無線LAN（Wi-Fi）とは
無線LANとは、LANケーブルを使わずにパソコンやスマートフォンをネットワークに接続する仕組みです。通信には電波を利用するため、配線が不要で自由度の高いネットワークを構築できます。
無線LANのメリット
無線LANの最大の利点は「移動しながら利用できる」ことです。電波の届く範囲であれば、端末を自由に持ち歩きながら接続できます。また、ケーブルや工事費が不要になるため、ネットワーク構築にかかるコストを削減できるのも大きな特徴です。
無線LANのデメリット
電波を利用する特性からいくつかの注意点があります。まず、電子レンジやBluetooth機器のように同じ周波数帯を利用する機器が近くにあると干渉が起こり、通信速度が低下する可能性があります。さらに壁や距離の影響で電波が届きにくくなり、実際の通信速度が落ちることもあります。ただし、IEEE802.11n以降の規格により品質は大幅に改善されています。
もう一つの重要な課題はセキュリティです。無線LANは電波を使ってデータを送るため、暗号化が不十分だと不正に傍受されて情報が漏れる危険があります。これを防ぐためにはAESによる暗号化とIEEE802.1X認証を組み合わせて利用することが推奨されます。試験では「無線LANは盗聴されやすいため暗号化が必須」といった形で問われることが多いです。
有線LANと無線LANの比較
無線LANの理解を深めるには、有線LANとの違いを押さえておくことが大切です。特にアクセス制御方式と物理層の違いは試験でよく問われます。
| 項目 | 有線LAN | 無線LAN |
|---|---|---|
| 標準規格 | IEEE802.3 | IEEE802.11 |
| 伝送媒体 | ケーブル | 電波 |
| アクセス制御方式 | CSMA/CD（衝突検出） | CSMA/CA（衝突回避） |
| 使用アドレス | MACアドレス | MACアドレス |
| 必要なNIC | 有線LANカード（内蔵が主流） | 無線LANカード（内蔵が主流） |
| 接続機器 | スイッチやハブ | アクセスポイント |
無線LANの通信方式
無線LANには二つの通信モードがあります。
1つはアドホックモード（ad hoc mode）です。アクセスポイントを使わずに端末同士が直接通信する方式で、IBSS（Independent Basic Service Set）とも呼ばれます。携帯ゲーム機を直接つないで対戦するときによく利用されます。
もう1つはインフラストラクチャモード（infrastructure mode）です。こちらはアクセスポイントを介して通信する方式で、企業や家庭の無線LAN環境ではほとんどがこのモードを採用しています。
IEEE802.11規格の位置づけ
IEEEは電気・電子分野における国際的な学会で、その中のIEEE802委員会がLANの規格を定めています。有線LANはIEEE802.3、無線LANはIEEE802.11で規格化されています。つまり802.11は802.3と並列の位置づけにあります。近年は11n、11ac、11iなどが登場し、通信品質やセキュリティが大きく向上しました。
無線LANを学ぶ意義
無線LANは目に見えない電波を使うため、有線LANに比べてトラブルが発生しやすい分野です。通信速度の低下やセキュリティリスクを防ぐには、正しい知識が欠かせません。特に規格名、通信モード、アクセス制御方式はCCNA試験で繰り返し出題されるため、必ず理解しておく必要があります。
IEEE802.11 – 無線LAN規格
無線LANの規格を定めているのがIEEE802.11です。IEEE802.11には大きく分けて、伝送速度や周波数帯域を定めた「伝送規格」、セキュリティを強化する「セキュリティ規格」、通信品質を管理する「QoS規格」が存在します。
伝送規格としては802.11b、11a、11g、11n、11ac、11ax、11beがあり、セキュリティ規格は802.11i、QoS規格は802.11eで定義されています。ここでは基礎となる802.11b、11a、11g、11nについて解説します。
| 規格 | 種類 | 特徴 |
|---|---|---|
| IEEE802.11b | 伝送規格 | 2.4GHz帯、最大11Mbps |
| IEEE802.11a | 伝送規格 | 5GHz帯、最大54Mbps |
| IEEE802.11g | 伝送規格 | 2.4GHz帯、最大54Mbps |
| IEEE802.11i | セキュリティ | 暗号化と認証を強化 |
| IEEE802.11e | QoS | 音声や映像の優先制御 |
| IEEE802.11n | 伝送規格 | 最大600Mbps（MIMO、チャネル拡張） |
| IEEE802.11ac | 伝送規格 | 最大6.9Gbps（11nの後継） |
| IEEE802.11ax | 伝送規格 | 最大9.6Gbps（Wi-Fi 6とも呼ばれる） |
