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無線LAN

学習のポイント

家庭やオフィス内での無線LANの仕組み、プロトコル(方式)、セキュリティについて学習します。なお、携帯電話などのモバイル環境での無線通信に関しては、「無線通信」で取り扱います。

キーワード

無線LAN、無線LANルータ、親機、子機、アクセスポイント、アドホックモード、インフラストラクチャモード、SSID、ESSID、周波数帯、ゾーン、チャネル、2.4GHz帯、5GHz帯、電波干渉、通過性、チャネルボンディング、MIMO、CSMA/CA、周波数ホッピング方式、ハンドオーバー、IEEE802.11、WiMAX、Wi-Fi、ホットスポット、モバイルWi-Fi、テザリング、テザリング、Bluetooth、NFC、IrDA


無線LAN

無線LANとは、無線により構内通信網を構成する技術です。自宅やオフィスでパソコンや携帯電話など(無線端末)を無線LANサーバ(アクセスポイント)と無線で接続してLANを構成して、端末同士で通信したり、端末から無線LANサーバを介してインターネットに接続したりします。
 ケーブル配線が不要になるので、すっきりするだけでなく、端末の置き場所を変えたり移動したりできるので、小規模屋内LANは無線LANにするのが一般的になってきました。

Wi-Fi
Wi-Fi(wireless fidelity)とは、Wi-Fi Allianceによって認定された、無線LAN(無線機器間の相互接続性)の規格群(IEEE 802.11)および規格準拠を認証された製品のことです。現在では、ほとんどの無線接続がWi-Fi規格に準拠しています。それで、一般に無線LANのことをWi-Fiということが多くなりました。
WiMAX
無線端末から直接に無線基地局へ接続する規約・機能です。LTEなどのようにモバイル環境でも利用されますが、そもそもは固定端末から無線基地局に接続してインターネットを利用することを目的としていました。
3G、LTE
これらは、モバイル環境で携帯電話やパソコンから無線基地局を介して、電話やインターネットを利用するときの規約です。これに関しては「無線通信」で扱います。
セキュリティ
無線は電波が四方に広がりますので、有線環境とは異なるセキュリティ対策が必要になります。これに関しては「無線セキュリティ」で扱います。

無線LANの仕組み

親機と子機の構成

無線LANでは、パソコン側の無線子機と無線LANルータ(無線親機、アクセスポイントともいう)の間を無線で接続します。
 子機はUSBでパソコンと接続しますが、ノートパソコン、タブレット、携帯電話(スマートフォン)などでは内蔵されているのが通常です。
 無線LANルータも同様に、アンテナが外から見えるものと、ルータに内蔵されているタイプがあります。アンテナ本数が少ないものは内蔵タイプが多いようです。
 通常の無線LANルータは、ケーブル接続のルータ機能やインターネット接続機能なども持っています。

図では、アンテナがルータに一体化していますが、ルータから延長ケーブルで他の場所に設置することもできます。
 また、複数の無線LANルータと無線子機の間に無線LAN中継器を設置して、無線到達距離を伸ばすこともできます。
 このように無線LANルータから離れて電波を受ける機能だけに限定してアクセスポイントというこもあります。この場合、アクセスポイントは、リピートハブあるいはブリッジの機能になります。

無線LANの形態

子機・親機の接続

SSID
無線LANでは、他の無線との混線を避けるため、不正なアクセスを防ぐため、無線LANルータとパソコンの間のネットワークに名前をつけ、それが一致しないパソコンとは通信しない仕組みがあります。その名前(識別名、最大32文字までの英数字)や仕組みをSSID(Service Set IDentifier)といいます。IEEE 802.11で規定されています。
無線LANルータにはメーカーが設定したSSIDがありますが、設置時に利用者が変更できます。
パソコンから無線LANルータに接続しようとすると、受信している電波のSSIDが表示されます。通常は最寄りのSSIDがデフォルトで選択されます。
ESSID
ESSID(Extended SSID)とは、SSIDを複数の無線LANが存在するESS環境でも使えるよう拡張したものです。
無線LANでは、パソコンを他の場所に移動しても接続できる長所があります。同一アクセスポイントの電波が届く範囲(BSS環境)ならば自由に移動できます。他のアクセスポイントの場所(ESS環境)に移動するするときには、自動的に接続を切り替える処理(ハンドオーバー、ローミングともいう)が必要です。同じESSIDをもつアクセスポイント間でないとハンドオーバーできません。
MACアドレス
SSID/ESSIDにより接続すると、アクセスポイントはパソコンのMACアドレスを取得してパソコンを特定します。それにより同一アクセスポイントに接続されているパソコン間での混線が防げます。

