第 10 回無線 LAN, ARP

本日の内容

10-1. 無線 LAN
10-2. ARP

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10-1. 無線 LAN

IEEE 802.11 委員会では物理層として赤外線、電波を使用する LAN の規格の標準化が行われています。そこで提案されたのが IEEE 802.11a, b, g です。

	802.11a	802.11b	802.11g
使用周波数	5GHz	2.4GHz(電子レンジなどと同じ)
通信速度	54Mbps	11Mbps	54Mbps
伝送方式	OFDM	HR/DSSS	OFDM

業界団体 WECA(ワイヤレス・イーサネット・コンパティビリティ・アライアンス) は IEEE802.11 で相互に互換性を保証するブランドとして WIFI(Wireless Fidelity) という名前を使ってます。

無線LANの特性

Ethernet の CSMA/CD 方式では LAN のサイズがあらかじめ決まっているので、チャネルが空いているかどうかはチャネルを受信すればわかります。また、宛先にパケットが到達したことは送信後一定時間混信がなければ判定できます。しかし無線 LAN では隠れ局問題と露出局問題という問題があり、チャネルの空きを判定するのが困難です。

隠れ局問題

隠れ局問題 C から B へデータを送信していても、 C の電波は A に届かないため、 A は B に送信可能だと考える。しかし、A から B には送信できない。

露出局問題

露出局問題 C から D へデータを送信している間、 C の電波は B に届くため、B はチャネルは塞がっていると考える。実際は B から A へデータを送ることができる。

送信方式

無線 LAN には DCF と PCF の二種類の送信方式があります。 DCF(Distributed Coodination Function 分散制御機構)は各ホストが相互に通信を制御する方式でアドホックネットワークとも言われます。一方 PCF(Point Coodination Function 集中制御機構)は一点で通信を制御する方式でです。

競合回避

PCF では中央の局が全てを管理するため競合は起きません。基地局は各端末局に対して送信データの有無を聞く、ポーリングサービスを行います。また、基地局がビーコン・フレームと呼ばれる定期的なパラメータの送信を行い、新規の局はポーリングサービスに参加できるようになってます。

一方、 DCF では競合回避のアルゴリズムとしてCSMA/CA(Carrier Sence, Multiple Access, Collision Avoidance) が用いられます。これは二つのアルゴリズムを含みます。一つは送信前にキャリアを検出しますが、検出した時は 802.3 の巾乗バックオフのように送信時間をずらします。もう一つは仮想チャネルを考える物で次のような工程でデータを送ります。

送信者はデータを転送する前に転送許可要求を送る。
受信者は転送許可を与える。
送信者は転送許可を受け取ったら、データを転送する。
受信者はデータを受け取ったら ACK を送る

この際、送受信者以外は転送許可要求または転送許可を受信したらチャネルを使用するのを止めます。そして、データの終了または ACK を受信したらチャネルを使用できます。

PCF と DCF の混在

集中管理と分散管理の併用は困難なように思えますが、ACK をトリガーとしてプロトコルを時分割で使用すると併用できるようになります。 ACK の送信後の時間を次のように 4 つに区切ります。

対向通信用
基地局用
新規局用
エラー、その他

セキュリティ

WEP(Wired Equivalent Privacy) は無線 LAN が有線 LAN と同等のセキュリティレベルを持つように考案されたセキュリティモデルです。これは基地局と端末で 128 bit の共通鍵を用い、 RC4 と呼ばれる暗号方式を使ったストリーム暗号です。但し、 RC4 自体は 2001 年に破られてしまい安全ではありません。そして、 IEEE は WEP が破られてしまったことに対し 802.11i という規格で新しい暗号を出すと発表しました。

IEEE 802.11i の策定には時間がかかったため、 2002 年 10 月にその規格の一部を先取りした WPA(Wi-Fi Protected Access)という規格を出しました。

