無線LAN

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

  1. 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
  2. SSIDの確認:
    • 同じSSIDかを確かめる
  3. 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

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