無線と周波数

周波数帯

  • 無線局免許は不要
    無線による発信をする設備を無線局といい、無線局を開設・運営するには、原則として無線法による免許が必要ですし、使える周波数帯が定められています。
    しかし、無線LANに使用される電波は弱く、実質の有効距離は屋内で50m、屋外で100m程度です。しかも、周波数帯が厳格に規格化されています。そのため、無線LANでの利用のほとんどは無線局免許は不要です。
  • 周波数割り当て
    無線通信では、親機と子機が同じ周波数で通信します。いくつもの通信機器が同じ周波数帯(Frequency band、バンドともいう)を用いたら混信してしまいます。そのため、無線LANは2.4GHz/5GHz帯、地デジは470MHz~770MHzというように用途により細かく規定されています。
  • チャネル
    無線LANでは、割り付けられた周波数帯(例えば2.4GHz帯)を5MHz間隔のチャネル(ch)と呼ぶ周波数帯に分割します。そして、アクセスポイントが近傍に複数あるときは。電波干渉を防ぐために、アクセスポイントごとに異なるチャネルを使用するように設定します。

無線LANの特性(2.4GHz帯と5GHz帯の違い)

無線LANでは、以前から2.4GHz帯が使用されてきましたが、利用の増加により 5GHz帯も使用するようになりました。現在では、両方の帯域をサポートする機器が普及してきました。。
 親機である無線ルータは、2.4GHzと5GHzを同時に発信できますが、パソコンなどの子機は、両方の帯域をサポートしていても、同時には一方の帯域にしか接続できません(SSIDの選択)。
 両者の違いを列挙します。

  • 伝送速度
    2.4GHz帯は、IEEE 802.11b/g/の規格で、高速のgでも600Mbpsですが、5GHz帯のIEEE 802.11acでは5Gbpsの高速です。しかし、これらの値はベストエフォート(理想的)値であり、実環境ではかなり低い値になります。
  • チャネル数
    2.4GHz:13チャネルがありますが、チャネル幅が狭く(5MHz)、チャネル間で重なるので、ひとつのチャネルを中心周波数として選び、左右のチャネルも使います。そのため、同一地域で同時に使えるチャネルはかなり少なくなります。
    5GHz:19チャネルあり、チャネル幅が広く(20MHz)、チャネル間の重なりもありません
  • 電波干渉
    電波干渉とは、他機器との周波数が重なることによるノイズの発生です。接続できない、通信速度が遅いなどの現象になります。
    2.4GHz帯は、電子レンジ、コードレス電話、無線のマウス・キーボード、Bluetoothなど多くの家電機器・情報機器でも使用されるので、電波干渉が起きやすくなります。
    5GHz帯は、無線LAN以外ではほとんど使用されない帯域なので、電波干渉が起きにくく安定した通信が可能です。
  • 通過性
    電波は壁や床などの障害物があると減衰します。障害物を通り抜ける性質を通過性といいます。周波数が高くなると通過性が弱くなります。そのため、パソコンとアクセスポイントの位置が、遠く離れた部屋に設置されていたり、コンクリートの壁や床があったりするときは、2.4GHz帯のほうが適しています。

無線LANの高速化

  • チャネルボンディング
    複数の通信チャネルをまとめて一つの通信に使用することで通信の高速化を図る技術のことです。 チャネルを複数使用すれば帯域幅が広がるので、より多くのデータを一度に送信でき、通信を高速化できます。
  • MIMO(multiple-input and multiple-output)
    複数アンテナを利用して高速化する技術です。無線LANルータの仕様に4×4とある場合、4ストリームといい、送信アンテナ数が4本、受信アンテナ数が4本搭載されていることを示しています。これらのアンテナは異なる周波数で受発信するので、4台のパソコンを同時に使っても衝突が起こることがありません。それ以上のパソコンを接続すると、1つのストリームに複数のパソコンからのパケットが相乗りするので、実効速度が低下することがあります。

CSMA/CA

CSMA/CA(CSMA Collision Avoidance:搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式)は、IEEE802.11のプロトコルで、有線LANのイーサーネットでの、CSMA/CDに相当する衝突に関する制御方式です。

無線送信をすることは、送信する周波数を伝送中占有することになります。通常は占有する順序は早い者勝ちで、DCF(Distributed Coordination Function)といいます。次のルールで衝突を回避します。

