無線LANとは？IEEE 802.11・CSMA/CA・RTS/CTS・チャネルを基礎から理解しよう

はじめに

PCやスマートフォンをネットワークへ接続するとき、現在ではWi-Fiを利用することが一般的です。

Wi-Fiのように、電波を利用して構築するLANを、

無線LAN（Wireless LAN）

と呼びます。

有線LANではLANケーブルを利用しますが、無線LANでは電波を利用してデータを送受信します。

有線LAN
PC ─── LANケーブル ─── スイッチ

無線LAN
スマホ ))) 電波 ))) アクセスポイント

今回は、

IEEE 802.11
↓
無線LANへの接続
↓
CSMA/CA
↓
RTS/CTS
↓
チャネル

という流れで見ていきます。

1. IEEE 802.11とは

無線LANの代表的な規格が、

IEEE 802.11

です。

IEEE 802.11には複数の規格があり、利用する周波数帯や通信速度などが異なります。

代表的なものを整理すると、

規格	主な周波数帯	最大通信速度（理論値）
IEEE 802.11a	5GHz	54Mbps
IEEE 802.11b	2.4GHz	11Mbps
IEEE 802.11g	2.4GHz	54Mbps
IEEE 802.11n	2.4GHz / 5GHz	600Mbps
IEEE 802.11ac	5GHz	約6.9Gbps
IEEE 802.11ax	2.4GHz / 5GHz、6GHzにも対応	約9.6Gbps

IEEE 802.11axは、

Wi-Fi 6

として知られています。

6GHz帯を利用する場合は、

Wi-Fi 6E

と呼ばれます。

2. Wi-Fiの世代名

最近では、IEEE 802.11の規格名だけでなく、

IEEE 802.11n
→ Wi-Fi 4

IEEE 802.11ac
→ Wi-Fi 5

IEEE 802.11ax
→ Wi-Fi 6

という分かりやすい世代名も使われています。

さらに新しい、

IEEE 802.11be
→ Wi-Fi 7

もあります。

応用情報ではまず、

無線LANの基本規格 = IEEE 802.11

を押さえておけばOKです。

3. アクセスポイント

無線LANでは、

アクセスポイント（AP：Access Point）

を利用して端末をネットワークへ接続する構成が一般的です。

スマホ ─┐
PC     ─┼ ))) アクセスポイント ─── LAN
タブレット┘

家庭用のWi-Fiルーターでは、

ルーター
+
スイッチ
+
無線LANアクセスポイント

などの機能が1台にまとめられていることがあります。

そのため、

Wi-Fiルーター = アクセスポイントそのもの

とは限りません。

4. SSID

無線LANで重要なのが、

SSID（Service Set Identifier）

です。

SSIDは、

無線LANのネットワークを識別するための名前

です。

スマートフォンでWi-Fi設定を開くと、

Home-WiFi
Office-WiFi
Guest-WiFi

などのネットワーク名が表示されます。

これがSSIDです。

つまり、

SSID
→ どの無線LANに接続するかを識別する名前

と考えればOKです。

5. 無線LANへ接続するまで

では、スマートフォンやPCはどのように無線LANへ接続しているのでしょうか。

大まかな流れは、

① アクセスポイントを発見

② SSIDを確認

③ セキュリティ方式などを確認

④ 接続先を選択

⑤ 認証・暗号化に必要な処理

⑥ 無線LANへ接続

となります。

6. ビーコン信号

アクセスポイントは定期的に、

ビーコン（Beacon）

と呼ばれる管理フレームを送信します。

ビーコンには、無線LANへの接続に必要となるさまざまな情報が含まれています。

端末はビーコンを受信することで、

近くにどのような無線LANが存在するのか

を知ることができます。

アクセスポイント

  ))) ビーコン )))
  ))) ビーコン )))
  ))) ビーコン )))

