無線LANの仕組み ― SSIDとWi-Fi規格

無線LANとは、LANケーブルの代わりに電波を使って機器同士をつなぐ技術です。それぞれのネットワークは、SSIDという名前で見分けます。

無線LANの規格は、IEEE 802.11です。Wi-Fiは、この規格に準拠した製品に付けられるブランド名です。日常的には、無線LANとWi-Fiはほぼ同じ意味で使われています。

1-1 ネットワークとは ― なぜ層に分けるのかで説明したとおり、有線LANをWi-Fiに変えても、違うのは第1層と第2層だけです。第3層より上の、IPアドレスによる通信の仕組みは有線と変わりません。

無線LANの中心となる機器がアクセスポイント（AP）です。APは電波を発信し、範囲内の端末のデータを中継します。

家庭用の「Wi-Fiルータ」は、実際にはルータ・スイッチ・アクセスポイントの機能を1台にまとめた機器です。この点は、ハブ・スイッチ・ルータの違いの記事で説明しています。

端末は、APが発信するSSIDを見つけて接続します。以降のデータは、すべてAPを経由します。APの先は有線LANでスイッチやルータにつながっていて、インターネットへの出口はルータです。

区間ごとにMACアドレスで相手を指定する考え方は、端末とAPの間の無線LANの区間でも同じです。

無線LANのメリットは、配線なしで機器を置け、持ち運ぶ機器もつなげることです。デメリットは、電波が壁などの障害物や他の機器の電波の影響を受けやすいので、速度が有線LANより不安定になりやすいことです。また、電波は屋外にも漏れるので、盗聴や不正接続への対策が有線LAN以上に必要です。

新しい規格のアクセスポイントに、古い規格にしか対応していない端末をつないでも通信できます。この性質を下位互換性と呼びます。ただし、通信速度は双方が対応する規格のうち古い方に合わせられます。

これは同じ周波数帯で使う場合の話で、周波数帯が違えばつながりません。6GHz帯に対応しているのはWi-Fi 6E以降だけなので、Wi-Fi 6以前の端末は6GHz帯にはつながりません。

同様に、802.11aは5GHzのみ、802.11bは2.4GHzのみで周波数帯が違うので、互いに通信できません。

無線LANの接続方式には2種類あります。インフラストラクチャモードは、端末が必ずアクセスポイントを経由する方式です。家庭やオフィスで使うWi-Fiのほとんどがこの方式です。

もう1つのアドホックモードは、APを使わずに端末同士が直接つながる方式です。一時的な機器間の通信に使い、日常のWi-Fi利用で意識することはほとんどありません。

インフラストラクチャモードでは、すべての通信がAPを経由するので、混信の調整や暗号化の設定をAPで一元的に行えます。これが、家庭用・業務用ともに主流になっている理由です。

SSID（Service Set Identifier）は、無線ネットワークに付ける名前です。最大32バイトまで設定でき、半角英数字なら32文字です。全角文字は1文字が複数バイトになるので、設定できる文字数は少なくなります。

Wi-Fiの接続先一覧に表示される「ネットワーク名」がこれにあたります。端末はSSIDが一致するアクセスポイントとだけ通信できます。

SSIDと暗号化キーは別のものです。SSIDはどのネットワークかを示す名前で、周囲に公開することが前提です。暗号化キーは接続時に入力するパスワードで、そのネットワークに入ってよい相手かを確認する秘密の情報です。

1台のAPが作るネットワークの識別子をBSSIDと呼び、APのMACアドレスがそのまま使われます。

複数のAPを同じSSIDで運用し、1つの大きなネットワークのように見せることもあります。この場合の識別子をESSIDと呼びます。オフィスや商業施設で、フロアが変わっても同じネットワーク名のまま使えるのは、この仕組みのおかげです。日常的には、ESSIDも単に「SSID」と呼ぶことがほとんどです。

無線LANの通信方式を定めているのがIEEE 802.11という規格群です。改訂のたびに「802.11ac」のような記号が付くので、これだけでは分かりにくくなります。そこで、Wi-Fiの認証を行う業界団体のWi-Fi Allianceが、「Wi-Fi 4」からの世代番号を導入しました。

世代番号とIEEE規格の記号、周波数帯、理論上の最大速度の対応は次のとおりです。

Wi-Fi 6Eは、Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）の仕組みをそのまま6GHz帯に拡張したものです。Wi-Fi 7は、IEEE 802.11beとして標準化されています。新しい機能の1つであるマルチリンク動作（MLO）を使うと、2.4GHz・5GHz・6GHzのうち複数の帯域を同時に使えます。

