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メッシュWi-Fi

読み：めっしゅわいふぁい　／　英語表記：Mesh Wi-Fi

複数のアクセスポイントが互いに通信をつなぎ、同じSSIDを持つ一つの無線LANとして広い範囲をカバーする構成方式である。アクセスポイント同士を結ぶ中継用の通信路をバックホールと呼び、標準化された方式にはIEEE 802.11sやWi-Fi EasyMeshがある。

イマシルちゃんの解説

広い家やオフィスでは、アクセスポイント1台だけだと離れた部屋まで電波が届きにくいことがあるんだ。
そこで、何台ものアクセスポイントを置いて互いに通信をつなぎ、一つのネットワークとして働かせる構成をメッシュWi-Fiというよ。
端末から見ると接続先のネットワークの名前は一つだけだから、部屋を移るたびに設定を変える必要はないの。
アクセスポイント同士を結ぶ中継用の通信路をバックホールというよ。
無線でつなぐ場合は、その電波が十分に届く位置に機器を置くことが大切なんだ。
機器同士が中継経路を調整するので、広い範囲を一つのネットワークで使いやすくなるよ。

より深い解説

定義と位置付け

メッシュWi-Fiは、複数のアクセスポイント（AP）を連携させて一つの無線LANを作る構成の呼び名である。製品の宣伝で広く使われる言葉で、一つの規格名ではない。実現方法は大きく三つに分かれる。

実現方法定めている組織特徴
IEEE 802.11sIEEE無線LANの規格に、複数のホップで中継するメッシュの仕組みを加えた追補
Wi-Fi EasyMeshWi-Fi Alliance複数のAPを一台の制御役がまとめて管理する仕様。異なるメーカーの機器を組み合わせられる
独自方式各メーカー同じメーカーの製品同士で中継経路や接続先を最適化する。家庭用製品に多い

どの方式でも、端末（スマートフォンやPC）側にメッシュ専用の機能は要らない。端末は通常のAPに接続するのと同じように、近くのAPへ接続する。メッシュの仕組みはAP同士の間で働く。

メッシュWi-Fiは無線LANのIEEE 802.11ax（Wi-Fi 6）のような世代とは別の観点の言葉である。「Wi-Fi 6対応のメッシュWi-Fi」のように、両方を満たす製品もあれば、どちらか一方だけの製品もある。

構成要素

要素役割
親機（ルートAP）ルータやONUと有線で接続し、メッシュ全体の出入口になる
子機（サテライト、ノード）親機や他の子機と通信をつなぎ、周辺の端末を収容する
フロントホールAPと端末の間の無線区間
バックホールAP同士を結ぶ区間。無線のほか、イーサネットケーブルで結ぶ有線バックホールもある
制御機能中継経路、チャネル、端末の接続先などを調整する。方式によって一台に集めるか各APに分散させるかが異なる

家庭用の製品では、親機がルータ機能を持ち、子機はブリッジとして動くのが一般的である。端末はどのAPに接続していても、同じIPサブネットでDHCPからアドレスを受け取る。このため、APを移ってもIPアドレスは変わらない。

中継の仕組み

メッシュWi-Fiで新しい子機を追加し、端末の通信を届けるまでの流れは次のようになる。具体的な手順は方式や製品で異なる。

  1. 子機を追加する。ボタン操作やQRコードの読み取り、専用アプリなどで、ネットワークに参加するための認証情報を受け取る。
  2. 子機は、電波の品質や親機までの段数を手掛かりに、どのAPを経由して親機へつながるかを決める。
  3. 各APは同じSSIDと同じセキュリティ設定で電波を出し、端末を収容する。
  4. 端末のフレームは、受け取ったAPからバックホールを経由して親機へ転送される。
  5. あるAPが停止したり電波状況が変わったりすると、残りのAPで中継経路を組み直す。

4の転送には、無線のフレームの宛先表現が関わる。通常のAPと端末の通信では、無線フレームのアドレス欄を3つ使う。AP同士の無線区間では、無線で送受信する機器のアドレスに加えて、元の送信元と最終的な宛先も運ぶ必要がある。このため4つのアドレス欄を使う形式が用いられる。

