無線LANの基本的な仕組みと機能

Network

無線LANに関する基本的な概要をまとめました。

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無線LANの基本用語

無線LANの通信規格

通信規格とはIEEE 802.11により定められた無線LANの規格です。

Wi-Fi(無線LAN)規格最大通信速度周波数帯世代(策定時期)
IEEE 802.11a54Mbps5GHz帯第1世代(1997年)
IEEE 802.11b11Mbps2.4GHz帯第2世代(1999年)
IEEE 802.11g54Mbps2.4GHz帯第3世代(2003年)
IEEE 802.11n(Wi-Fi 4)300Mbps2.4GHz帯/5GHz帯第4世代(2009年)
IEEE 802.11ac(Wi-Fi 5)6.9Gbps5GHz帯第5世代(2013年)
IEEE 802.11ax(Wi-Fi 6)9.6Gbps2.4GHz帯/5GHz帯第6世代(2019年)

2021年現在では、Wi-Fi 4〜Wi-Fi 5辺りが一般的のようです。

無線APやデバイスにより対応する通信規格が異なります。例えば、以下のような機器はWi-Fi 6に適用しています。

Wi-Fi 6に適用しているクライアント端末
  • iPad Pro(第4世代)
  • MacBook Air(Late 2020)
  • iPhone 11

当然、無線LANルータ側もWi-Fi 6に適用している必要がありますが、最近、販売されている無線LANルータには基本的にWi-Fi 6に適用しているはずですが、念の為、購入時に確認しましょう。

無線LANの通信規格は、無線LANルータ、クライアント端末の双方で対応している必要があります。

周波数帯の違い

周波数帯は2.4GHz帯と5GHz帯の2種類があります。Wi-Fi 5は5GHz帯にしか対応していませんでしたが、Wi-Fi 6ではは2.4GHz帯と5GHz帯の両方に適応しています

2.4GHz帯の特徴
  • 障害物に強く通信距離が長い
  • 電子レンジ、Boluetoothなどと電波干渉しやすい
5GHz帯の特徴
  • 同一周波数帯の機器が無いため電波干渉が少ない
  • 障害物に弱く、通信距離が短い

チャネルの違い

周波数ごとに設定できるチャネルが違います。

お互いが干渉しないように適切なチャネルに設定する必要があります。

機種によっては、自動でのチャネル設定機能もありますが、チャネルが切り替わるタイミングで通信断が発生するため、個別で設定する事もあります。

2.4GHz帯のチャネルの特徴
  • 設定可能なチャネルは1ch〜13chまで
  • ただし、1通信に対して4チャネル強を占有してしまう
  • 実質は3チャネル(1、6、11など)までの使用が可能
5GHz帯のチャネルの特徴(3種類)
  • W52
    • 36ch〜48ch(4チャネルずつ増加)の4のチャネルが設定可能
    • 屋内利用で有効なチャネル、屋外利用不可
  • W53
    • 52ch〜64ch(4チャネルずつ増加)の4のチャネルが設定可能
    • 屋外利用不可
    • 気象レーダーと干渉しないよう配慮する必要がある
  • W56
    • 100ch〜140ch(4チャネルずつ増加)の11のチャネルが設定可能
    • 屋外利用が可能なチャネル
    • 気象レーダーと干渉しないよう配慮する必要がある

以下の画像が分かりやすかったです。

SSIDとESSIDの特徴

SSID(Service Set Identifier)の特徴は以下の通りです。

  • 無線APごとに設定する識別子
  • 一つの無線APに複数のSSIDを設定する事も可能(マルチESSID)
  • 無線APとクライアント端末とで同じSSIDを設定する事で無線アクセスが可能
  • 複数の無線APでSSIDを設定したものをESSIDと呼ぶ
  • SSIDごとにネットワーク(VLAN)を割り当てられる
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類似技術との違い

 無線ネットワーク技術に関して、類似技術や機器(製品)の違いを意識する必要があります。

無線LANルータと無線APの違い

無線LANルータと無線APの違い
  • 無線LANルータ
    • ルータ機能とAP機能を搭載
    • 簡易的なファイアウォール機能が搭載されている機種もある
    • 主に家庭内や小規模なオフィス環境で採用されることが多い
  • 無線AP
    • 無線AP機能のみが搭載されている
    • 基本的には別途ルータ等のNW機器が必要になる
    • 比較的、大規模な環境で採用されることが多い
    • 規模拡大による拡張が容易である

Wi-Fi 6と5G(第5世代移動通信システム)の違い

Wi-Fi 6と5G(第5世代移動通信システム)の違い
  • Wi-Fi 6
    • 第6世代のWi-Fi(IEEE802.11)規格
    • 自宅の無線LAN環境や商業施設のフリースポットなど限定されたエリア内で利用
    • 無線ルータ(または無線AP)から端末への
  • 5G(第5世代移動通信システム)
    • 第5世代の高速通信回線
    • 野外(基地局を経由して広範囲の通信)で利用