解説記事などでは「46Gbps」のような数値をよく見かけますが、これは16ストリームを想定した、標準化の途中の案を前提にした値です。

最終的に承認された規格では最大8ストリームまでで、単一帯域の理論値は表のとおり23Gbpsです。前提の異なる数値が混在しているので、比べるときはストリーム数などの条件をそろえてください。

世代番号が付く前の規格は、改訂ごとの記号だけで呼ばれていました。次の表のとおりで、その一部は現在も使われています。

無線LANが使う周波数帯には、2.4GHz・5GHz・6GHzの3種類があります。次の図で切り替えると、特徴を比べられます。

「届きやすさ」と「混雑しにくさ」は別の理由で決まります。

届きやすさは、波長の長さで決まります。周波数が低いほど波長は長くなり、波長が長いと壁などの障害物を回り込みやすいので、届きやすくなります。

混雑しにくさは、その帯域を何が使っているかで決まります。2.4GHz帯は、Bluetoothや電子レンジなど、無線LAN以外の機器とも帯域を共有します。また、使える周波数の範囲が狭くチャンネル数も少ないので、混雑しやすくなります。

5GHz・6GHzに対応した機器が増えているのは、この混雑を避けられるからです。家庭用ルータの多くは2.4GHzと5GHzの両方を同時に発信し、どちらを使うかは端末側で自動または手動で選びます。

同じ電波の届く範囲にある複数の端末が同時に送信すると、電波がぶつかり合ってデータが壊れます。

無線LANは、これを防ぐために送信のタイミングを調整しています。この方式をCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）と呼びます。日本語では、搬送波感知多重アクセス／衝突回避と訳します。

端末は送信の前に、電波の空いた状態が一定時間続くかを確認します。この一定時間を、DIFS（DCF Interframe Space）と呼びます。

空いていてもすぐには送信せず、さらにランダムな時間だけ待ちます。この待ち時間をバックオフと呼びます。バックオフによって、複数の端末が同時に送信し始める確率を下げます。

有線Ethernetでは、CSMA/CD（CDは衝突検知の意味）という方式を使います。CSMA/CAとの違いは、無線LANでは送信中に衝突を検知できないことです。

無線LANの端末は送信中、自分の電波が強すぎて、他の端末のかすかな電波を聞き取れません。加えて、後で説明する隠れ端末があると、送信側同士が互いの電波にまったく気づけない場合もあります。

そこで、送信前にランダムな時間だけ待って、衝突をあらかじめ避けます。届いたかどうかは、受信側が返す確認応答（ACK）で確かめます。

CSMA/CDが衝突を検知し、ジャム信号と再送で回復する流れは、ネットワークトポロジの記事で説明しています。

電波は空間を伝わるので、有線LANより第三者に傍受されやすくなります。この弱点を補うのが暗号化です。

現在、家庭用ルータで選ぶべき暗号化方式はWPA2またはWPA3です。WEPは脆弱性が広く知られているので、対応機器が残っていても選ぶべきではありません。ルータの設定画面で暗号化方式を確認し、WEPになっている場合はWPA2以上に変更してください。WPA2とWPA3でパスワードから鍵を決める手順の違いは、WPA2とWPA3の違いの記事で比べています。

家庭では、ルータに設定した1つのパスワードを家族全員で使います。企業では、社員1人ずつのIDや証明書で確認するエンタープライズのモードがよく使われます。その確認を受け持つサーバの仕組みは、RADIUSの記事で説明しています。

MACアドレスフィルタリングとは、端末のMACアドレスをアクセスポイントに登録し、登録した端末だけを接続させる機能です。

一覧にないMACアドレスの端末は、SSIDとパスワードが分かっていても接続できません。最近のスマートフォンやPCは、ネットワークごとに別のMACアドレスを使う設定になっていることがあり、その場合は、そのネットワークで使うMACアドレスを登録します。この設定は固定IPアドレスの記事でも説明しています。

MACアドレスは暗号化されずに電波で流れるうえ、機器側の設定で書き換えられます。そのため、MACアドレスフィルタリングだけでは強い対策にはなりません。企業のLANで似た考え方を使う機能は、ポートセキュリティの記事で説明しています。

広い住宅やオフィスでは、1台のAPでは電波が届かないことがあるので、複数のAPを連携させて電波の範囲を広げます。

方法の1つは、専用の中継機器を網目状に接続し、全体を1つのSSIDで運用することです。この仕組みをメッシュWi-Fiと呼びます。

複数のAPを同じESSIDで運用している場合、端末は移動しながら、より電波の強いAPへ自動的につなぎ直します。これをローミングと呼びます。SSIDと暗号化の設定が同じであれば、端末側で再接続の操作をしなくても通信が引き継がれます。

携帯電話では、同じローミングという語が別の意味で使われます。基地局の切り替えを指すハンドオーバーとの違いは、携帯電話がつながる仕組みの記事で比べています。