IEEE 802.11sの仕組み

IEEE 802.11sは、IEEE 802.11の機器が自ら構成する複数ホップのネットワークを作るための追補で、2011年に承認された。後にIEEE 802.11-2012に統合されている。概要はIEEE Standards Associationの802.11sのページで確認できる。

802.11sでは、メッシュに参加する機器を「メッシュSTA」、メッシュSTAの集まりを「メッシュBSS（MBSS）」と呼ぶ。メッシュの外の有線ネットワークなどと接続する機器を「メッシュゲート」と呼ぶ。メッシュSTAがAPの機能も兼ねれば、メッシュSTAではない一般の端末も収容できる。

経路の選択はIPのルーティングではなく、データリンク層（MAC層）で行う。必須の経路選択プロトコルはHWMP（Hybrid Wireless Mesh Protocol）で、必要になったときに経路を探す方法と、あらかじめ根となる機器への経路を作っておく方法を組み合わせる。経路を探すときは経路要求（PREQ）を送り、宛先から経路応答（PREP）が返る。

経路の良さの判断には、既定でエアタイムリンクメトリックを使う。これは試験用のフレームを送るのに必要な電波の占有時間を、伝送速度とフレームの誤り率から見積もる値である。経路全体ではリンクごとの値を合計し、合計が小さい経路を選ぶ。単に段数が少ない経路ではなく、速く確実に送れる経路が選ばれる。

メッシュSTA同士の接続には相互の確認が必要で、パスワードを使う場合はSAEによる認証を利用できる。SAEは中央の認証サーバを必要とせず、オフラインの辞書攻撃に強い方式で、WPA3にも使われている。仕組みの解説はCWNPの802.11s資料が詳しい。

Wi-Fi EasyMeshの仕組み

Wi-Fi EasyMeshはWi-Fi Allianceが定める、複数APで一つのネットワークを作るための仕様と認定プログラムである。目的は、異なるメーカーのAPを組み合わせても連携できるようにすることにある。Wi-Fi AllianceのEasyMeshの紹介では、端末を最適なAPへ導く機能や、QRコードを使うWi-Fi Easy Connectでの機器追加が挙げられている。

EasyMeshでは役割を二つに分ける。

役割内容
コントローラー（Multi-AP Controller）ネットワーク全体の状態を集め、バックホールとフロントホールの構成や端末の誘導を決める
エージェント（Multi-AP Agent）各APで動作し、制御役の指示を実行して、電波の測定結果や能力を報告する

各APの無線は、端末を収容するフロントホール用のBSSと、子機を接続させるバックホール用のBSSに分けて使える。子機側は「バックホールSTA」として上流のAPに接続する。AP間の制御メッセージにはIEEE 1905.1の仕組みが使われる。

制御が一台に集まるので管理しやすい一方、制御役が停止すると全体の最適化は止まる。どの範囲の通信が影響を受けるかは実装による。

無線で中継するときの速度

無線で中継する構成では、中継のたびに電波の使用時間が増える。バックホールとフロントホールが同じチャネルの同じ無線部を共有すると、受信と送信を同時にはできず、時間を分け合うことになる。

独自の例で考える。親機から子機までの無線区間の実効速度を600Mbit/s、子機から端末までを400Mbit/sとし、両区間が同じチャネルの時間を分け合うとする。データ量をD（Mbit）とすると、2区間を送るのにかかる時間はD ÷ 600 ＋ D ÷ 400である。

実効スループット ＝ 1 ÷（1 ÷ 600 ＋ 1 ÷ 400）
                 ＝ 600 × 400 ÷（600 ＋ 400）
                 ＝ 240,000 ÷ 1,000 ＝ 240Mbit/s

各区間がそれぞれ400Mbit/s以上出せても、端末から見た速度は240Mbit/sに下がる。両区間が600Mbit/sなら半分の300Mbit/sである。段数が増えるほど、この低下は大きくなる。

