャネルどうし
- チャネルの例え：
- 幅の広いトラック（22MHz）が、5m間隔（5MHz）の線の上を走る。隣の線のトラックとはぶつかるので、5本以上離れた線（25m）を選べばぶつからない
- 11nのチャネルボンディング：
- IEEE 802.11nでは、チャネルボンディングで隣り合う2つのチャネルを束ねることで、2倍以上の伝送速度を実現している
例題（チャネルの干渉）
- 問題：
- 2.4GHz帯で、チャネルの中心周波数は5MHz刻み、1チャネルの幅は22MHzとする。チャネル1とチャネル5、チャネル1とチャネル6は、それぞれ干渉するか
- 考え方：
- 2つのチャネルの中心が22MHz以上離れていれば、帯域が重ならないので干渉しない
- 答え：
- チャネル1とチャネル5は、中心の差が 5MHz × 4 ＝ 20MHz。22MHzより小さいので、干渉する
- チャネル1とチャネル6は、中心の差が 5MHz × 5 ＝ 25MHz。22MHz以上なので、干渉しない
- 検算：
- 1・6・11は、それぞれ25MHzずつ離れていて、13チャネルの中に3つ入る（11 ＋ 5 ＝ 16 は13を超えるので、4つ目は置けない）
② 無線LANの動作モード
| モード | 中身 |
|---|---|
| インフラストラクチャモード | 無線LANノードが、アクセスポイントを介して相互に通信する方式 |
| アドホックモード | アクセスポイントを介さずに、無線LANノードどうしが直接通信する方式 |
- 動作モードの例え：
- インフラストラクチャモードは、交換台（アクセスポイント）を通して話す
- アドホックモードは、近くの人と直接トランシーバーで話す
混同しやすいペア
- IEEE 802.11a ／ IEEE 802.11b
- 11aは、54Mbps、5GHz。11bとの互換性がない
- 11bは、11Mbps、2.4GHz。障害物に強い
- IEEE 802.11a ／ IEEE 802.11g
- どちらも54Mbps
- 11aは5GHz、11gは2.4GHz（11bと上位互換）
- IEEE 802.11n ／ IEEE 802.11ac
- 11n（Wi-Fi 4）は、600Mbps。2.4GHzと5GHzの両方。MIMO
- 11ac（Wi-Fi 5）は、7Gbps。5GHzだけ。MU-MIMO
- IEEE 802.11ac ／ IEEE 802.11ax
- 11ac（Wi-Fi 5）は、7Gbps。5GHz
- 11ax（Wi-Fi 6）は、9.6Gbps。2.4GHzと5GHz。多数が同時に使ってもスループットが落ちにくい
- MIMO ／ MU-MIMO
- MIMOは、複数のアンテナで並行して送る
- MU-MIMOは、一対多の同時通信型のMIMO（複数の端末に同時に送る）
- チャネルボンディング ／ リンクアグリゲーション
- チャネルボンディングは、無線の隣り合うチャネルを束ねる
- リンクアグリゲーションは、有線の複数の物理回線を束ねる
- OFDM ／ TDM
- OFDMは、周波数の違う複数の搬送波で並列に送る（周波数で分ける）
- TDMは、タイムスロットごとに違うデータを送る（時間で分ける）
- SSID ／ ESSID
- どちらも、アクセスポイントに設定するネットワーク識別子（最大32文字）。同じもの
- ステルス機能 ／ ANY接続拒否機能
- ステルス機能は、SSIDの発信（ビーコン）を止める
- ANY接続拒否機能は、SSIDを「ANY」にした接続を拒否し、SSIDが一致したときだけ通信を許可する
- ANY接続 ／ MACアドレスフィルタリング
- ANY接続は、どのノードからの接続も受け入れる
- MACアドレスフィルタリングは、登録したMACアドレスのノードだけを受け入れる
- CSMA/CD ／ CSMA/CA
- CSMA/CDは、衝突検出。有線（イーサネット）。空いていればすぐ送り、衝突したら再送
- CSMA/CAは、衝突回避。無線LAN。必ずランダムに待ってから送り、ACKで受け取りを確かめる
- バックオフ制御時間 ／ 送信抑制時間
- バックオフ制御時間は、CSMA/CAで、送信前に必ず待つランダムな時間
- 送信抑制時間は、CTSに書かれた、他のノードが送信を控える時間
- RTS ／ CTS
- RTSは、ノードからアクセスポイントへの送信リクエスト
- CTSは、アクセスポイントからの送信OK（他のノードへの送信抑制時間も入っている）
- 隠れ端末問題 ／ RTS/CTS
- 隠れ端末問題は、距離や障害物で、互いの送信を感知できずに衝突すること
- RTS/CTSは、それを避けるために、送信前にアクセスポイントと合図をし合う方式
- 同一チャネル ／ 隣接チャネル
- 同一チャネルは、CSMA/CAで順番に送るので、干渉は大きな問題にならない
- 隣接チャネルは、周波数帯域が重なって電波干渉が起きる（1・6・11のように5つ離す）
- インフラストラクチャモード ／ アドホックモード
- インフラストラクチャモードは、アクセスポイントを介して通信する
- アドホックモードは、アクセスポイントを介さず、ノードどうしが直接通信する