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カテゴリ:7.リンク層(L1,L2) > 7.12 無線LAN(基礎)

無線LANは覚える用語がたくさんあり、目に見えない仕組みであるため、難しい内容です。

ですが、問われるのは”基礎”だけです。
基礎中の基礎さえ覚えておけば、合格点に達することができます。
3
無線LANは有線LANに比べてセキュリティにキをつける必要があると聞いています。
それはなぜでしょうか?
有線LANの場合は物理的に接続されているものとしか通信ができないが、無線LANであれば電波が届く範囲であれば誰でも通信できる可能性があるからです。
また、盗聴されていることにも気付きにくいという欠点もあります。

IPAからは次のように述べられていますので、参考にしてください。
「無線LANのセキュリティ対策の重要性」

電波の届く範囲なら壁などの障害物を超えてどこでも通信が可能という便利さを備えています。しかし、その便利さとは裏腹に、悪意ある者から不正アクセスの対象として狙われ易い環境とも言えます。しかも、電波という、目に見えない通信経路を使うということは、侵入されていることさえも気付きにくいため、大きな脅威となります。(http://www.ipa.go.jp/security/ciadr/wirelesslan.htmlより引用)


皆さんになじみ深いスマートフォンで無線LANの接続をしてみよう。
1
WPS接続
2
既に、APから(今回はEM)電波が出ている。
WPSが使えるので、それで接続しよう
接続開始
3

設定方法を「WPSプッシュボタン方式」にして
「接続」ボタンを押す
無線AP側でWPSボタンを押す4

すると、無線APと端末(スマートフォン)との間で、各種設定がやりとりされる。
これで、設定が完了。
5これで、設定が完了。
めちゃくちゃ便利だ。
設定確認
6
設定を見てみると、
WPA/WPA2の暗号方式で、PSKによる認証がなされている。
PSKに関しては、無線AP側で設定されたものが設定される。
IPアドレスはDHCPから割り当てられている。
無線LANを使って共有コンピュータにアクセス
7「ES ファイルエクスプローラー」のアプリを使ってLAN上のコンピュータに接続しよう
確認画面
8 
これがファイル共有画面。
LANとして接続されているのが分かる。
非常に簡単なボタンでの設定であったが、実際には、無線LANで必要な設定が全てなされている。
端末側では、SSIDなどの無線LANの設定だけでなく、暗号方式、認証方式だ。

女性直立
無線LANの用語をいくつか紹介します。

◆Wi-Fi(Wireless Fidelity)
 無線LANの相互通信性を確保する為に、業界団体によって決められた基準を満たすものをWi-Fiアライアンスとして認定する。
◆ビーコン(beacon)信号
 APからクライアントに対して自分の存在を通知する信号。このビーコン信号によって、APとクライアントが接続しやすくなる。多くのAPの初期設定では、ビーコン信号の中にSSIDを含めているので、セキュリティ対策としてはSSIDを含めないようにするべきである。→というのは過去のことです。隠してもパケットキャプチャをすれば分かってしまうので、わざわざこの設定をする必要はありません。むしろ、端末側に負担をかけてタブレットであれば電池の消耗を早めたりするので、やめておいた方がいいでしょう。

皆さんのPCでも、無線LANに接続する際、接続可能な無線LANがいくつか表示されると思います(以下の図参照)。これらの情報は、ビーコン信号によってAPからPCに通知されます。
aaa


◆そもそも電波とは?
電磁波とは、、、これは難しいんですが、電界と磁界によって発生する波。電界は電気、磁界は磁石。
電磁波は波長によって大きく以下に分けられる。
←短い   波長   長い→
γ線、X線  光   電波
光は、紫外線、可視光線、赤外線に分類される。
X線はレントゲンである。波長が極端に短いので、繊維の間をすり抜けてレントゲン写真をとることができる。
電波についても別途書くつもり。電波という表現が微妙であるが、通信用の電磁波を電波と言っている感がある。電波はテレビ、ラジオ、携帯電話、無線LANで利用される。