| IEEE802.11be | 伝送規格 | 最大30Gbps（Wi-Fi 7、標準化予定） |
IEEE802.11b
IEEE802.11bは2.4GHz帯を利用する初期の無線LAN規格で、最大伝送速度は11Mbpsです。通信速度は電波の強度に応じて変化し、距離が近いほど高速になります。日本では14チャネル利用可能ですが、14chは日本特有で海外では使用されません。干渉を避けるために有効なチャネルは1ch、6ch、11ch、そして日本のみ14chが追加されます。変調方式はDSSSにCCKを組み合わせて高速化を実現しました。電子レンジやBluetoothなど、同じ2.4GHz帯を利用する機器と干渉が起こりやすい点には注意が必要です。
IEEE802.11a
IEEE802.11aは5GHz帯を利用し、OFDM方式を採用して最大54Mbpsを実現しました。2.4GHz帯に比べて干渉を受けにくく、安定したスループットを確保できます。ただし、5GHzは障害物に弱く、通信範囲が狭い特徴があります。かつては屋外利用が制限されていましたが、日本国内では法改正により利用できるチャネル数が増え、現在は19チャネルを利用可能です。試験では「11aは5GHz帯、最大54Mbps、屋内利用が基本」という点がよく問われます。
IEEE802.11g
IEEE802.11gは2.4GHz帯を利用し、OFDMを採用して最大54Mbpsを実現しました。802.11bとの互換性があるため、既存のb環境でも利用できますが、混在すると通信は802.11bモードに制限され、速度は11Mbpsに低下します。干渉を避けるためには1ch、7ch、13chの利用が推奨されます。2.4GHz帯を利用するため、電子レンジやBluetoothの影響を受けやすい点は11bと同様です。
IEEE802.11n
IEEE802.11nは2.4GHz帯と5GHz帯の両方を利用できる規格で、MIMO技術を採用して最大600Mbpsを実現しました。40MHzチャネルを利用し、4ストリーム構成とすることでこの速度を達成します。実際の速度は環境によって異なりますが、11nの登場により無線LANの実用性は大きく向上しました。企業や家庭における本格的な無線LAN普及のきっかけとなった規格です。
無線LANにおけるチャネルとは
無線LANにおいてチャネルとは、データを送受信するために利用する周波数の幅を指します。無線LAN機器同士が通信する際には、同じチャネルを使用しなければなりません。ここでいう無線LAN機器とは、無線LANクライアント（PCやスマホ）とアクセスポイントのことです。近くに複数のアクセスポイントを設置する場合、電波干渉を防ぐために異なるチャネルを割り当てる必要があります。
IEEE802.11b/gのチャネル
IEEE802.11bとIEEE802.11gはどちらも2.4GHz帯を利用しますが、利用可能なチャネル数が異なります。
- IEEE802.11bでは1chから14chまで利用可能（14chは日本だけで使用可能）
- IEEE802.11gでは1chから13chまでが利用可能
802.11bではチャネル幅が22MHz、チャネル間隔が5MHzとなるため、干渉を避けるには5チャネル以上離す必要があります。そのため推奨されるチャネル設計は1ch、6ch、11ch、そして日本のみ14chです。
802.11gではチャネル幅が20MHz、チャネル間隔が5MHzとなるため、理論上は1ch、5ch、9ch、13chを選択するのが望ましい設計です。しかし実際には互換性のために22MHz間隔を前提とした設計が推奨され、Cisco製品をはじめとする多くの機器では自動調整により1ch、6ch、11chを最適チャネルとして割り当てます。そのため実務では1ch、6ch、11chの3つを使うケースが多いです。
IEEE802.11aのチャネル
IEEE802.11aは5GHz帯を利用する規格で、利用可能なチャネルは19あります。2.4GHz帯と異なり、チャネル同士が重ならないよう設計されているため、すべてのチャネルを同時に利用できます。日本国内では2005年と2007年の法改正によって利用できる周波数帯が拡大し、利用可能チャネル数が増加しました。さらに2019年にはW56帯に144chが追加されています。5GHz帯は干渉を受けにくい一方で、電波の到達範囲が2.4GHzに比べて狭いという特徴があります。
無線LANにおける電波干渉
電波干渉とは、周波数が重なる電波を出す機器が近くにあることで発生する現象です。特に2.4GHz帯は無線LAN以外にも電子レンジやBluetooth機器、医療機器など多くの機器が利用しており、干渉を受けやすい帯域です。干渉が起きると通信速度が低下したり、最悪の場合は通信ができなくなったりします。
