Wi-Fiとは何か

Wi-Fiは、IPベースの**ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN)**を形成することで、機器同士を接続するために開発されたワイヤレス・ネットワーク・プロトコル群です。

Wi-FiはIEEE 802.11ワーキンググループの標準規格ファミリーに基づいており、**プロトコルスタックの物理(PHY)層と媒体アクセス制御(MAC)**層の両方を定義しています。 これらのレイヤーは、無線信号の送受信、データレート、チャンネルアクセス、エラー制御など、無線デバイスの様々な低レベルのオペレーションを管理します。 共通で統一された標準規格に準拠することで、異なるベンダーのデバイス間のシームレスな相互運用性が保証されます。

定義

• ワイヤレス・ローカル・エリア・ネットワーク(WLAN): 限定されたエリア内で無線通信を使用して機器間を結ぶコンピューター・ネットワーク
• 物理(PHY)層: トランシーバーなどで構成されるプロトコル・スタックの最下層
• 媒体アクセス制御(MAC)層: PHYの上に位置し、無線伝送媒体との相互作用を担うハードウェアを制御するプロトコル層

IEEE(米国電気電子学会)が902.11規格を通じてWi-Fiエコシステムの発展を推進する一方、Wi-Fiアライアンスはその他の部分を担当しています。 Wi-Fiアライアンスは、デバイスの認証、異なるベンダー間の相互運用性の確保、およびWi-Fiブランドの世界的な普及を推進することにより、Wi-Fiブランドを育成することを目的とした業界のリーダー団体です。

Wi-Fiの用語

Wi-Fiは、このコースで使用する2つの主要なデバイス・カテゴリーに基づいて構築されています: **アクセスポイント(AP)とステーション(STA)**です。

APはWi-Fiネットワークの中心的なノードとして機能し、ワイヤレス信号をブロードキャストして、他のデバイス(STA)がネットワークにワイヤレスで接続できるようにします。

STAは、IEEE 802.11規格を使用してアクセスするために、APに無線接続してWi-Fiネットワークに参加するデバイスです。 STAの一般的な例としては、携帯電話、タブレット、ノートパソコンなどがあります。 一部の文献では、STAを「802.11プロトコルを使用する機能を持つあらゆるデバイス」と定義しており、APもSTAに分類されることを意味しますが、このコースではこれらの用語は相互に排他的であることに注意してください。

1つまたは複数のSTAがAPに接続してWLANを形成する場合、**インフラ基本サービスセット(BSS)**と呼ばれます。 BSSは、Wi-Fiネットワークについて講義する際に最も一般的なシナリオです。

note

他の種類のサービスセットも存在しますが、本コースの範囲外です。 このようなサービスセットには、STAがAPを介さずに相互に接続する独立基本サービスセット(IBSS)や、複数のBSSが拡張ネットワークを形成し、STAが異なるカバーエリアをローミングできる拡張サービスセット(ESS)があります。

BSSには、接続プロセス中にSTAが使用する名前があります。この名前は**サービスセット識別子(SSID)**と呼ばれます。 SSIDはユーザー定義であり、変更できるため、Wi-Fiネットワークを参照する安全な方法ではありません。 詐欺師が同じSSIDを使用して、意図したAPの代わりにSTAを欺き、そのAPに接続させる可能性があります(邪悪な双子攻撃として知られています)。 このため、BSSはAPのMACアドレスを、**基本サービスセット識別子(BSSID)**として知られる別の識別子として使用します。 これは、同じSSIDを持つ複数のAPが存在する場合に、STAが目的のAPに接続するのに役立ちます。

定義

• アクセスポイント(AP): 優先ネットワークに接続し、無線信号をブロードキャストする装置
• ステーション(STA): ワイヤレスネットワークを接続し、APと通信するデバイス
• インフラ基本サービスセット(BSS): APと1つ以上のSTAを持つWLANの最も基本的な形態
• サービスセット識別子(SSID): Wi-Fiネットワークのユーザー定義名
• 基本サービスセット識別子(BSSID): APのMACアドレス

デバイス接続手順

STAはAPに接続するための手順を開始する責任を負います。 この手順には主に次のステップがあります:

• 発見(Discobery)
• 認証(Authentication)
• アソシエーション(Association)

STAは接続可能なAPがあるかどうかを知る必要があります。 この検出は、アクティブスキャンまたはパッシブスキャンのいずれかを使用して行うことができます。

パッシブスキャンでは、STAは各周波数チャンネルでAPから定期的に送信されるビーコンをリッスンします。 STAは対応するすべてのチャンネルをスキャンした後、スキャン結果リストに記録したすべてのビーコンを入力します。

逆にアクティブスキャンでは、Wi-FiステーションはAPからのビーコンを待たず、代わりにプローブリクエストを送信し、近くに利用可能なAPがないかを探ります。 リクエストはブロードキャスト・アドレスに送信され、範囲内のすべてのAPが受信します。オプションとして、STAは特定のAPのSSIDを含めてプローブすることができます。 このようなプローブはディレクテッドプローブ要求と呼ばれます。

特定のプライバシー対策が実装されていない限り、ブロードキャストされたプローブ要求を聞いているAPは、STAがAPのスキャン結果リストを作成するために使用するプローブ応答を返信します。

検出後、STAはAPとの接続手順を開始することを選択できます。 STAは認証要求を送信し、APは認証応答で応答します。 この認証手順は、使用するセキュリティ方式によって異なることに注意してください。

応答後、STAはアソシエーション要求を送信します。この要求には、サポートされるデータレート、チャンネル、セキュリティプロトコルなど、サポートされる802.11機能が含まれます。 APが接続を受け入れることを選択した場合、APはアソシエーション応答を返送します。