◆インフラストラクチャモードとアドホックモード
アドホック(ad hoc)とは、「暫定的な」という意味。インフラストラクチャモードに比べて暫定的な無線LANである。具体的には、無線LAN端末同士がAPを介さずに直接通信をするモードである。例えば、場所的に配線ができない1パソコンのために、無線LANアダプタを付けて、通信をさせることなど。
一方、インフラストラクチャ(infrastructure)は基盤を意味する。アドホックモードに比べて、APを構築してしっかりとした無線LANネットワークを作る。
通常の無線LANといえば、ほとんどがこれである。

◆OFDM
OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)とは、「直交周波数分割多重方式」のこと。OFDMは、802.11a/gで利用される。従来の802.11bでは、DSSS/CCKの変調方式であった。
過去問(H24秋午前玉2)では、「高速無線通信で使われている多重化方式であり,データ通信を複数のサブキャリアに分割し,各サブキャリアが互いに干渉しないように配置する方式」と述べられている。

補足する。複数のサブキャリアに分けて、同時に通信することで、高速化できる。これはなんとなく分かるであろう。そのときに問題となるのが干渉である。隣合うサブキャリアは、周波数が近いので干渉する。そこで、隣合うサブキャリアを直交(Orthogonal)させることで、干渉しないようにするらしい。直交の仕組みがイマイチよく分かっていないが、イメージとしてはそんな感じだ。

◆過去問より
過去問(H29秋NW午後玉2)では、無線LANの用語に関して、「無線LANのアクセス制御方式」としてまとめられています。
方式 機能
SSID (又はESSID) 無線LANアクセスポイントの識別子によって制御する機能
 [ c:any ]接続拒否  SSIDが空白又は [ c:any ]での接続要求を拒否する機能
SSID 隠蔽 ビーコン信号にSSIDを含めない機能
MACアドレスフィルタリング                     送信元MACアドレスによって,無線LANアクセスポイントに対するクライアントのアクセスを制御する機能
IEEE 802.1X認証 RADIUSサーバを利用するなどしたクライアント認証機能

女性直立(1)SSIDとは
SSIDは無線LANを識別する識別子。
ではなぜ、識別する必要があるのか?それは、複数のネットワークが混在する場合、有線では物理的に分離されるが、無線は分離されないからである。SSIDを使うことで、複数のネットワークで混信しないようにする。
(2)BSS IDとは
BSS IDのBはBasicです。つまり、基本的なSSIDを意味する。
基本というのは何を意味しているかというと、単純な無線LANネットワーク。
アドホックモード(端末間)の通信か、AP1台の通信がこれにあたる。(端末は複数台あってよい)

AP1台の通信の場合、BSS IDはAPのMACアドレスになることが多い。
BSS IDを設定する例としては、1台のAPとしか接続させたくない場合がある。

(3)ESS ID
・一般的にSSIDといえば、ESS IDのことです。
・ESS IDのEはExtended(拡張)を意味する。
・AP1台のような単純なネットワークではなく、BSS IDでまとめられるネットワークを複数束ねたネットワークである。BSS IDはAPが1台であるため、APのMACアドレスを利用すればよかったが、ESS IDはAPが複数あるため、利用者が設定する必要がある。ESS IDを設定することで、自分が接続するAP(またはネットワーク)を設定できる。
・過去問では、ESS-IDの説明として、「最大32文字の英数字で表されるネットワーク識別子であり、接続するアクセスポイントの選択に用いられる(H18NW午前 問38)。」と述べている。
・ESS IDを設定すると、ローミングが可能となる。ローミングとは、複数のAP間の切り替えである。たとえば、接続しているAPに障害が起こった場合、同じESS IDをもつ別のAPに自動で切り替わる。また、別フロアに移動した場合、別フロアのAPに自動で切り替わる。
・さらに、ESS IDを利用して、無線の通信をVLAN対応が可能になる。もちろん、無線APがVLANに対応している必要がある。この仕組みというか機能は過去問で問われており、「通信をESS IDごとにVLANと対応付ける機能(H21午後1問1)」と書かれてある。
ネットワークスペシャリスト_SSID