アクセスポイントを設置する際には、チャネルが重ならないように計画することが重要です。2.4GHz帯の電波は屋内でおよそ50m、屋外で100m程度届くため、導入前に電波状況を確認する「サイトサーベイ」が欠かせません。
無線LANにおけるセルとは
無線LANにおけるセルとは、アクセスポイント（AP）から電波が届く範囲のことを指します。カバレッジとも呼ばれ、無線LANクライアントがAPと通信を行うためには、このセルの中に入っている必要があります。電波は距離が離れるほど弱くなるため、セルの中心に近いほど高速で通信できますが、外側に行くほど通信速度が低下します。
例えば、IEEE802.11bで最大速度の11Mbpsを利用したい場合、APからおおよそ30メートル以内にクライアントを配置する必要があります。障害物や電波強度によってセルの範囲は変化するため、設置環境の確認が重要になります。IEEE802.11gをOFDMで動作させる場合はIEEE802.11aと同様のセル範囲を持ちますが、互換モードで802.11bとして動作する場合は802.11bのセル範囲に従います。
無線LANの伝送速度
無線LANの通信速度はセルの範囲、すなわち電波の強さによって変化します。この速度は段階的に定義されており、少しずつ連続的に落ちるのではなく、規格で決められた値にフォールバックします。無線LANクライアントはフォールバック機能により、信号が弱いときは自動的に低い速度へ切り替えます。
代表的な規格の速度は次の通りです。
| 規格 | 定義されている伝送速度 |
|---|---|
| 802.11b | 11Mbps / 5.5Mbps / 2Mbps / 1Mbps |
| 802.11a | 54Mbps / 48Mbps / 36Mbps / 24Mbps / 18Mbps / 12Mbps / 9Mbps / 6Mbps |
| 802.11g | 54Mbps / 48Mbps / 36Mbps / 24Mbps / 18Mbps / 12Mbps / 11Mbps / 9Mbps / 6Mbps / 5.5Mbps / 2Mbps / 1Mbps |
ここで注意すべき点は、理論上の最大速度がそのまま1台の端末専用になるわけではないということです。IEEE802.11bで最大11Mbpsと定義されていても、同じAPに複数の端末が接続していれば、その速度を分け合って使うことになります。有線LANのようにポートごとに帯域を占有するのではなく、電波を全員で共有する仕組みだからです。
複数端末利用時の注意点
無線LANではCSMA/CA方式により、ある瞬間に通信できるのは1台の端末だけです。そのため複数端末が同時に接続している環境では待ち時間が発生し、実効速度（1秒間に実際に送れるビット数）はさらに下がります。クライアントの台数に単純に割り算して均等に速度が割り当てられるわけではなく、端末ごとのトラフィック量に応じて帯域が消費されます。
無線LAN環境を設計する際には「1台の端末にどの程度の速度が必要なのか」を把握し、必要に応じてアクセスポイントの設置数や接続端末数の上限を調整することが重要です。これは試験でも出題されやすく、実務においてもネットワーク品質を確保するための基本的な考え方となります。
無線LANにおけるサイトサーベイ
無線LANの導入では、アクセスポイント（AP）の設置前後に「サイトサーベイ」と呼ばれる調査を行うことが理想的です。設置前には外部からの電波（外来波）がどのように入り込んでいるかを確認し、設置後には机上での設計通りの電波環境が再現されているかを確認します。予算や時間の都合によりどちらか一方しか行わない場合もありますが、正確な設計と安定した運用を目指すなら両方行うのが望ましいとされています。
外来波の確認
外来波とは、自分たちが設置するAP以外から届く無線電波のことです。無線LANのセル（電波が届く範囲）に外来波が侵入すると通信が妨げられる場合があります。特に注意すべき例は次の通りです。
| 設計規格 | 外来波の主な要因 |
|---|---|
| 802.11b/g/n | 電子レンジ、コードレス電話、Bluetooth、隣接ビルやホットスポットのAP |
| 802.11a/n | 気象レーダー（W53）、隣接ビルやホットスポットのAP |
電子レンジは強力な電波を出し続けるため、IEEE802.11の通信方式を無視して電波干渉を引き起こします。そのため端末はその間データを送信できなくなります。また、5GHz帯のW53（気象レーダー帯域）を検出すると、APはDFS（Dynamic Frequency Selection）によって自動的にチャネルを変更します。これにより通信が不安定になる可能性があります。さらにTPC（Transmitter Power Control）によって出力を下げることも義務付けられています。
受信感度（Radio Sensitivity）
