Wi-Fiと無線LAN

Wi-Fiは、IEEE 802.11ファミリーの無線LAN規格であり、予測不可能な無線チャネル向けに設計された衝突回避型媒体アクセスプロトコルを使用して、アクセスポイントを介した無線によりデバイスをネットワークに接続することを可能にします。

Definition

無線LANは、デバイスが有線ではなく無線で通信するローカルエリアネットワークであり、Wi-Fiは、その物理層と媒体アクセス制御層を定義するIEEE 802.11規格のセットです。通常、無線ステーションを有線ネットワークに接続するアクセスポイントを中心に構成されます。

Scope

このトピックでは、IEEE 802.11に基づく無線ローカルエリアネットワークについて扱います。具体的には、アクセスポイント、ステーション、および基本サービスセットのアーキテクチャ、デバイスがネットワークに参加するためのアソシエーションプロセス、ランダムバックオフ、肯定応答、および隠れ端末に対処するためのオプションのRTS/CTSハンドシェイクを備えたCSMA/CA媒体アクセスプロトコル、802.11フレーム形式、および標準の速度と帯域の進化についてです。また、無線セキュリティについても概説します。セルラーネットワークおよび詳細な無線工学は対象外です。

Core questions

• 802.11無線LANは、アクセスポイントとステーションを中心にどのように構成されていますか？
• デバイスはどのようにWi-Fiネットワークを発見し、関連付けを行いますか？
• CSMA/CAはどのようにチャネルアクセスを調整し、衝突を回避しますか？
• 肯定応答とRTS/CTSハンドシェイクは、無線エラーと隠れ端末にどのように対処しますか？
• 802.11の速度、帯域、および機能は、標準の世代間でどのように進化しましたか？

Key concepts

• IEEE 802.11 (Wi-Fi)
• アクセスポイントとステーション
• 基本サービスセット (BSS)
• ビーコン、スキャン、およびアソシエーション
• CSMA/CA
• ランダムバックオフ
• リンク層の肯定応答
• RTS/CTSハンドシェイク
• 802.11フレーム形式
• 無線セキュリティ (WPA)

Key theories

インフラストラクチャアーキテクチャとアソシエーション

ほとんどのWi-Fiネットワークはインフラストラクチャモードであり、ステーションはアクセスポイントと関連付けを行い、ビーコンフレームを介してアクセスポイントを発見し、認証および関連付けを行うことで基本サービスセットに参加した後、アクセスポイントが有線ネットワークとの間でトラフィックを中継します。

CSMA/CA媒体アクセス

802.11は、衝突回避機能付きキャリアセンス多重アクセスを使用します。無線リンク上では送信中に衝突を確実に検出できないため、ステーションはチャネルを検知し、ランダムなバックオフ間隔を待機し、リンク層の肯定応答に依存します。

隠れ端末のためのRTS/CTS

オプションのRequest-To-Send / Clear-To-Send交換は、データフレームの前にチャネルを予約します。これにより、送信者からは隠れているが受信者の範囲内にあるステーションは、送信を延期することを学習し、隠れ端末問題を軽減します。

Clinical relevance

Wi-Fiは、屋内でデバイスがローカルネットワークやインターネットに接続するための主要な手段であり、家庭、オフィス、学校、公共のホットスポットで利用されています。そのアクセスメカニズム、アソシエーションプロセス、帯域およびチャネル構造を理解することは、無線接続の遅延や不安定性の診断、アクセスポイントの配置とチャネル割り当ての計画、不正アクセスや盗聴に対する無線ネットワークのセキュリティ確保のために不可欠です。

History

最初のIEEE 802.11規格は1997年に登場し、その後、速度を向上させ、複数のアンテナなどの帯域と技術を追加した広く採用された世代（802.11b、a、g、n、ac、ax）が続きました。Wi-Fi Allianceは相互運用性を認証し、Wi-Fiブランドを普及させ、無線セキュリティは脆弱なWEPからWPA、WPA2/WPA3へと進化し、Wi-Fiは世界中でデフォルトのローカル無線技術となりました。

Key figures

• Andrew S. Tanenbaum
• James F. Kurose
• Keith W. Ross

Seminal works

• kurose2021
• ieee80211-2020

Frequently asked questions

Wi-Fiはインターネットと同じですか？

いいえ。Wi-Fiは、デバイスをローカルネットワークに接続するための無線リンク技術であり、通常はアクセスポイントを介して接続されます。そのネットワークは、別の有線またはセルラーリンクによってインターネットに接続されます。インターネットアクセスなしでWi-Fiを利用することも、Wi-Fiなしでインターネットアクセスを利用することも可能です。

Wi-Fiが衝突検出ではなく衝突回避を使用するのはなぜですか？

無線送信機は、通常、送信中に衝突を検出することができません。これは、自身の信号が他のどの信号よりもはるかに強いためであり、また、隠れ端末は送信機が聞こえない場所で衝突する可能性があるためです。そのため、802.11は、有線イーサネットが送信中に衝突を検出するのとは異なり、キャリアセンス、ランダムバックオフ、肯定応答、およびオプションのRTS/CTSを使用して事前に衝突を回避します。