IEEE802.11bと11g、11aの特徴、違い
特徴と違いを覚えましょう。
利用シーンを思い浮かべたり、実際に利用したいすると理解が深まります。

11aと11bの利用シーンは、事務所と工場に分けられると思っていいでしょう。
11aがなぜ事務所か。
理由は高速だから。同じ54Mbpsであっても、実効スループットは11gに比べて11aのほうが格段に高速です。
11gがなぜ工場か。
工場は事務所と違い、距離が長い。よって距離が遠くまで届く11b/gを利用することが多い。
※ただし、工場の精密機器と干渉を防ぐため、11aを意図的に導入している会社もあります。
項目周波
数帯
最大
速度
屋外障害物干渉距離利用
シーン
11b2.4GHz11Mbps透過
しやすい
ISMバンド
の電子レン
ジ等の影響
とても
長い
工場
11g54Mbps長い
11a5.2GHz54Mbps
(実測も
速い)
×しにくい少ない短い事務所
・11aは5.2GHz帯を用いて54Mbpsの速度である。52と54で違うので覚えにくい。
・11gと11aでは変調方式を11bとは違う方式のOFDMを利用している。これが高速化につながっている。

干渉
11b/gで利用される2.4GHz帯はISMバンドと呼ばれる。ISM とはIndustry(産業)Science(科学)Medical(医療)の頭文字であり、産業科学医療の分野にて許可なく自由に使える帯域である。よって、電子レンジや工場の機械でも利用されるため、干渉が起こる可能性がある。家で電子レンジを使いだすと無線が使えなくなった経験がある人もいるだろう。

異機種の混在
女性ハテナ 

APが11g、パソコンの無線LANカードが11bという異なる規格の場合、通信はできますか?
・11gは11bの規格の後継であり、11bの規格を包括している。よって、相互通信が可能である。上記の場合も可能。ただ、11gは変調方式がOFDMで11bはCCKと異なるため、相手に合わせて方式を変えながら通信する。
・11b/gと11aの規格は互換性がなく、相互通信は不可能。
女性腕組み 

でも、最近のカードはa/b/g対応になっており、いずれの規格でも通信できています。ということは、技術の進歩で相互接続ができるようになったのでは?
いや、技術的な違いで、変換すればいいというものではない。そもそも、11gと11aは電波の周波数が2.4Gと5Gで違うため、相互接続はできない。ただ、デュアルバンド対応のデバイスにより、a/b/gのすべての規格に対応しているため、相互接続が可能である。まt、a/b/gの切り替えがスムーズに行われ、利用者は規格を意識せずに利用できる。

802.11n
MIMO(Multiple Input Multiple Output)やチャネルボンディングなどの複数の技術を組み合わせて高速化する。MIMOはアンテナを複数に束ねて高速化する。チャネルボンディングはチャンネルを複数に束ねて高速化する。
女性目閉じる

たしかに、束ねたほうが高速化するのは当然だと思います。
でも、電波干渉はしないのですか?
そう。電波干渉はする。だから、チャンネルボンディングをすると、使用できるチャンネル数が減る。11b/gであれば、3チャンネルではなくて2チャンネルしか利用できない。
また、11nの規格上の最大は600Mbps。しかし、対応していない機器がほとんどで、多くは150Mのはず。H24.6月時点では、たしか600Mの製品はない。

過去問(H25年NW秋午後玉1)より
〔無線LANの調査と導入検討〕
 J君は,まず,無線LANの特徴とセキュリティ上の問題点を調査した。
無線LANの最初の標準規格IEEE[ ウ  ]は,物理レイヤとMACレイヤの規格で構成され,その規格中には,次に示す認証と暗号化方式が標準化されている。
(1)認証
  .ープンシステム認証
 本認証は,アクセスポイント(以下.  APという)での端末認証が,実質的には行われない。
 ◆ゞν鍵認証
 本認証は,  MNが,  APと共有するWEPキーを使用して,  APから受信した乱数を〔 エ 〕して返送する,チャレンジレスポンス方式で行われる。ただし,WEPキーが,電波を不正に傍受している装置に見破られると,(あ)不正アクセス以外にも重大なセキュリティリスクが発生するので,この認証方式は,一般に利用されない。
(2)暗号化方式
方式としてWEPが規定されている。WEPは,〔 オ 〕と呼ばれる暗号アルゴリズムを基にした共通鍵暗号を採用している。暗号化には,  WEPキーと呼ばれる共通鍵が使用される。MNとAPには,同じWEPキーを設定する必要があり,動的に鍵の変更が行われないことから,解読される危険性が高い。
以上の,IEEE〔 ウ 〕のセキュリティ上の問題点を解決するために, IEEE802.11iが規格化された。IEEE 802.11iを基に策定されたWPA2(Wi-Fi ProtectedAccess 2)では,セキュリティ面の改善の他に,(い)事前認証及び認証キーの保持(Pairwise Master Key キャッシュ)を行う方法が規定されているので,接続先のAPを切り替える時間を短縮することが可能になった。
(ウ) 初期の無線LANの規格は,IEEE802.11で規定しています。一般的に無線LANが普及し始めた頃のIEEE802.11bよりも前の規格であり,ビットレートは2Mbpsと非常に遅いものでした。その後IEEE802.11a/b/g/ n/acと,より高速な規格として発展しています。
IEEEによる代表的な無線LAN規格の標準化時期とその最大スピードは以下です。

