Wi-Fi(Wi-Fi: ワイファイ)
英語表記: Wi-Fi
概要
Wi-Fi(ワイファイ)は、主にIEEE 802.11規格に基づいて開発された無線ローカルエリアネットワーク(WLAN)技術のブランド名です。これは、コンピュータやスマートフォンなどのデバイスが、物理的なケーブル接続なしにネットワークへアクセスできるようにするための、必須の「ネットワークインターフェース」機能を提供する技術群を指します。つまり、コンピュータの周辺機器とインターフェースの文脈においては、有線LANケーブルの代わりに電波を利用してデータ通信を行うための窓口としての役割を担っている、非常に重要な構成要素の一つであると言えます。
詳細解説
Wi-Fiは、現代のコンピュータの構成要素として、ネットワーク接続の自由度を劇的に高めた技術です。この技術は、単に「無線でつながる」というだけでなく、コンピュータが外部のネットワークとデータをやり取りするための、高度に標準化されたインターフェースを提供しています。
ネットワークインターフェースとしての役割
Wi-Fiがこの階層構造(コンピュータの構成要素 → 周辺機器とインターフェース → ネットワークインターフェース)に位置づけられるのは、Wi-Fi通信を行うための回路(Wi-Fiアダプタ、または無線NIC:Network Interface Card)が、コンピュータ本体とネットワーク媒体(電波)との橋渡しをする役割を担っているからです。
有線LAN(Ethernet)がケーブルを介して電気信号をやり取りするのに対し、Wi-Fiアダプタはデジタルデータを無線信号に変換し、アンテナを通じて発信します。このアダプタは、かつては拡張カードとして搭載されていましたが、現在ではノートPCやスマートフォンにおいては、マザーボード上にチップとして組み込まれていることが一般的です。このインターフェースが適切に機能しなければ、コンピュータは外部ネットワークと連携することができません。
技術規格と進化(IEEE 802.11)
Wi-Fiは、電気電子技術者協会(IEEE)が策定した802.11という一連の規格群に基づいています。この規格は、技術の進歩に合わせて常に更新されており、ネットワークインターフェースの性能向上に直結しています。
| 規格名(通称) | 採用された主な技術 | 最大通信速度(理論値) | 主な特徴 |
| :— | :— | :— | :— |
| 802.11b | DSSS | 11 Mbps | 2.4GHz帯を使用。初期の普及に貢献。 |
| 802.11a | OFDM | 54 Mbps | 5GHz帯を使用。干渉に強いが、普及は遅れた。 |
| 802.11g | OFDM | 54 Mbps | 2.4GHz帯で高速化。bとの互換性を維持。 |
| 802.11n (Wi-Fi 4) | MIMO, 40MHz幅 | 600 Mbps | 複数アンテナ(MIMO)を導入し、大幅に高速化。 |
| 802.11ac (Wi-Fi 5) | MU-MIMO, 80/160MHz幅 | 6.9 Gbps | 5GHz帯を主に使用。ギガビット通信を実現。 |
| 802.11ax (Wi-Fi 6/6E) | OFDMA, 1024-QAM | 9.6 Gbps | 複数同時接続時の効率を向上。6Eは6GHz帯も利用。 |
特に近年主流となっているWi-Fi 5(ac)やWi-Fi 6(ax)は、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)やOFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)といった高度な技術を採用しています。これらは、単に最高速度を上げるだけでなく、複数のデバイスが同時に接続した際の通信効率を高める役割を果たしており、現代の複雑なネットワーク環境において、コンピュータのネットワークインターフェースとしての信頼性を支えています。
動作原理:CSMA/CAによる衝突回避
Wi-Fiは電波という共有媒体を使うため、有線LAN(Ethernet)とは異なる通信制御が必要です。有線LANがCSMA/CD(Collision Detection: 衝突検出)を用いるのに対し、Wi-FiではCSMA/CA(Collision Avoidance: 衝突回避)という仕組みを採用しています。
電波は目に見えないため、デバイス同士が同時に送信を開始してしまうと、データが衝突して壊れてしまいます。これを「隠れ端末問題」と呼びます。CSMA/CAでは、データを送信する前に、まず回線が空いているかを確認し、さらに「これから送りますよ」という予約信号(RTS/CTS)を送って、他のデバイスに待機を促します。
これはまるで、大勢の人が集まる会議室で、発言者がマイクを使う前に「ちょっといいですか?」と手を挙げて、他の人に一時的に黙ってもらうようなイメージです。この譲り合いの仕組みこそが、Wi-Fiインターフェースが共有環境下で安定した通信を維持するための、最も重要な技術的基盤なのです。
周波数帯の選択と影響
Wi-Fiは主に2.4GHz帯と5GHz帯、そして最新のWi-Fi 6Eでは6GHz帯を使用します。ネットワークインターフェースとして、どの周波数帯を利用するかは、通信の質に大きく影響します。