  • 送信する周波数と同じ電波が流れていなければ送信できるのですが、確認のためにDIPS(DCF Inter Frame Space)という時間だけ待ちます。
    これが必要なのは、処理性能が遅く、すぐにフレーム送信できない機器では送信準備期間が必要だからです。
  • さらに、ランダムバックオフというランダムな時間を待機します。他の利用者との公平を保つためです。
  • DIPS+ランダムバックオフの後で再度検出をします。検出されなければ、送信できます。
    検出したら、最初からやり直します。

受信側(アクセスポイント)からは交信可能だとの確認フレーム(Ack)を返送します。このときは、DIPSよりも短いSIFS(Short Inter Frame Space)だけ待ち、ランダムバックオフなして送信します。これにより、Ackは他のフレームより優先して送信されます。

(注)無線LAN以外の無線通信機器にはCSMA/CA機能をもっていません。Bluetoothや電子レンジなどが同じ周波数帯を使っていると、勝手に送信するので、無線LANだけが(不当に?)待たされてしまいます。

CSMA/CA with RTS/CTS

無線LANでは、電波を通しにくい遮蔽物があると、端末があるのに信号が流れていないと判断して通信しようとして衝突することがあります。これを「隠れ端末問題」といいます。それを回避するのがRTS/CTS方式です。
 データ送信が同時に発生しないように、端末からアクセスポイントに送信許可を求めることをRTS(Request To Send)、アクセスポイントからの送信許可をCTS(Clear to Send)といいます。これを行うことにより、隠れ端末があっても、その間は待つことにより衝突を回避します。

衝突以外の制御方式

周波数ホッピング方式

周波数選択の方式です。極めて短かい時間(0.1秒程度が多い)ごとに周波数を変更することにより、ノイズの少ない周波数を選択したり、ノイズが発生時に他の周波数で通信したデータによって訂正できる方式です。
 耐障害性が高く、通信の秘匿性も優れているが、伝送速度の面では劣ります。多対多の大規模通信に適しています。

ハンドオーバー

同じアクセスポイントの領域なら、パソコンを自由に移動できます。
 異なるアクセスポイント領域に移動するときをハンドオーバーといいます。SSIDが同じならば、自動的にチャネルが変更され、利用者が意識することなく、作業を続けることができます。
 異なるSSIDのアクセスポイント領域に移動するときは、新しいSSIDに切り替える必要があります。パソコンに利用できるSSID群が表示されるので、それから該当するSSIDを選択します。これを自動的に行う機能もあります。


無線LANの規格

標準規格 IEEE 802.11

IEEE 802.11は、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers、米国電気電子技術者協会)が策定した無線LAN関連の規格で、多くの無線機器はこれに準拠しています。

 周波数帯最大伝送速度
IEEE 802.11b2.4~2.5GHz11Mbps
IEEE 802.11g2.4~2.5GHz54Mbps
IEEE 802.11n2.4~2.5GHz600Mbps
IEEE 802.11ac5GHz5Gbps
  • IEEE 802.11b
    1997年に策定された規格。現在ではほとんと使われていません。
  • IEEE 802.11g
    IEEE 802.11bと同一周波数を用い、上位互換性を保ちつつ、高速化を実現した規格。
  • IEEE 802.11n
    2009年に策定され、2.4/5GHzの2つの周波数帯を使用でき、MIMO技術などにより最大600Mbpsの伝送速度を実現
    ・MIMO(Multiple Input Multiple Output)複数のアンテナを同時に使用して1つのデータストリームを分割、多重化して同時に送受信することで単位時間あたりのデータ送受信量を増加させる技術
  • IEEE 802.11ac
    2014年に規格化され、現在の主流になってきました。nの方式を引き継ぎながら理論的には最大で6.9Gbps。
  • 将来規格
    11ad、11ay、IEEE 802.15.3eなどが検討されています。30GHz〜300GHzのミリ波帯を使い、100Gbpsもの高速になるといわれています。

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)

WiMAXは、異なる機器間での相互接続性確保を目的とした業界団体の名称ですが、そこで策定された無線通信規格(IEEE 802.16に準拠)もWiMAXといい、その認証を得た通信機器をWiMAX準拠といいます。WiMAX準拠の機器間では通信できることが保証されます。
 WiMAXは、高速ブロードバンドの末端部分の規格として主にデータ通信に利用されます。当初は家庭やオフィスでの固定中距離通信を対象にしていました。ADSLやFTTHのような工事は不要で、WiMAXだけでインターネットを利用できることが注目されました。
 その後、広帯域の無線データ通信サービスとして、モバイル環境での利用も普及しました。それをモバイルWiMAXといいます。