1997年 IEEE 802.11(2Mbps)
1999年 IEEE 802.11b(11Mbps)
1999年 IEEE 802.11a(54Mbps)
2003年 IEEE 802.11g(54Mbps)
2009年 IEEE 802.11n(600Mbps)
2014年 IEEE 802.11ac(6.9Gbps)

参考ですが、最新のIEEE802.11ac規格では、Buffalo社の製品が1.3Gbpsに対応した製品を販売しています(H26年1月現在)。今後はさらに速くなることが期待されています。

解答例:802.11

(エ) チャレンジレスポンスのしくみが問われています。

解答:暗号化

(オ) WEPで利用する暗号化アルゴリズムについて問われています。WEPで利用する暗号化方式はRC4です。参考ですが、RCとは、RSA Security社Ron Rivest氏の暗号(Cipher)という意味です。

解答:RC4

無線LANの速度をこれまでの11a/gの54Mbpsから最大600Mbpsまで拡張させた仕組みである。※ただ、11n対応ならすべて600Mbpsというわけではない。製品としては450Mbpsが最高である(H24.7月時点)。また、実際には150Mbpsが多いだろう。

■1.高速化の概要
詳しくは後述するが、簡単にいうと以下。
1)技術革新により、54Mbpsを72Mbpsに高速化
2)チャンネルを2倍に束ねて送信 → 72M x 2 +α=150Mbps ・・・チャネルボンディング
3)アンテナを複数にして同時送信 → アンテナを2倍にすることで150M x 2=300Mbps、3倍で450Mbps、4倍で600Mbps ・・・MIMO 

■2.高速化の技術
基本的な技術は
(1)MIMO
(2)チャネルボンディング
(3)GI(ガードインターバル)
(4)フレーム・アグリゲーション がある。
以下に解説する。

(1)MIMO(Multiple Input Multiple Output)
MIMOの言葉通り、Multiple(多く)の電波のInput(入力)とMultiple(多く)の電波のOutput(出力)である。MIMOはアンテナを複数に束ねて高速化する。複数のアンテナで同時に送信したら、早くなるよねー。という理論である。※チャンネルは同一。

以下は、ArubaのAPとMIMOの状態の例である。
機種AP-105AP-125AP-135
MIMO2x2MIMO
2ストリーム
3x3MIMO
2ストリーム
3x3MIMO
3ストリーム
アンテナ内蔵拡張(3基)内蔵
最大速度300Mbps300Mbps450Mbps
2x2は、送信用アンテナ2本、受信用アンテナ2本という意味。
i

ということは、2x2で、4本のアンテナがあるということですか?
そう思って間違いではない。ただ、AP-125のように、1本で送受信を兼ねている場合、3x3でもアンテナは3本だ。また、AP135のように内蔵アンテナの場合、アンテナがどうなっているかはわからない。
それと、注意すべきは、MIMOによる高速化はストリームで考える。
AP125であれば、3x3だが、ストリームは2なので、最大速度は300Mbpsである。アンテナが多くても、実際に多重しなければ高速化されない。どれだけ多重化しているかがストリームである。
e