2021年現在、4大キャリア(ドコモ、au、ソフトバンク、楽天モバイル)以外にも、格安SIM(mineoやUQ mobileなど)でも5Gを利用することができます。

インターネットサービスプロバイダと回線業者の違い

インターネットの環境を構築するにはインターネットサービスプロバイダ(ISP)と回線業者のそれぞれと契約を結ぶ必要がありますが、会社ごとにセット割引などが設けられています。

画像はインターネット光回線比較ナビからの引用です。

主なプロバイダと回線業者には以下のようなものがあります。

運営会社回線業者プロバイダ
ソニーネットワークコミュニケーションズNURO光So-net
ビッグローブ(KDDI完全子会社)ビッグローブ光BIGLOBE
ニフティ(ノジマ完全子会社)@nifty@nifty光
NTTコミュニケーションズOCN光OCN
オプテージ(関西電力連結子会社)eo光eo光
ソフトバンクSoftBank光Yahoo! BB
KDDIauひかり対応プロバイダ多数
NTTドコモドコモ光対応プロバイダ多数

ちなみに僕の自宅のプロバイダーはベイ・コミュニケーションズ(KDDI回線)です。電話料金とあわせて2,000円程の安価なプランです。電話回線を利用したVDSL方式なので回線速度は120Mbps程ですが、現時点で大きな不便は無いため、今後も利用し続ける予定です。

もし今後、より高速な回線が必要になった場合は関西圏を中心にサービスを提供しており、比較的安価(2,000円〜3,000円程)なeo光を利用すると思います。

プロバイダと回線事業者の違い|日本のインターネット事情を簡単解説
フレッツ光やauひかりでは、回線とは別に必ずプロバイダへの申込みが必要になります。特にフレッツ光では料金を2箇所に支払う必要があり支払いが複雑になってしまいます。プロバイダと回線事業者の違いや、プロバイダを選ぶポイントなど詳しく解説します
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セキュリティ設定

 無線APのセキュリティ技術は多岐にわたります。

ただし、SSIDステルスやMACアドレスフィルタリングのような機能単体では全てのセキュリティリスクを排除することはできません。複数のセキュリティ技術を駆使することで、安全性を担保する必要があります。

SSIDステルス機能

 本来、無線APや無線LANルータは自身の管理するSSIDを発信する機能(ビーコン信号)が備わっています。

SSIDステルスが有効化されている環境では、ビーコン信号が発信されないため、SSIDを自動検出することができません。外部の第三者にSSIDを知られてしまうリスクを回避できる一方で、内部の利用者はSSIDを手動で入力する必要があります。

ある程度セキュリティ要件が必要な環境では不正アクセスを防ぐためにSSIDステルスを有効化し、SSIDを隠蔽するのが一般的です。

セパレート機能

無線LANの接続したクライアントPC同士による共有フォルダなどへのアクセスを拒否する機能です。

デフォルトでは無効になっている事が多いですが、セキュリティを考慮すると有効にする必要がある。

無線APごとに細かな仕様が異なり、この機能により周辺機器(プリンタや認証サーバ)などにもアクセスができなくなることもあるため設定方法には注意が必要です。

MACアドレスフィルタリング機能

無線環境への接続を許可する端末のMACアドレスを登録することで、管理者側で検知していない第三者の不審な端末の接続を制御する機能です。

ただし、MACアドレスはツールなどを利用することで変更可能なため、MACアドレスフィルタリングだけではセキュリティとしては不十分です。

暗号化と認証方式

暗号化と認証の違いは以下の通りです。

暗号化と認証の目的の違い
  • 暗号化
    • 盗聴対策が目的
    • 外部の第三者が通信データを解読できないように加工する技術
    • 無線AP(無線ルーター)からクライアント端末までの間を暗号化する
  • 認証
    • 不正利用対策、無線APのなりすまし対策が目的
    • 適切な利用権限を持つ利用者のみがサービスを利用できるようにする技術
    • ID/パスワード認証、MACアドレス認証、証明書認証などの種類がある

暗号化方式には当初から利用しれていたWEP(Wired Equivalent Privacy)とWEPの脆弱性を改善する目的で開発されたWPA(Wi-Fi Protected Access)の2種類があります。

セキュリティ規格暗号化方式備考
WEPWEP(RC4)共通鍵暗号方式、脆弱なため非推奨
WPATKIP(RC4)WEPを改良した比較的セキュリティが強固な暗号化方式
WPA2CCMP(AES)WPAを改良した暗号化方式
脆弱性(KRACKs/クラックス)が発見されている
WPA3CCMP(AES/CNSA)WPA2を改良した最もセキュリティが強固な暗号化方式
脆弱性(Dragonblood/ドラゴンブラッド)が発見されている