Wi-Fi(Wireless Fidelity)

家庭内や職場内で、無線LANが普及してきましたが、Wi-Fiはその代表的な規格です。
 WiMAXやLTEが長距離の基地局と通信する通信規格なのに対して、Wi-Fiは数m~数十mの距離にある無線LANのルータとの接続規格です。
 無線通信の国際標準規格にIEEE 802.11規格があります。Wi-Fiとは、無線を利用する機器がIEEE 802.11規格に準拠しており相互接続ができることを、業界団体Wi-Fi Allianceが認めたことを示す名称です。Wi-Fi認証機器間では標準化された通信方式ができます。その通信方式がWi-Fiですが、近年はほとんどの機器がこの方式になっているので、無線LANの同義語とされることが多いです。

ホットスポットとモバイルWi-Fi
Wi-Fiによる標準化が進んできたため、街中にWi-Fi対応の無線LANルータ(アクセスポイント)を設置することにより、その付近からモバイル機器をインターネットに接続できます。すなわち、家庭やオフィスでの無線LANを公衆化したものです。その接続ができる場所のことを、ホットスポットといいます。
 ・インターネットプロバイダなどの商業目的で街中に設置したもの
  自治体などが住民や観光客の便宜のために設置することも多い
 ・公共施設、駅や空港、ホテル、飲食店、コンビニなどが、利用者向けに公開したもの
  近年は、電車や航空機など高速移動体内でも利用できるようになってきた
 このような環境でWi-Fiを利用することをモバイルWi-Fiといいます。

このようにどこでもインターネットが利用できるのは便利なことですが、多くのホットスポットはセキュリティ対策が不十分な状況です。

  • SSIDステレス化がされていないので、正規の利用者以外に端末からホットスポットに侵入されやすい。
  • プライバシセパレータ機能を付けていないので、同一ホットスポットに接続している子機同士での通信ができてしまいます。それで、通信内容や端末内容を知られたり、ウイルスを送り込まれたりすることがあります。
テザリング(tethering)
ホットスポット以外のモバイル環境で、モバイル端末機能のないパソコンなどからインターネットを利用したいときに役立つ機能です。
パソコンとスマートフォンなどのモバイル端末をUSBケーブルや無線LANで接続し、スマートフォンをモバイルルータのように利用してインターネットに接続します。

その他の無線通信

Bluetooth
数m程度の短距離では数百kbpsの低速な無線通信技術。パソコンとマウスやイヤホンなどの周辺機器、家電機器などとの通信に利用されます。
Bluetooth搭載端末同士が通信できるエリアをピコネットといい、ピコネットには必ず1つのマスタ端末(パソコンなどが親機に相当)が存在し、7個以下のスレーブ端末(周辺機器などが子機に相当)との間で1対nの通信を行います。
Bluetoothでは、ピコネットに存在するスレーブ端末を自動認識して通信できるのが特徴です。
2.4GHZ帯を79個の周波数チャネルに分け、システムとの干渉の影響を抑えるために、周波数チャネルをランダムに切替えて通信を行う周波数ホッピング方式を採用しています。マスタ端末とスレーブ端末間の通信は同一周波数で時間をスロットに分けて切り替えます。
無線ICタグ
RFID(Radio Frequency Identification)といいます。SuicaなどのICカードや商品ICタグなどの無線ICタグが広く普及しています。ICタグが子機に相当し、その情報を読み書きするリーダ/ライタが親機に相当します。
ICタグが使用する周波数帯はISO/IECで割り当てられています。
・長波(135kHz以下):超短距離用(最大 約30cm)。水や金属の影響を受けにくく生産現場や回転すしなどで利用
・短波(13.56MHz):短距離用(最大 約60cm)Suicaなどの非接触ICカードに利用
・マイクロ波(2.45GHz):中距離用(最大 約1.5m)商品タグやコンテナ管理などで利用
・UHF(95.2-95.4MHz):長距離用(最大 約4m)ロケーション管理など物流分野で利用
参照:(用途からの説明)RFID
NFC(Near Field Communication)
通信距離が数cm~20cm程度に限定された近距離通信です。
非接触型ICカードの技術を応用したもので、スマートフォンなど、この機能を搭載した機器をかざすだけの簡単な動作でデータ通信ができます。
IrDA(Infrared Data Association)
赤外線を使った無線通信。通信可能範囲は30cm~2m程度。見えない間では通信できないことがあります。