無線LAN
電子情報工学科 3年前期 ネットワークアーキテクチャ 情報科学センター/ネットワークデザイン 研究センター 福田 豊Agenda
規格のおさらい
ネットワークの構成 チャネル，使用周波数帯など MAC制御
DCF, PCF CSMA/CA 隠れ端末問題
セキュリティ
802.11a/b/g/n, 802.11ac/ad
2 7IEEE802.11系が使用する周波数
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 GHz 802.11 無線LAN 802.15 無線PAN 802.16 無線MAN 802.20 無線WAN 2.4～2.5GHz (802.11b/g) 5.15～5.35GHz 5.47～5.725GHz (802.11a) 915MHz ZigBee (15.4) (868MHzも) 2.4～2.5GHz Bluetooth (15.1) ZigBee (15.4) 3.1～10.6GHz UWB (15.3a) 60GHz UWB (15.3c) 2.5GHz帯 (2.3/2.5GHz) 3.5GHz 6GHz以下 (802.16e) 11GHz以下 (802.16-2004) 10～66GHz (802.16) 3.5GHz以下 8802.11b/gが用いる周波数帯
802.11b/gで用いられている2.4GHz帯
ISM (Industry, Scientific, Medical) バンド
工業用・医療用の高周波機器や
電子レンジに使用されている
干渉
同じ場所で同時に使用すると干渉が起きる
アクセスポイント同士や無線LAN端末同士
でも干渉は起こる
IEEE802.11
IEEE 802規格の中での802.11
802.2 LLC (論理リンク制御) 802.3 CDMA /CD 802.11 無線LAN MAC 802.11 FHSS PHY 802.11 DSSS PHY .11a OFDM PHY .11b DSSS PHY .11g DSSS /OFDM PHY PHY MAC LLC Layer 2 Datalink Layer 1 Physical 802.11および関係プロトコルMAC: Media Access Control FH: Frequency Hopping DS: Direct Sequence SS: Spread Spectrum OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
11
802.11b/g で利用される周波数
安心して無線LANを使用するために 参考資料（総務省） 2004 よりContd.,
最大チャネル数 3 (#1, #6, #11) 12 日本の 11b のみIEEE 802.11a で利用される周波数
J52 では海外規格とずれていたのでW52で修正 W53，W56でチャネル追加 合計19チャネル 屋外でも使用可能 13通信モード
通信モード:2つ
Ad-hoc mode，Infrastructure Mode
Ad-hoc mode
端末同士が通信 AP(Access Point)は不要 14Contd.,
Infrastructure mode
APを介して通信を行う ローミングを行うことができる AP ネットワークContd,
Access Point の機能
端末局の認証と暗号化 端末局と基地局間の従属関係の管理 ローミングに伴うハンドオフ （端末局と基地局間の 従属関係の更新）ネットワークの構成
802.11ネットワークの基本的構成要素は 基本サービスセット (BSS: Basic Service Set)
独立BSS (IBSS: Independent BSS) アドホックBSS，アドホックモード インフラストラクチャBSSインフラストラクチャモード アクセス ポイント 17 18
ネットワークの構成(ESS)
拡張サービスエリア
BSSは，あくまで電波の到達範囲に限られる 狭い空間をカバーすることはできるが，より広い エリアをカバーすることはできない 802.11では，拡張サービスセット (ESS: Extended Service Set) にBSSをバックボーンネットワークで つなぐことによって形成できる 802.11は1つのESSの中でのリンク層の移動性を 提供する．ただし，バックボーンは単一（イーサ ネット）ドメインでなくてはならない 拡張サービスエリアの識別 ESSID 19BSS2
BSS1
BSS3
BSS4
BSSとESS
アクセス ポイント アクセス ポイント アクセス ポイントESS1
(ESSID: CSIS) バックボーンIEEE802.11b
802.11bの特徴
使用周波数帯域
2.4GHz のISM(Industrial Science Medical)帯 日本では 2.471GHz ～ 2.497GHz，2.400 ～ 2.4835GHz を使用
チャネル
使用周波数帯域を 5MHz ごとに 13チャネルに区分 日本：13(+1)チャネル使用可能 干渉せずに使用できる最大チャネル数＝3チャネル 14チャネル目を使えば 4 チャネル 21Contd.,
通信速度