認証方式主に以下の2種類がある。

認証方式認証方法備考
パーソナル認証事前共有キー(Pre-Shared Key)主に家庭内で使用
エンタープライズ認証認証サーバ(IEEE802.X)主に企業内で使用

 パーソナル認証はSSIDごとに利用者が同じパスワード(PSK)を利用するため、パスワード(PSK)が漏れてしまったり、社員が退職者した場合、セキュリティリスクが発生します。(適正な利用者以外がパスワード(PSK)を知っている状態になる。)

一方、エンタープライズ認証は認証サーバー(主にRadiusサーバー)を準備し、利用者ごとにアカウント認証を実施します。万が一、パスワードが漏れてしまった場合も無線環境全体に与える影響は少なく、セキュリティ的にはより強固です。

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高速化技術

 無線LANの高速化技術には主に以下のようなものがあります。

  • MU-MIMO(MIMO)
  • ビームフォーミング
  • チャネルボンディング(マルチチャネル)

技術の詳細は以下の通りです。

MU-MIMO 

複数端末との同時通信ができる高速化技術であり、MIMOの弱点を解消した比較的新しい技術です。

MIMOとMU-MIMOの違い
  • MIMO
    • SU-MIMO(Single User Multi-Input Multi-Output)の略称
    • データ送信とデータ受信で複数のアンテナを利用して通信する
    • 複数ユーザーによる同時通信ができないため接続端末が増えると通信速度が低下する
    • IEEE 802.11n(Wi-Fi 4)で取り入れられた技術
  • MU-MIMO
    • MU-MIMO(Multi User Multi-Input Multi-Output)の略称
    • 複数ユーザーによる同時通信が可能なため接続端末が増えても通信速度が低下しない
    • IEEE 802.11ac(Wi-Fi 5)で取り入れられた技術

利用するにはクライアント端末側もMU-MIMOに対応している必要がありますが、2020年以降販売されている製品では基本的に対応しているでしょう。

ビームフォーミング

ビームフォーミングの機能により、基地局(無線AP)とクライアント端末との間での電波干渉を減らし、より遠くまで電波を届けることができます。

従来の無線AP(無線ルータ)では本体からの電波は全方向に対して同じように発信されているため、必要のない部分に対しても電波を届けてしまっていました。ビームフォーミングの機能により、電波を細く絞って、特定の方向に向けて集中的に発射することが可能になります。

ビームフォーミング機能を利用するには、複数のアンテナが必要になるため、MU-MIMOの機能が搭載されていることが前提となります。またクライアント端末側もビームフォーミングに対応している必要がありますが、BUFFALOのビームフォーミングEXのようにクライアント端末側がビームフォーミング未対応でもビームフォーミングが利用できる機能もあります。

[ケータイ用語の基礎知識]第666回:ビームフォーミングとは

チャネルボンディング(マルチチャネル)

複数のチャネルを束ねて一つの通信に使用する高速化技術です。

IEEE 802.11n(Wi-Fi 4)より2チャネルを束ねれるようになり、IEEE 802.11ac(Wi-Fi 5)より4チャネル、8チャネル、16チャネルとより多くのチャネルを束ねれるようになりました。

沢山のチャネルを束ねると、通信速度は高速になりますが、その分、利用可能な帯域幅が減ってしまい、環境次第では通信が不具合になったり通信速度が遅くなったりしてしまいます。

なお、2.4GHzではチャネルボンディングの利用は推奨されていないようです。

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無線LANの電波調査(サイトサーベイ)

無線LANの機器選定、設置場所や設置数を判断するために、サイトサーベイによる現地での情報収集を行います。

まだ、構築後の動作確認としてもサイトサーベイを実施します。

サイトサーベイは専門の業者に依頼することもできますが、専用のソフトウェア(フリーソフトもあり)を利用することで、誰でも簡単に実施できます。

現地を歩きながら電波チェックをすることでヒートマップを作成し、電波の強弱を判断します。

SSID、周波数帯、無線AP(製造ベンダー)ごとに電波チェックを行うことも可能です。

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参考にしたサイト

無線LANの基礎と最新技術動向 - JPNIC
無線LAN設定−無線LAN詳細設定(5GHz)
無線LAN - チャネルとは
無線LAN(WLAN)について解説。
無線LAN基礎知識 | 無線LAN | アライドテレシス
無線LANの規格やセキュリティ、無線ネットワーク構築時のポイントについて基本から解説します
無線LAN規格の違い | IODATA アイ・オー・データ機器
無線LANには、いくつかの規格があります。ほとんどの製品は複数の無線規格をサポートしていますが、お使いのパソコンが対応しているかどうか、無線LAN製品を購入する前に規格を確認しましょう。
無線LAN - BSSIDとESSID
無線LAN(WLAN)について解説。

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