2004年6月になってようやくIEEE802.11iが策定されたので、これをました。これを受け、WECA は IEEE802.11i仕様と同じ機能を備えたWPA2を発表しました。 Microsoft は 2005 年 5 月に Windows XP SP2 用の WPA2 に対応したモジュールを発表しました。

10-2. ARP

Ethernet では相互の通信は Ethernet のプロトコルで行います。そのためにはMAC アドレス(Ethernet アドレス)を使用します。一方、インターネットでは IP アドレスを使用して通信を行うことになってます。インターネットとして Ethernet を使うにはどうすれば良いのでしょうか? そのためには IP アドレス同士の通信を MAC アドレス同士の通信に変換する必要があります。

ARP(Address Resolution Protocol RFC826) は特定の IP アドレスから、その IP アドレスを持つホストの MAC アドレスを取得するプロトコルです。これを用いると同一ネットワーク上の IP 通信を Ethernet で行うことができます。

ARP の手順

IP アドレス A のホストから IP アドレス B のホストへ通信を行うことを考えます。 A の MAC アドレスは X、 B の MAC アドレスは Y とします。

始めに A は Ethernet のブロードキャストアドレスに対して「IP アドレス B を持つホストは連絡して」というメッセージを送ります。これには送信元の MAC アドレス X が付加されてます。
すると同一ネットワーク上の全てのホストがそのメッセージを聞き、 IP アドレス B を持つホストだけが「Y が B のアドレスです」というメッセージを X 宛のユニキャストで送ります。

送られて来たIPアドレスと MAC アドレスの対応の情報は ARP テーブルというテーブルに蓄えられてます。これを操作するのが arp です。 ARP テーブルを表示するには次のようにします。

arp -a

ARP テーブル蓄えられたアドレスは数分で消えます。しかし、一旦あるホスト X に付けた IP アドレス A を別のホスト Y で使おうとする時、X と通信を行っていたホスト Z には数分の間、ARP テーブルに X と A の組が残ることになり、その間ホスト Y とは通信できません。また、大量のファイル転送を行うときなどに、無線 LAN から有線 LAN へ切替えた時、 IP アドレス A は無線アクセスポイントに付けられた Ethernet アドレス X から、ホストの Ethernet アドレス Y に切り替わりますので、同じことが起こります。これに対処するにはホストの登録を ARP テーブルから消す必要があります。特定のホストを ARP テーブルから消去するのは次のコマンドです。

arp -d ホスト名

ARPのプロトコル

ここでは、MAC アドレス E_X, IP アドレス I_X を持つホスト X が、 IP アドレス I_Y を持つホスト Y の MAC アドレス E_Y を求める時のプロトコルの流れを示します。

問い合わせ

ARP の問い合わせをするには、次のようなパケットを Ethernet フレームに入れてブロードキャストします。なお、Ethernet フレームの長さの欄は、実際は IANA の Ethernet-numbers( http://www.iana.org/assignments/ethernet-numbers で定められた値を入れることで、フレームのタイプも指定することができます。 IPパケットは 0x0800(RFC 894)、ARP は 0x0806 を入れます。

イーサフレーム

宛先

FF-FF-FF-FF-FF-FF(ブロードキャスト)

送信者

自分の MAC アドレス=E_X

長さ/タイプ

ARP=0x0806

データフィールド(ARP パケット)

ハードウェア	Ethernet=1
プロトコル	IP=0x0800
ハードウェアアドレス長	6(Byte)
プロトコルアドレス長	4(Byte)
OPcode	Request=1
送信者ハードウェアアドレス	自分のMACアドレス=E_X
送信者プロトコルアドレス	自分のIPアドレス=I_X
ターゲットハードウェアアドレス	don't care
ターゲットプロトコルアドレス	相手のIPアドレス=I_Y

返答

ARP の問い合わせに対して、返答するには、次のようなパケットを Ethernet フレームに入れて相手に直接ユニキャストします。