        ↓

      スマホ

7. SSIDを確認する

端末は取得した情報などを利用して、接続可能な無線LANを確認します。

例えば、

Home-WiFi
Company-WiFi
Guest-WiFi

といったSSIDがWi-Fi一覧に表示されます。

利用者は、その中から接続したいSSIDを選択します。

ビーコンなどから
無線LANを発見
↓
SSIDを確認
↓
接続先を選択

という流れです。

8. 暗号方式を確認する

無線LANでは電波が空間を飛ぶため、セキュリティ対策が重要です。

接続時には、アクセスポイントが対応しているセキュリティ方式などの情報も確認されます。

代表的なものには、

WEP
WPA
WPA2
WPA3

があります。

現在ではWEPは安全性に問題があるため使用すべきではなく、WPA2やWPA3などが利用されています。

大まかな接続イメージは、

ビーコンなどを受信
↓
SSIDを確認
↓
セキュリティ方式を確認
↓
認証などを実施
↓
接続

です。

9. なぜ無線LANにはアクセス制御が必要なのか

無線LANでは、複数の端末が同じ電波の通信環境を共有します。

例えば、

PC       ─┐
スマホ    ─┼ ))) アクセスポイント
タブレット ─┘

複数の端末が同時に送信すると、通信がうまく行えない可能性があります。

そのため、

誰がいつ送信するのか

を制御する必要があります。

そこで利用される代表的な方式が、

CSMA/CA

です。

10. CSMA/CA

**CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）**は、

他の端末が通信していないか確認し、衝突をできるだけ避けてから送信する方式

です。

名前の最後にある、

CA = Collision Avoidance

は、

衝突回避

という意味です。

11. CSMA/CAの基本的な流れ

基本的には、

① 電波の利用状況を確認

        ↓

② 他の端末が通信中なら待つ

        ↓

③ 通信可能になっても
   すぐには送らず待機

        ↓

④ ランダムな待ち時間を利用

        ↓

⑤ データを送信

という流れで通信します。

複数の端末が一斉に送信を開始する可能性を下げることで、衝突を避けます。

12. CSMA/CDとの違い

以前の記事では、有線Ethernetで利用されてきた、

CSMA/CD

が登場しました。

両者は名前が似ていますが、考え方が違います。

CSMA/CD

CD = Collision Detection
→ 衝突を検出する

一方、

CSMA/CA

CA = Collision Avoidance
→ 衝突を回避する

です。

	CSMA/CD	CSMA/CA
主な利用	従来の共有型・半二重Ethernet	無線LAN
CD / CA	Collision Detection	Collision Avoidance
考え方	衝突を検出	衝突をできるだけ回避