その後、セキュリティが要求されたかどうかに応じて、機器間でセキュリティ手順が実行されます。

802.11でのデータ転送

802.11接続が正常に確立され、デバイスにIPアドレスが付与されると、Wi-Fiネットワークを介してAPとSTA間でデータ転送が可能になります。 Wi-Fiのデータは、一般的にIPパケットを含む802.11フレームで送信されます。 しかし、他のデータプロトコルを使用することもできます。

APは802.11フレームを受信すると、宛先アドレスを精査し、パケットが同じWi-Fiネットワーク内のSTA向けか、インターネット上のリモート機器向けか確認します。 パケットが同じネットワーク上のデバイスを意図している場合、APはそれに従ってパケットをルーティングし、外部デバイスを意図している場合、APはパケットをインターネットにルーティングします。

ブロードキャスト、マルチキャスト、ユニキャスト

Wi-Fiは、ブロードキャスト、マルチキャスト、ユニキャストの3種類のトラフィックをサポートしています。

ユニキャストトラフィックとは、送信者から単一の受信者に送信されるデータストリームのことです。 ユニキャストトラフィックは、一意の宛先アドレスを必要とし、受信者がパケットを確認する必要があるため、最も信頼性の高い送信方法です。 また、最もネットワーク負荷が少なく、遅延が少なく、最も安全なトラフィック形態でもあります。 電子メール交換はユニキャストトラフィックの一般的な例です。

マルチキャストトラフィックとは、特別なマルチキャストアドレスを使用して、送信者から複数の受信者に送信されるデータストリームのことです。 マルチキャスト送信は、同じメッセージを複数の受信者に配信する効率的な方法です。 マルチキャストの一般的な用途は、プリンター、スマートスピーカー、スマートホーム製品など、ネットワーク上のローカルデバイスを検出することです。

ブロードキャストトラフィックとは、一意のブロードキャストアドレスを使用して、APからそのAPに登録されているすべてのSTAに送信されるデータストリームのことです。 この形式のトラフィックは、例えば、APがネットワーク内の特定のパラメータ変更をブロードキャストする必要がある場合など、ネットワークの参加と保守に一般的に使用されます。

複数のデバイスにメッセージを送る場合、各デバイスにユニキャストメッセージを送るか、1回のマルチキャストで送信で送ることができます。 この場合、1回のマルチキャスト送信を使用することで、ネットワーク上のシグナリングとオーバーヘッドトラフィックを減らすこともできます。

ブロードキャスト送信はネットワーク上で最も輻輳(通信が集中すること)を引き起こすため、厳密に必要な場合を除き、制限するのが良い習慣です。

周波数帯とWi-Fi無線チャンネル

802.11規格は、Wi-Fi無線が1GHz未満、2.4GHz、3.65GHz、5GHz、6GHzを含みますが、これらに限定されない複数の周波数帯を使用することを想定しています。 しかし、それぞれの国や地域の規制により、Wi-Fiデバイスが使用できる周波数帯が制限されています。 このため、Wi-Fiデバイスは、一般にISM(Industrial Scientific and Medical)バンドと呼ばれる2.4GHz帯と、より新しい5GHz帯の2つの免許不要周波数帯のいずれかで動作することがほとんどです。

他の多くの無線プロトコルと異なり、Wi-Fiでは周波数ホッピング多重アクセス方式は一般的に使用されません。 そのため、動作させる周波数帯域とRFチャンネルの選択が、優れたシステム性能を確保するための鍵となります。

2.4GHz帯と5GHz帯の違い

2.4GHzのISMバンドは、他の技術も含め、最も一般的に使用されている免許不要の周波数帯域です。 合計14のRFチャンネルがある、それぞれの帯域幅は20Mhzで、5MHzしか離れていません。 2.4GHz帯は100MHzしかないため、14のRFチャンネルはほとんど重複しています。 実際、重複しないチャンネルは、1、6、11の3つのみで、その結果、最も一般的に使用されています。

さらに、チャンネルボンディングは40MHzの帯域幅を利用することを可能にしますが、チャンネルが重なるため、重ならない2つのチャンネルでしか利用できません。

note

正確なチャンネル数は、地域の規制によって異なる場合があります。 例えば、北米では14チャンネルのうち11チャンネルしか視聴できませんが、ヨーロッパでは13チャンネルが視聴できます。

ISMバンドはさまざまな技術に広く使われているため、混雑や干渉に悩まされることもありますが、周波数が低いため、良好な到達距離と障害物への浸透性が得られます。 電波の到達距離と透過性が高いため、広いエリアや電波障害物の多い環境に適しています。5GHz帯は、ISM帯をオフロードするためにWi-Fi機器に指定されています。

5GHz帯はWi-Fi無線にさまざまな利点をもたらします。例えばL

• 5GHz帯は一般的に2.4GHz帯よりも混雑が少ない
• 5GHz帯自体は2.4GHz帯よりも広く、より多くの重複しないRFチャンネルを選択することができる

そのため、高速データ転送が必要な環境や、多くの機器を同時に接続する環境に適しています。 しかし、これは欠点でもあります。 5GHz帯は高い周波数を使用するため、減衰しやすく、障害物に吸収されやすいです。 また、5GHz帯を使用するデバイスは、スループットが高いため消費電力が大きく、信号の減衰が大きくなるためのカバー範囲が狭くなります。

Wi-Fiバンドの選択は、アプリケーションの特定のニーズと環境によって異なります。 長距離通信や障害物への充分な侵入が必要な場合は、2.4GHz帯が適しています。 しかし、高速通信や複数の同時通信を必要とするアプリケーションや、混雑した場所に設置する場合は、5GHz帯が適しています。