対策として、バックホール専用の無線部を持つ製品がある。例えば2.4GHz帯の無線部1つと5GHz帯の無線部2つを持つトライバンドのAPなら、5GHz帯の一つをバックホール専用にできる。区間ごとに別のチャネルを使えば時間を分け合わずに済み、理想的には遅い方の区間の速度まで出せる。最も確実なのは、配線できる場所でイーサネットの有線バックホールを使うことである。

端末の接続先の切り替え

端末がAPを移ることをローミングという。どのAPへ移るかを最終的に判断するのは端末側であり、メッシュWi-Fiは判断を助けることしかできない。電波が弱くなっても元のAPにつながり続ける端末は「スティッキークライアント」と呼ばれ、速度低下の原因になる。

切り替えを助ける仕組みとして、IEEE 802.11の追補による次の機能がある。いずれもメッシュWi-Fi専用ではなく、APと端末の両方が対応して初めて使える。

追補働き
IEEE 802.11k近くのAPの一覧（ネイバーレポート）を端末に知らせ、移る先を探しやすくする
IEEE 802.11vAPから端末に、別のAPへ移るよう勧める（BSS遷移管理）
IEEE 802.11r移動先のAPでの認証と鍵の確立を短時間で済ませる（高速BSS遷移）

同じSSIDでも、APごとに暗号化方式やパスワードが違えば端末は同じネットワークとして扱えない。全APでSSIDとセキュリティ設定をそろえることが前提である。2.4GHz帯と5GHz帯のどちらに接続させるかを誘導するバンドステアリングを組み合わせる製品もある。

似た構成との比較

観点メッシュWi-Fi無線LAN中継機有線APとコントローラー
AP間の接続無線または有線のバックホール。経路を自動で調整する親機の電波を受けて同じ内容を再送信するすべて有線LAN
管理AP同士または制御役が自動で調整する機器ごとに個別に設定するコントローラーで集中管理する
速度への影響無線中継では段数に応じて低下する。専用バックホールで緩和できる同じチャネルで中継すると大きく低下しやすい無線区間は1区間だけ
向いている場所家庭や小規模オフィス、配線が難しい建物一部の死角を補う用途端末の多い大規模オフィス

企業のオフィスでは、APをすべて有線でつなぎ、無線LANコントローラーやクラウド管理で集中制御する構成が多い。APへの給電にはPoEを使える。配線できない場所だけ無線のバックホールで補う、という組み合わせもある。

設計と障害の切り分け

子機は、親機の電波がかろうじて届く端ではなく、親機との間に十分な品質が得られる中間に置く。バックホールの品質が悪いと、その子機に接続する全端末が遅くなる。

5GHz帯のW53・W56では、気象レーダーなどを検知するとDFSによりチャネルを変更する必要がある。無線バックホールにこれらのチャネルを使っていると、チャネル変更の間に子機の通信が途切れることがある。チャネル区分と規制の詳細は5GHz帯の記事で扱う。

すでにルータがある環境でメッシュの親機もルータとして動かすと、二重にNATを行う構成になる。ポート開放などが必要な場合は、どちらかをブリッジ（APモード）として動かす。また、有線と無線のバックホールを同時に使える構成では、機器がループを処理できるかを確かめる。

症状確認すること
特定の子機の周辺だけ遅いその子機のバックホールの電波品質、中継段数、有線バックホールにできないか
移動すると通信が途切れる端末が切り替えを支援する機能に対応しているか、全APの設定がそろっているか
ときどき全体が一斉に途切れるレーダー検知によるチャネル変更、親機の停止、制御役の状態
一部の通信だけ外部と接続できない二重NATやポート転送の設定
遠いAPに接続し続けるスティッキークライアント、APの出力やローミングの閾値の設定

セキュリティでは、フロントホールとバックホールの両方を暗号化することが必要である。管理画面の認証情報を変更し、APのファームウェアを更新する。来訪者向けのSSIDを別に用意する場合は、社内のネットワークと分離する。

午後での問われ方

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