[コンピュータネットワーク] 17. 無線ネットワークとモバイル通信

無線ネットワークの構成
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[有線インターネット]
      |
[基地局/AP] ----無線---- [無線ホスト]
      |         リンク    [無線ホスト]
      |                   [無線ホスト]
[有線ネットワーク]

構成要素：
  1. 無線ホスト：スマートフォン、ノートPC、タブレット
  2. 基地局（Base Station）：AP、セルタワー
  3. 無線リンク：ホストと基地局間の通信チャネル
  4. ネットワークインフラ：基地局を有線ネットワークに接続

無線ネットワークの分類
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                 | インフラあり        | インフラなし
-----------------+--------------------+------------------
単一ホップ       | WiFi、4G LTE       | Bluetooth
                 |（AP/基地局経由）    |（デバイス間直接）
-----------------+--------------------+------------------
マルチホップ     | 無線メッシュ        | MANET、VANET
                 |（リレー使用）       |（アドホックネットワーク）

無線リンクの主要特性
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1. 経路損失（Path Loss）
   - 信号強度が距離に応じて急激に減少
   - 自由空間：距離の二乗に反比例
   - 屋内：壁、家具などによる追加減衰

2. マルチパスフェージング（Multipath Fading）
   - 信号が複数の経路で反射・回折して到達
   - 複数の信号が合成されて強化または相殺

3. 干渉（Interference）
   - 同じ周波数を使用する他のデバイスとの干渉
   - 電子レンジ、Bluetoothなど（2.4GHz帯域）

4. SNR（Signal-to-Noise Ratio）
   - 信号対雑音比：高いほどエラーが減少
   - SNRが高い場合：高い変調率、高い伝送率
   - SNRが低い場合：低い変調率、低い伝送率

隠れ端末問題（Hidden Terminal Problem）
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      障害物
[A] .....|..... [B] ---------- [C]
 |       |       |              |
 | Aの範囲      | Bの範囲      |
 |<----->|       |<----------->|
 |               |
 AはCを検知不可
 CはAを検知不可

問題：
  AがBに送信中
  Cがチャネルを検知：「空いている！」（Aの信号を検知できず）
  CもBに送信開始 --> Bで衝突発生！

これが無線でCSMA/CDを使用できない理由

802.11ネットワーク構造
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BSS（Basic Service Set）：
  [AP（Access Point）]
   /    |    \
 [H1]  [H2]  [H3]
  無線ホスト

ESS（Extended Service Set）：
  [AP1] --- 有線 --- [AP2] --- 有線 --- [AP3]
   / \                / \                / \
 [H1][H2]          [H3][H4]          [H5][H6]

主要構成：
  - BSS：1つのAPに接続された無線ホストのグループ
  - AP：有線ネットワークと無線ホストを接続するブリッジ
  - SSID：ネットワーク識別名（例：「MyWiFi」）
  - チャネル：1~11（2.4GHz）または36~165（5GHz）

WiFi接続過程
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1. AP発見
   - 受動スキャン：APが定期的にビーコンフレームを送信
   - 能動スキャン：ホストがプローブ要求を送信、APが応答

2. 認証および接続
   ホスト                          AP
     |--- 認証要求（Authentication）-->|
     |<-- 認証応答 --------------------|
     |--- 接続要求（Association）----->|
     |<-- 接続応答 --------------------|

3. DHCPでIPアドレスを取得

4. データ転送開始

CSMA/CAの動作
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1. キャリアセンス（Carrier Sense）
   - DIFS（Distributed Inter-Frame Space）間チャネルが空いていれば送信

2. チャネルが使用中の場合：
   - ランダムバックオフタイマー開始
   - チャネルが空いている時のみタイマーカウントダウン
   - タイマー = 0になったら送信

3. ACK確認
   - 受信側がSIFS（Short Inter-Frame Space）後にACKを送信
   - ACK未受信時に再送（バックオフ値を増加）

タイムライン：
  送信者：[DIFS待機][データ送信]....[タイムアウト]
  受信者：                      [SIFS][ACK]

CSMA/CD vs CSMA/CA：
  CD：衝突検知後即座に中断（イーサネット）
  CA：衝突回避 + ACK確認（WiFi）

RTS/CTSの動作
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送信者A                AP                受信範囲のノード
    |                   |                       |
    |-- RTS ----------->|                       |
    |  （送信要求）      |                       |
    |                   |---- CTS ------------->|
    |<-- CTS -----------|  （チャネル予約通知）    |
    |                   |                       |
    |== データ ========>|                       |
    |                   |                       |（送信自制）
    |<-- ACK -----------|                       |
    |                   |                       |

RTS：Request to Send（送信要求）
CTS：Clear to Send（送信許可）

CTSを受信したすべてのノードは指定された時間中送信を自制
  --> 隠れ端末問題を解決

802.11フレーム構造
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+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|Frame  |Dur-  |Addr  |Addr  |Addr  |Seq  |Addr  |Data  | CRC |
|Control|ation | 1    | 2    | 3    |Ctrl | 4    |      |     |
| 2B    | 2B   | 6B   | 6B   | 6B   | 2B  | 6B   |0-2312| 4B  |
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+

4つのMACアドレスフィールド：
  アドレス1：受信無線インタフェースのMAC
  アドレス2：送信無線インタフェースのMAC
  アドレス3：APに接続されたルータインタフェースのMAC
  アドレス4：アドホックモードでのみ使用