無線LAN端末には、どの程度弱い電波でも受信できるかを示す「感度」という指標があります。この値はデータレートごとに異なり、例えばIEEE802.11gで54Mbpsを利用するためには-71dBm程度の信号強度が必要です。感度が高いほど高速通信が可能で、感度が低下すると自動的に通信速度が下がります。設計時には、利用するエリア全体で必要なデータレートに見合う感度を確保することが求められます。
RSSI（受信信号強度）
RSSI（Received Signal Strength Indicator）は、現在の電波強度を表す値で、フリーソフトのinSSIDerなどで簡単に測定できます。一般的な評価基準は次の通りです。
| 品質 | RSSI値 (dBm) |
|---|---|
| Excellent | -30 ～ -61 |
| Good | -63 ～ -73 |
| Fair | -75 ～ -85 |
| Poor | -87 ～ -97 |
無線設計では基本的に「Excellent」が理想で、「Good」がぎりぎり許容範囲です。ただしRSSIだけでなく、SNR（信号対雑音比）も併せて確認しなければ本当の通信品質は判断できません。
SNR（信号対雑音比）
SNR（Signal-to-Noise Ratio）は、受信した電波の強さとノイズの強さの差を示す値です。計算式は「SNR = 電波強度 – ノイズ強度」となります。例えば電波強度が-40dBm、ノイズが-90dBmであれば、SNRは50dBです。値が大きいほど通信品質は良好です。
IEEE802.11aでは、データレートごとに必要なSNRが定義されています。例えば54Mbpsの通信では最低25dB、推奨35dBが必要です。SNRが10dB未満の環境は、無線LAN導入には不向きとされています。
無線LAN設計で重要な2つの条件
無線LANを設計する際に特に重視すべき点は次の2つです。
- 必要なデータレートに対応できる受信感度を確保していること
- 必要なデータレートに対応できるSNRを確保していること
この2つを満たして初めて、安定した無線LAN環境を構築できるのです。
無線LANにおけるBSSとESS
インフラストラクチャモードの無線LANでは、1台のアクセスポイント（AP）とその電波の届く範囲内に存在するクライアントで構成されるネットワークを BSS（Basic Service Set） と呼びます。BSSが複数集まって構成されるネットワーク全体を ESS（Extended Service Set） といいます。無線LANの識別にはこれらのIDが重要な役割を果たします。
BSSIDとESSID
BSSID はBSSを識別するためのIDで、通常はアクセスポイントのMACアドレスがそのままBSSIDとして使われます。48ビットの数値で表されるため、一意にネットワークを特定できます。
ESSID はESSを識別するためのIDで、最大32文字までの英数字を設定できます。無線LAN機器はこのESSIDを設定することで、同じESSに属していると認識されます。
無線LANでは、ESSIDが一致している機器同士のみ通信が可能です。たとえ電波が届いていても、ESSIDが異なる場合は接続できません。これにより、意図しないネットワークとの混信を防止します。なお、どのアクセスポイントにも接続できる「ANY」という特殊なESSIDがありますが、セキュリティ上の理由から無効化されるのが一般的です。
SSIDとESSIDの違い
SSID は本来、単一のアクセスポイントを識別するためのIDです。一方で ESSID は、複数のAPを含むネットワーク全体を識別するIDです。厳密には意味が異なりますが、実際の運用では「SSID」という用語で統一的に呼ばれることが多く、設定画面でも「ネットワーク名」と表示される場合があります。企業ネットワークの導入では1台だけのAP運用は少なく、実質的にESSIDが使われているケースが大半です。
無線LANにおけるローミング
ローミング とは、無線LANクライアントが移動して別のAPのセル範囲に入ったときに、通信を途切れさせずに接続を引き継ぐ仕組みです。例えば、端末がAP1の範囲からAP2の範囲に移動しても通信が継続できるのがローミングです。
ローミングを成立させるためには、接続先のAPが同じESSIDを持つ必要があります。またチャネルも一致する必要がありますが、現在の端末はチャネル自動検出機能を備えているため、手動で設定する必要はほとんどありません。
快適なローミングを実現するには、隣接するAPのセルを10〜15％程度オーバーラップさせて配置するのが推奨されます。無線LANスイッチ（コントローラ）が導入されている場合は、自動的にこの調整が行われます。近年の企業ネットワークでは、無線LANスイッチを導入しない構成はほとんどありません。
また、ローミング時にはAPとの再認証が必要になる場合があります。ただし、無線LANスイッチを導入していれば、認証時の情報をスイッチが保持しているため、再認証なしでスムーズにローミングが可能です。