なるほど、MIMOのアンテナは物理的なものを言っているのですね。
でも、MIMOは同じチャンネルで多重するんですよね?
そうなら干渉するからアンテナを増やしても同じでは?
その疑問はその通りだけど、干渉するとかそういう次元ではない。(後日詳しく記載予定)

(2)チャンネルボンディング
 bondは「結ぶ」という意味で、bondingは「結びつける」と考えてください。チャンネルを複数結びつけるという意味です。イメージとしては、リンクアグリゲーションみたいなものです。帯域幅を束ねる感じです。
無線LANでは、旧来からある11aや11gでは、20MHzの幅で通信をします。チャネルボンディングでは、2つを束ねて40MHz、4つを束ねて80MHz、8つを束ねて160MHzの幅で送信することで、通信速度が2倍、4倍、8倍になります。
f

たしかに、束ねたほうが高速化するのは当然だと思います。
でも、電波干渉はしないのですか?
そう。電波干渉はする。だから、チャンネルボンディングをすると、使用できるチャンネル数が減る。11b/gであれば、3チャンネルではなくて2チャンネル(or 1ch)しか利用できない。
c 
えー
だったら、11nを使っても、使えるチャンネルが減るから結局は一緒では?
だって、 密集エリアにて、11gを1、6、11の3チャンネルでAPを配置している場合、11nで使用できるチャンネルが減ったら、設置できるAPも減りますよね?
確かにその通り。だから、11b/gはMIMOだけを使用してチャネルボンディングを使わないとか、11nは11aの5GHzにみで使うことが多くなるだろう。または、大人数で使うのではなく、少人数で少ないチャネルで使う場合には有効だろう。

(3)GI(ガードインターバル)の短縮
ガードインターバル(GI:Guard interval)とは、干渉を防ぐための冗長な部分である。無線の電波は、直接届くもの以外に、反射して遅れて届くものもあり、それが干渉になることがある。これを防ぐために冗長な部分を用意している。
11a/gの800ナノ秒を、11nでは400ナノ秒に設定できる。
11a/gに比べてガードインターバルを短くすることで、54M→72Mに高速化する。

(4)フレーム・アグリゲーション
無線LANのヘッダやプリアンブル部分のオーバヘッド部分の占める割合は多く、実行スループットの悪化につながる。そこで、複数のフレームをまとめて送ることで、このオーバヘッドを少なくするという考え。まあ、シンプルな考えだ。

H24午後1問3には、フレームアグリゲーションに関する問題がある。
G君:IEEE 802.11nでは,フレームアグリゲーションを使って,.侫譟璽爐料信待ち時間と確認応答の回数を減らすことで遅延時間を短縮し,データの高速なやり取りが可能になります。ただし,使用するアプリケーションによっては,▲侫譟璽爛▲哀螢押璽轡腑鵑留洞舛鮃洋犬垢詆要があります。

設問2
 (1) 本文中の下線,鮗存修垢襦ぅ侫譟璽爛▲哀螢押璽轡腑鵑了伝箸澆髻25字以内で述べよ。
 (2) 本文中の下線△韮之が指摘した,フレームアグリゲーションの影響とはどのようなものであると考えられるか。40字以内で具体的に述べよ。

(1) の解答例
 「宛先が同じ複数のフレームを連結して送信する」
(2) の解答例
 「無線チャネルの占有時間が長くなり,その間は他の通信が待たされる。」

また、技術的には以下の2種類がある。
MSDU(MAC Service Data Unit)
 宛先が同じフレームを集め、それに無線ヘッダをつけて送る。
MPDU(MAC Protocol Data Unit)
 無線のヘッダに変換し、宛先が同じものを集める。とはいえ、フレームフォーマットを見ればわかるように、厳密には宛先が違っても問題ない。
 フレームフォーマットをみればわかるように、伝送効率は,鉾罎戮督磴
msdu
 

過去問(H24年NW午後橘3)を見てみよう。
H氏:今回は無線LANの規格としてIEEE 802.11nを利用できるということだが,今まで使っていたIEEE 802.11gとはどこが違うのかな。
G君:はい。 IEEE 802.11gでは帯域幅20 MHzであったのに対し, IEEE 802.11nでは40 MHz も利用可能となっています。これは隣り合う帯域幅20 MHz のチャネルを二つ束ねることによって,送信データ量を2倍以上に増やす[ ア ]という技術を使ったものです。これによって,例えば20 MHz では理論値で144Mビットノ秒だった伝送速度が,最大で[ イ ]Mビットノ秒になります。