- 2.4GHz帯: 遠くまで届きやすく、壁などの障害物にも強いですが、電子レンジやBluetooth機器など多くの機器が利用するため、電波干渉を受けやすいという欠点があります。
- 5GHz帯: 2.4GHz帯よりも高速で、干渉する機器が少ないため安定していますが、直進性が強く、壁や床で減衰しやすいため、通信範囲が狭くなる傾向があります。
ユーザーは、利用する環境に応じて、コンピュータのWi-Fiインターフェースがどの周波数帯に対応しているかを確認し、適切なアクセスポイントと接続することが求められます。
セキュリティの重要性
ネットワークインターフェースとしてのWi-Fiは、通信内容が傍受されやすいというリスクを常に抱えています。そのため、セキュリティプロトコルが非常に重要です。初期のWEPは脆弱でしたが、現在ではWPA2や、より強固な暗号化技術を用いるWPA3が主流となっています。これらのセキュリティ機能は、Wi-Fiアダプタとアクセスポイント間で認証と暗号化を行い、データの機密性を守る役割を果たしています。
具体例・活用シーン
Wi-Fi技術は、コンピュータの構成要素であるネットワークインターフェースの進化を最も象徴していると言えるでしょう。
- モバイルデバイスの普及: スマートフォンやタブレットが、場所を選ばずに高速なインターネット接続を享受できるのは、高性能なWi-Fiインターフェースが内蔵されているからです。これにより、私たちは移動中でもビジネスや学習を継続できるようになりました。
- IoTデバイスとの連携: スマートホーム機器(スマートスピーカー、カメラ、照明など)は、Wi-Fiを介して中央のルーターやスマートフォンと連携します。これらの機器も、小さなコンピュータとしてWi-Fiネットワークインターフェースを搭載しています。
- 社内ネットワークの柔軟性: オフィス環境において、有線LANポートのない会議室やフリーアドレスの導入を可能にしたのはWi-Fiです。これにより、従業員は自分のノートPCをどこでもネットワークに接続でき、生産性が向上しました。
初心者向けの比喩:高速道路の料金所
Wi-Fiネットワークインターフェースの役割を理解するために、アクセスポイントを「高速道路の料金所」、Wi-Fiアダプタを搭載したコンピュータを「料金所を通行する車」に例えてみましょう。
- 接続(認証): 車(コンピュータ)が料金所(アクセスポイント)に近づいたとき、ETCカード(パスワードや認証情報)を使って、自分が正規の利用者であることを証明します。これがWPA2/WPA3による認証です。
- インターフェースの役割: 車に搭載されたETC車載器(Wi-Fiアダプタ)は、料金所からの電波(無線信号)をキャッチし、必要な情報(データ)を正確にやり取りするための窓口です。
- CSMA/CA(交通整理): 料金所には一度に多くの車が集中しますが、同時に複数の車が料金所のゲートに突っ込むと大渋滞(衝突)が起きます。CSMA/CAは、料金所の手前で車同士が「どうぞお先に」「ありがとうございます」と譲り合いながら、スムーズに通過できるようにする交通ルールのようなものです。これにより、限られた電波という資源を効率よく利用できるのです。
資格試験向けチェックポイント
ITパスポート、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、Wi-Fiはネットワーク技術の基礎として頻出します。特に、コンピュータのインターフェース技術としての側面が問われます。
- IEEE 802.11規格: 各規格(a, b, g, n, ac, ax)の概要、特に利用周波数帯(2.4GHz, 5GHz)と最大通信速度の傾向は必ず押さえてください。Wi-Fi 4以降のMIMO技術や、Wi-Fi 6のOFDMAによる効率向上も重要です。
- CSMA/CAとCSMA/CDの違い: Wi-Fi(無線)がCSMA/CAを採用し、Ethernet(有線)がCSMA/CDを採用する理由(隠れ端末問題の対策)を理解しておく必要があります。これは、ネットワークインターフェースの設計思想の違いとして問われます。
- セキュリティプロトコル: WPA2およびWPA3の役割と、それが通信の機密性、完全性、可用性のうち、主に機密性を高めるために使われることを理解しておきましょう。特にWPA3では、より高度な暗号化が求められます。
- インフラストラクチャモードとアドホックモード: Wi-Fiの接続形態として、アクセスポイント(AP)を介する一般的な接続(インフラストラクチャモード)と、端末同士が直接通信する接続(アドホックモード)の違いを知っておく必要があります。コンピュータのネットワークインターフェースは、どちらのモードにも対応可能です。
- 関連技術: Wi-Fiインターフェースが取得するIPアドレスを自動で割り当てるDHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)や、ネットワークアドレスを解決するARP(Address Resolution Protocol)など、他のネットワークプロトコルとの連携も重要です。
関連用語
- 情報不足
(関連用語として「IEEE 802.11」「アクセスポイント (AP)」「CSMA/CA」「WPA3」「MIMO」「OFDMA」などを掲載することを推奨します。)