電波の受信状況，もしくはフレームロスなどに応 じて切り替わる サポートする伝送レート 11Mb/s, 5.5Mb/s, 2Mb/s, 1Mb/s 通信範囲
11Mb/s: 屋外 100m / 屋内 60m 5.5Mb/s: 屋外 200m / 屋内 100m 1/2Mb/s: 屋外 270m / 屋内 130m 22伝送方式
802.11b では DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum：直接シーケンス・スペクトラム拡散) を採用 一度広帯域に拡散し，その後逆拡散して元の信号に復元 ノイズ，干渉に強い 一次変調 二次変調 送信データ BPSK QPSK CCK 20MHz の帯域 に拡散 23
メディアアクセス制御 (1)
無線の特徴
同時に送受信することができない
Stop and Wait
による確認応答を採用
1つのデータフレームを送信後， 受信側はACKフレームを返信 送信側は ACK フレームを受信できなければ， フレームを再送 24
メディアアクセス制御 (2)
2 つのモード PCF (Point Coordination Function), 制御型，オプション，
DCF (Distributed Coordination Function), 競合型，必須 PCF APがSTAに対して送信を許可するポーリングを行う 25
メディアアクセス制御 (3)
DCF 各STAが衝突を前提としてCSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) により自律分散的に通信
無線LAN
自STAがフレームを送信中の場合，そのフレーム と他のフレーム間の衝突を検知することが不可能 よって，CSMA/CDではなく，CSMA/CAを用いる また衝突無く正しく相手に到達しているかを判断するために， 誤りのないフレームを受け取った受信側はMAC層の ACK(Acknowledgement)を返す 26802.11b MAC機構
パケットの種別毎に異なる優先制御
優先度に応じて異なるIFS (InterFrame Space) を用意
Frame SIFS PIFS DIFS t SIFS ACKフレーム PIFS PCFにおけるPolling用 DIFS データフレーム データフレームの 場合，前のフレームの 送信からDIFS時間待機
CSMA/CA
伝送する前に通信路上の搬送波を調査し，通
信路が空いていればパケットを伝送する
ユーザＡ ユーザＢ ユーザＣ 送信フレーム Busy Busy IFS IFS バックオフ IFS IFS アクセス遅延Contd.,
Collision Avoidance (1)
送信前 各端末は通信路が一定時間以上継続して空いている ことを確認してからデータを送信 フレーム SIFS PIFS DIFS slot 1 slot 2 slot 3 slot 4 slot 5 フレーム CW (Contention Window) SIFS: Ack PIFS: 集中制御用 DIFS: データ通信用 データを送信したい端末： • DIFS待った後，CW内のスロットをランダムに選択し， そのスロットの順番が回ってくると送信 • 待機中に他の端末の送信を検知すると，タイマーを 凍結し，通信終了後，再びタイマーを再稼働させる 29Contd.,
Collision Avoidance (2)
送信後
受信側は (SIFS後) 必ずACKを返信 ACKが帰ってこない場合は､再度再送バックオ フ時間待った後，フレームを再送する CSMA/CAで解決できない問題
隠れ端末問題
30 AP STA1 STA2 CSMAにより、通信路中を 調べたが、STA1の信号を 受信できない。data collision data
隠れ端末問題
31Contd.,
隠れ端末問題の解決法: RTS/CTS を用いる
1. 送信したいSTAは伝送路の状況を監視 2. 伝送路が空いたらRTSフレームを送信 3. 隠れ端末が同時に送信を開始するとRTSが衝突 4. RTSを正しく受信するとCTSフレームを送信 これにより他のSTAは媒体占有時間を認識 5. CTSを受信すると、データフレームを送信 6. データを正常に受信するとACKフレームを送信 32 AP STA1 STA2 RTS CTS CTS 送信待機状態に入るRTS/CTS 送受信手順
33実効スループット
IEEE802.11における1パケット送信シーケンス RTS CTS Data ACK RTS SIFS SIFS SIFS DIFS 要する時間 t はTt = RTS + CTS + + ACK + DIFS + 3SIFS + overhead Data
Rate
T
Contd.,
CSMA/CD との比較 毎回ACKを返信する必要がある 衝突しても送信を中断しない CSMA/CD比べるとどうしても効率が悪い より，電波環境が良くても約半分程度のスループッ トしか達成できない 実効スループットTt = RTS + CTS + + ACK + DIFS + 3SIFS + overhead Data Rate
T
37
セキュリティ
容易に通信が傍受できるので，暗号化が必要
WEP：Wired Equivalent Privacy