無線LANでは、

衝突してから検出するのではなく、できるだけ衝突しないようにする

という考え方が重要です。

13. 隠れ端末問題

無線LANでは、

隠れ端末問題（Hidden Terminal Problem）

が発生することがあります。

例えば、

端末A ))) アクセスポイント ((( 端末B

端末Aと端末Bはどちらもアクセスポイントと通信できます。

しかし、距離や障害物などによって、

端末A ←×→ 端末B

のように、お互いの電波を認識できないことがあります。

すると、

端末A
「誰も通信してないな」

端末B
「誰も通信してないな」

↓
同時に送信
↓
アクセスポイント側で競合

という問題が発生する可能性があります。

14. RTS/CTS

隠れ端末問題への対策として利用できる仕組みが、

RTS/CTS

です。

RTS

RTS（Request To Send）

「データを送信してもいいですか？」

という要求です。

CTS

CTS（Clear To Send）

「送信していいですよ」

という応答です。

15. RTS/CTSの流れ

例えば端末Aがデータを送信したい場合、

端末A             AP

  RTS
   ─────────→
「送っていい？」

            CTS
   ←─────────
          「OK」

  データ
   ─────────→

というやり取りを行います。

周囲の端末もCTSなどを受信することで、

今は別の端末が通信する時間だ

と判断し、送信を控えることができます。

これによって衝突の発生を抑えます。

16. 無線LANのチャネル

無線LANでは、同じ周波数帯の中をさらに分割して利用します。

この分割された通信路を、

チャネル（Channel）

と呼びます。

イメージとしては、高速道路の車線のようなものです。

周波数帯

┌───────────────┐
│ Ch1 │ Ch2 │ Ch3 │ ...
└───────────────┘

複数のアクセスポイントが近くにある場合、チャネルの使い方が重要になります。

17. 2.4GHz帯のチャネル

2.4GHz帯には複数のチャネルがあります。

ただし、隣接するチャネル同士では使用する周波数範囲が重なります。

イメージすると、

Ch1  ─────────
   Ch2  ─────────
      Ch3  ─────────

というような状態です。

近くのアクセスポイント同士で重なりの大きいチャネルを利用すると、干渉によって通信性能が低下する可能性があります。

そのため、チャネル設計では、

できるだけ干渉しにくいチャネルを割り当てる

ことが重要です。

18. チャネル割り当て

例えば複数のアクセスポイントを配置するとします。

AP-A        AP-B        AP-C

すべて同じ、または互いに干渉しやすいチャネルを使用すると、通信が競合しやすくなります。

そこで2.4GHz帯では、利用する帯域幅や地域のルールを踏まえつつ、互いの周波数ができるだけ重ならないようにチャネルを設計します。

代表的な例として20MHz幅では、

Ch1
Ch6
Ch11

のように離れたチャネルを使う構成が知られています。

AP-A
Ch1

      AP-B
      Ch6

            AP-C
            Ch11

こうすることで、近接するアクセスポイント同士の干渉を抑えやすくなります。

19. 5GHz帯

5GHz帯も無線LANで広く利用されています。

2.4GHz帯と比べて、

利用できるチャネルが多く、干渉を避けやすい

という特徴があります。

一方で一般的には、2.4GHz帯と比べると壁などの障害物による影響を受けやすく、電波が届く距離も短くなりやすい傾向があります。

2.4GHz
→ 比較的遠くまで届きやすい
→ 干渉しやすい

5GHz
→ 高速通信に利用しやすい
→ チャネルを確保しやすい
→ 障害物の影響を受けやすい

と整理すると分かりやすいです。

20. 無線LAN接続の全体像

ここまでを、PCがWi-Fiへ接続して通信を始める流れとして整理してみましょう。

アクセスポイント
      ↓
ビーコンなどを利用して
無線LANを発見
      ↓
SSIDを確認
      ↓
セキュリティ方式を確認
      ↓
認証・接続
      ↓
無線LAN通信開始
      ↓
CSMA/CAで
送信タイミングを調整
      ↓
必要に応じて
RTS/CTS
      ↓
設定されたチャネルで通信

これが今回の記事の大きな流れです。

21. まとめ

この記事で覚えること

無線LANの代表的な規格はIEEE 802.11
IEEE 802.11にはa・b・g・n・ac・axなど複数の規格がある
IEEE 802.11axはWi-Fi 6として知られている
SSIDは無線LANを識別するための名前
アクセスポイントはビーコンを定期的に送信する
端末はSSIDやセキュリティ方式などを確認して接続する
無線LANではCSMA/CAによって衝突をできるだけ回避する
CSMA/CDはCollision Detection、CSMA/CAはCollision Avoidance
隠れ端末問題では端末同士がお互いの通信を認識できない場合がある
RTSは送信要求、CTSは送信許可
RTS/CTSは隠れ端末問題による衝突を抑えるために利用できる
無線LANでは周波数帯をチャネルに分けて利用する
近接するアクセスポイントではチャネル干渉を考慮する
2.4GHz帯ではチャネル同士の周波数が重なる場合がある
5GHz帯は2.4GHz帯より利用できるチャネルが多く、干渉を避けやすい

🍯 はちみつメモ

Wi-Fi接続は「APを見つける → SSID・セキュリティを確認 → 接続 → CSMA/CAで譲り合って通信」と考えると分かりやすい。無線LANは衝突を検出するCSMA/CDではなく、衝突をできるだけ避けるCSMA/CA。さらにRTS/CTSやチャネル設計によって、複数端末・複数APが存在する環境でも通信しやすくしている。