A アは11nの基礎知識で解ける。チャネルボンディングだ。bondは「結ぶ」という意味で、bondingは「結びつける」と考えればいいだろう。なので、チャネルボンディングはチャネルを複数結びつけるという意味だ。
イは意外に難問だ。単純に2倍の288と答えた人が多いであろう。11nのスピードである150M,300M,600Mという数字が記憶に残っていた人は解けたと思う。

ア チャネルボンディング
イ 300

[Question] IEEE802.11g( 2.4GHz帯)では、チャネルボンディングをあまり使わない。
なぜか。



A 利用できるチャンネルが減るからだ。もともと、3ch(例1,6,11)しか使えない。それが、2chしか使えなくなる。帯域が早くても使えるチャンネルが少なくなっては、ネットワーク全体としてのスループットはあまり上がらないらだ。一方、MIMOは、チャンネルを消費しないから使う。

また,送信側と受信側の双方で複数のアンテナを使い,同時に異なるデータを送信して受信時に合成する[ ウ ]という技術によって,データをより高速にやり取りすることができます。

[Question4] 本文中の[ ウ ]に入れる適切な字句を答えよ。(設問1(1))



A4 MIMO(Multiple Input Multiple Output)
MIMOの言葉通り、Multiple(多く)の電波のInput(入力)とMultiple(多く)の電波のOutput(出力)である。MIMOはアンテナを複数に束ねて高速化する。複数のアンテナで同時に送信したら、早くなるよねー。という理論である。参考までに、アンテナとは論理的なものではなく、物理的なアンテナである。
4

MIMOで束ねた場合、チャネルは増えるの? 
増えない。チャネルは同一。なので、2.4GHz帯で使っても、チャネルボンディングのようにチャネルが減るとか、干渉しやすくなるようなことはない。

女性目閉じる
試験ではあまり問われないと思います。
ただ、無線LANを理解する上では避けて通れません。一度さらりと読んでいただき、内容を理解してください。
覚えるよりは、理解するのが大事です。
1) チャンネルとは
TVのチャンネルと同じです。チャネルと呼ぶ人もいます。

2) チャンネル設計
隣り合うチャンネルは干渉します。テレビのチャンネルが2,4,6,8などと間があいているのと同じです。
11gであれば、1〜13チャンネルを利用できます。
そこで、1、6、11の3チャンネルを使って設計することが多くなります。
場合によっては、1,5,9,13の4チャンネルを使うこともあるでしょう。

試験には出ないでしょうが、5GHz帯の11aでは、34,38,42,46の4チャンネルが基本でした。最近は拡張され、8チャンネル利用できます。

Q. 1台のAPにはチャンネルをいくつ設定するか?

原則として、1台のAPにはチャンネルを1つだけ設定します。
複数のチャンネルは設定できません。
ただ、IEEE802.11a/gのデュアル対応の場合、11aと11gのそれぞれでチャンネルを割り当てることができます。
また、最近はチャンネルを動的に設定することも可能で、WLC(無線LANコントローラ)が、周りの電波状況を考慮してチャンネルを割り当てる。
 
Q. パソコン(または無線LANカード)にはチャンネルをいくつ設定するか?

パソコンにはチャンネルを基本的に設定しません。
パソコンは、自動で電波を探し、もっとも電波が強いチャンネルと自動で通信します。これにより、(1台のAPが故障しても違うAPと通信することで)障害性を高め、ローミングも可能にしています。

無線LANの理解を深めるためにも、実際に設定してみることが重要です。
 女性笑顔

私はフレッツスポット愛用者でして、以下の設定をしました。
フレッツスポットでは、標準プランにおいて2つのセキュリティ対策がされます。
’Ь據MACアドレス認証
事前に、無線LANカードのMACアドレスを申請します。そのMACアドレスでしか通信できません。
暗号:WEP
WEPによる暗号化キーが送られてきます。それを以下の「ネットワークキー」に設定しました。
Fletsspot

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