なぜ3つのアドレスが必要か：
  H1 --> AP --> ルータ（R1）
  アドレス1：APのMAC（無線受信者）
  アドレス2：H1のMAC（無線送信者）
  アドレス3：R1のMAC（最終宛先方向）

WiFi標準の発展
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標準      | 発売  | 周波数     | 最大速度    | 特徴
----------+-------+-----------+------------+------------------
802.11b   | 1999  | 2.4 GHz   | 11 Mbps    | 初期普及
802.11a   | 1999  | 5 GHz     | 54 Mbps    | OFDM
802.11g   | 2003  | 2.4 GHz   | 54 Mbps    | bと互換
802.11n   | 2009  | 2.4/5 GHz | 600 Mbps   | MIMO
（WiFi 4）|       |           |            |
802.11ac  | 2013  | 5 GHz     | 6.9 Gbps   | MU-MIMO
（WiFi 5）|       |           |            |
802.11ax  | 2020  | 2.4/5/6   | 9.6 Gbps   | OFDMA
（WiFi 6）|       | GHz       |            |

セルラーネットワークの基本構造
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  [セル1]    [セル2]    [セル3]
   / \       / \       / \
  /   \     /   \     /   \
 / BTS \   / BTS \   / BTS \
（基地局） （基地局） （基地局）
   |          |          |
   +----------+----------+
              |
         [BSC/RNC]
         （基地局制御装置）
              |
         [MSC/MME]
         （移動交換局）
              |
     [コアネットワーク] --- [インターネット]

セル（Cell）：1つの基地局がカバーするエリア
周波数再利用：隣接しないセルで同じ周波数を使用

セルラーネットワークの世代別発展
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世代   | 技術      | 速度            | 特徴
-------+----------+----------------+------------------
1G     | AMPS     | 2.4 Kbps       | アナログ音声
2G     | GSM      | 14.4 Kbps      | デジタル音声
2.5G   | GPRS     | 56-114 Kbps    | パケットデータ
2.75G  | EDGE     | 384 Kbps       | 拡張データ
3G     | UMTS     | 2 Mbps         | モバイルインターネット
3.5G   | HSPA     | 14 Mbps        | 高速パケット
4G     | LTE      | 100 Mbps~1Gbps | All-IPネットワーク
4.5G   | LTE-A    | 3 Gbps         | キャリアアグリゲーション
5G     | NR       | 20 Gbps        | 超低遅延、IoT

4G LTEネットワーク構造
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[UE] --無線-- [eNodeB] --- [S-GW] --- [P-GW] --- [インターネット]
                |           |           |
                |       [MME]       [PCRF]
                |     （移動性管理） （ポリシー/課金）
                |
            [HSS]
          （加入者DB）

UE：      User Equipment（ユーザー端末）
eNodeB：  基地局（evolved Node B）
S-GW：    Serving Gateway（データ経路管理）
P-GW：    Packet Gateway（インターネット接続）
MME：     Mobility Management Entity（移動性管理）
HSS：     Home Subscriber Server（加入者情報）

主要特徴：
  - すべてのトラフィックがIPパケットで送信（All-IP）
  - 音声もVoLTE（Voice over LTE）で処理
  - フラットなアーキテクチャ（階層削減で遅延最小化）

移動性レベル
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移動なし                                      高い移動性
    |-------|--------|--------|--------|---------|
    固定    低移動    中移動    高移動   超高速移動
    デスクトップ WiFi  歩行者   車両     高速鉄道
             ローミング ハンドオフ ハンドオフ

ハンドオフ過程
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移動端末が1つの基地局から別の基地局へ移動：

  [旧BS] .... [移動端末] .... [新BS]
      |                              |
      |  信号弱化       信号強化     |
      |                              |
      |<--- ハンドオフ決定 --------->|
      |                              |
      |---- トラフィック経路切替 --->|
      |                              |

ハンドオフの種類：
  1. ハードハンドオフ：旧接続を切断して新接続（GSM）
  2. ソフトハンドオフ：両方に同時接続を維持（CDMA）

ハンドオフ基準：
  - 信号強度（RSSI）
  - 信号品質（SINR）
  - 負荷分散

移動性サポート：間接ルーティング
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ホームネットワーク                  訪問先ネットワーク
[ホームエージェント]                [外部エージェント]
     |                              |
     |<---- 移動端末登録 ----------|
     |                              |
通信相手 --> ホームエージェント --> 外部エージェント --> 移動端末
              （トンネリング）       （転送）

短所：三角ルーティング（Triangle Routing）
  通信相手が訪問先ネットワークのすぐ隣にいても
  ホームネットワークを経由しなければならない

直接ルーティング：
  通信相手がホームエージェントで現在位置を確認
  その後直接外部エージェントに送信（三角ルーティング回避）

WiFiセキュリティプロトコルの発展
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プロトコル | 発売  | 暗号化      | セキュリティレベル
-----------+-------+------------+-----------
WEP        | 1999  | RC4 (40bit)| 非常に脆弱（使用禁止）
WPA        | 2003  | TKIP       | 過渡期的
WPA2       | 2004  | AES-CCMP   | 良好
WPA3       | 2018  | SAE + AES  | 強力

WPA2の動作（4-wayハンドシェイク）：
  1. APがランダム値を送信
  2. クライアントがランダム値 + MICを送信
  3. APがグループキー + MICを送信
  4. クライアントが確認を送信
  --> 両側がセッションキーを安全に共有