Wi-Fiが無線でデータを送る仕組み

Wi-Fiを使うと、電波としてデータを空中に送信することで、デバイスをケーブルなしでネットワークに接続できます。無線デバイスは、銅線上で電気信号を送る代わりに、アクセスポイントとの間で電波を送受信します。このレッスンでは、Wi-Fi が空中を通じてネットワークトラフィックを運ぶ仕組みの基本を説明します。これは、ワイヤレスネットワークを学ぶうえでの基礎となります。

Wi-Fi の基本は、変調と呼ばれる処理を使って、データである1と0を電波に乗せることです。デバイスは電波の特性を変化させてビットを表現し、それを送信します。受信側は電波を復号してデータに戻します。これはラジオやテレビ放送と同じ基本原理を、デバイスとアクセスポイント間の双方向ネットワーク通信に適用したものです。

多くの Wi-Fi ネットワークの中心となるデバイスがアクセスポイント（AP）です。AP は無線クライアントが接続する電波の拠点で、通常はケーブルで背後の有線ネットワークに接続されています。スマートフォンは空中を通じて AP と通信し、AP はそのトラフィックを有線 LAN やインターネットへ転送します。家庭では、AP がルーターに内蔵されていることがよくあります。

各 Wi-Fi ネットワークは、SSID（Service Set Identifier）と呼ばれる名前を通知します。スマートフォンで Wi-Fi を選択するときに表示される HomeNet や CoffeeShop などのネットワーク名が SSID です。AP は SSID をブロードキャストして、デバイスがネットワークを見つけて接続できるようにします。複数の AP で同じ SSID を共有して広い範囲をカバーすることもでき、その場合、デバイスは1つのネットワーク名のまま AP 間を移動できます。

接続するには、クライアントがアクセスポイントにアソシエーションします。デバイスは利用可能なネットワークを検出し、SSID を選択します。その後、認証とアソシエーションの手続きを行い、AP がデバイスをメンバーとして認識できるようにします。アソシエーション（および必要なセキュリティハンドシェイク）が完了すると、デバイスはその AP を通じてデータを送受信できます。このアソシエーションは、スイッチのポートにケーブルを差し込むことに相当する無線上の処理です。

有線スイッチのポートとは異なり、Wi-Fi は共有型の半二重メディアです。全デバイスが同じ空間を共有するため、ある瞬間にチャネル上で送信できるデバイスは1台だけです。デバイスは順番に通信します。1台の AP に接続するクライアントが増えるほど、電波を分け合う必要があるため、混雑した Wi-Fi は遅く感じられます。適切に設計するには、クライアントを複数の AP とチャネルに分散させます。

デバイスが電波を共有するため、Wi-Fi はCSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）を使用します。デバイスは送信前にチャネルが空いているかを確認し、他のデバイスの通信に重ならないよう信号を使って調整します。衝突を検出できる有線 Ethernet とは異なり、無線デバイスは通常、衝突を検出できません。そのため、最初から衝突を避けることに重点を置きます。

電波は距離とともに弱くなり、壁、床、金属、さらには人によって遮られたり弱められたりします。これを減衰と呼びます。AP から離れるほど、また経路上の障害物が増えるほど、信号は弱くなり、接続速度も低下します。これは、接続を維持するためにデバイスが、より低速で堅牢な伝送方式に切り替えるためです。

Wi-Fi は完全な双方向通信です。デバイスは電波を通じて送信（アップロード）と受信（ダウンロード）の両方を行います。電波は信頼性が低いため、AP とクライアントは常にデータと、受信を確認する小さな確認フレームを交換します。干渉によってフレームが失われた場合は、再送信されます。このやり取りによって、複雑で共有される電波環境でも無線接続の信頼性が保たれます。

ほとんどの Wi-Fi はインフラストラクチャモードで動作します。このモードでは、すべてのデバイスが、ネットワークの橋渡しをする中央のアクセスポイントを経由して有線ネットワークに接続します。より単純な代替手段がアドホックモードです。これは AP を使わずに2台のデバイスが直接通信する方式で、簡単なピアツーピア接続には便利ですが、拡張性はありません。Network+ 試験では、通常の企業や家庭の Wi-Fi がアクセスポイントを中心としたインフラストラクチャモードを使用することを理解しておく必要があります。

Wi-Fi が共有型の半二重メディア上の電波であることを理解すると、距離によって速度が低下する理由、混雑したネットワークが遅く感じられる理由、干渉が重要な理由がわかります。アクセスポイントは無線の電波と有線ネットワークを橋渡しし、デバイスはSSIDによってアソシエーションを行い、CSMA/CAによって衝突を防ぎます。これらの基本は、これから学ぶすべてのワイヤレス分野の土台となります。

Wi-Fi の基本を確認しましょう。

Wi-Fiは変調を使って、電波としてデータを空中に送信します。アクセスポイント（AP）は無線クライアントと有線ネットワークを橋渡しし、SSID（ネットワーク名）をブロードキャストします。デバイスは AP にアソシエーションして接続します。Wi-Fi は共有型の半二重メディアであるため、デバイスは順番に通信し、CSMA/CAを使って衝突を避けます。信号は距離や障害物によって弱くなり（減衰）、失われたフレームは再送信されます。