アクセスポイントと無線ＬＡＮカードで
共通の暗号鍵を使用して暗号通信を行っている
Challenge and Response 型の認証 Encrypt Key: 64bit, 128bit 問題点： 同じ共通鍵で暗号化されたデータを集めれば，比較的 簡単にWEPキーを解読することが可能 38
Contd.,
WEPの詳細
初期化 ベクトル 共通鍵 任意の文字列 64，または128bit 24bit 40, or 104bit データ チェック サム データ チェック サム 暗号化したデータ 乱数 IEEE 802.11 ヘッダ 初期化 ベクトル 暗号化したデータ IEEE 802.11フッタ + 排他的論理和 チェックサムの算出 ベンダーごとに 独自に自動設定 乱数 発生 39WEPの脆弱性
2008年10月 4万パケット程度を得るだけで、WEPの104ビット鍵(パスフレーズ)を瞬 時に解読できる手法が報告 4万パケット 数分のYouTube動画，メールやWebしか見ない人たちでも複数が同時 に利用すれば短時間で収集できる 40TKIP
Wi-Fi Alliance により WPA (Wi-Fi Protected
Access) で，WEP よりも強固な TKIP が採用
Wi-Fi Alliance
無線LANの相互接続試験，製品の認証，普及に向け
たプロモーション活動を行う
WPA
Wi-Fi Alliance 監督下で策定され IEEE 802.11i に準
拠，暗号鍵を一定時間毎に自動的に更新する TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) が採用
TKIP の改良点
IV (初期化ベクトル) が 48 bit に
一時鍵を一定時間毎に更新
鍵の生成に各端末のMACアドレスを利用し，鍵が
WPA2
IEEE 802.11i 標準化策定後，内容を反映して
WPA2 が策定
WPA は元々暫定 暗号化方式 RC4 に変わって AES が採用 43IEEE802.11a/b/g
規格化の背景
IEEE 802.11b では最高速度が 11 Mb/s
100 Mb/s ~ 1 Gb/s を超える有線LANと比較して 低速 より高速な規格が求められる 802.11a は 802.11b と同時期に標準化 5GHz帯の整理に時間を要し，2002年頃から普及 OFDM を採用し，高速化 802.11b でも OFDM を採用した高速化 802.11g の登場 51802.11 aの特徴
使用周波数帯域
5 GHz 帯を使用 チャネル
現在は W52，W53, W56 の系19チャネル使用可能 52Contd.,
通信速度
サポートする伝送レート 6 ~ 54 Mb/s 伝送方式
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) 狭帯域の搬送波を複数使って伝送 1チャンネルあたりの占有周波数帯幅は 16.6MHz データ用の48本と，パイロット信号用4本の計52本の狭い 帯域に分割(1本辺り0.3125MHz) それぞれの帯域で搬送波(サブキャリア)が立てられる 個々のサブキャリアを0.25MHzの変調速度で個別に変調 し，全体を使ってデータを伝送 53
802.11g の特徴
使用周波数帯域
11b と同じ 2.4 GHz 帯 チャネル
使用周波数帯域を 5MHz ごとに 13チャ ネル 11b は 14 チャネル使 えたが，11g は 13 チャ ネルまで 5455 ACK ACK
IEEE 802.11b/g 混在時 (1)
無線LANの通信速度
AP STA(IEEE 802.11b) DATA overhead
time AP
STA
(IEEE 802.11g) DATA overhead
time 実効速度 IEEE 802.11b：約 5 Mb/s，IEEE 802.11g：約 25 Mb/s 最大速度 IEEE 802.11b：11 Mb/s，IEEE 802.11g：54 Mb/s 56 ACK
IEEE 802.11b/g 混在時 (2)
同一APにIEEE 802.11b/gのSTAが混在する際の通信 AP STA (IEEE 802.11b) STA (IEEE 802.11g) DATA ACK DATA overhead time overhead 単位時間あたりのIEEE 802.11gのスループットが低下IEEE802.11n
IEEE802.11n
802.11 a/b/g ＝ 実行スループットは伝送速度の約半分 PHY拡張＋MAC拡張により， MAC層で100Mb/s超のスループットを目指す LLC MAC PHY LLC MAC PHY 802.2 … LAN上でのデータ転送 802.11 チャネルアクセス制御 無線区間上の送受信 PHY層での高速化 MAC層での高効率化 MACスループットで 100Mb/s以上 58物理層での高速化の工夫 (1)
MIMO （Multiple Input Multiple Output）の採用 送信機とアンテナの組み合わせを複数用意 データを並列化して同時に送信する 送信機と受信機が二組あれば2つのデータ（データスト リーム）を同時に送信できるため，データ通信速度が倍に なる
