ビーコンフレーム

ビーコンフレームは、 IEEE 802.11 WLANにおける管理フレームの一種です。ネットワークに関する情報が含まれています。ビーコン フレームは定期的に送信され、無線 LAN の存在を通知し、ネットワークを使用するデバイス (サービス セットのメンバー) との通信を同期するためのタイミング信号を提供します。インフラストラクチャ基本サービス セット( BSS ) では、ビーコン フレームはアクセス ポイント( AP )によって送信されます。アドホック( IBSS ) ネットワークでは、ビーコンの生成はステーション間で分散されます。2.4 GHz スペクトルでは、重複しないチャネル上に 15 を超えるSSID (または合計で 45 を超える SSID) がある場合、ビーコン フレームは大量のエアタイムを消費し始め、ほとんどのネットワークがアイドル状態のときでもパフォーマンスが低下します。

ビーコンフレームは、802.11 MACヘッダー、本体、フレームチェックシーケンス（FCS）で構成されています。^[1]本体のフィールドの一部を以下に示します。

• タイムスタンプ
  ビーコン フレームを受信すると、すべてのステーションはローカル クロックをこの時間に変更します。これにより同期が促進されます。
• ビーコン間隔
  これはビーコン送信間の時間間隔です。ノード（AP、アドホックまたはP2P GOモードの場合はステーション）がビーコンを送信しなければならない時間は、ターゲットビーコン送信時間（TBTT）と呼ばれます。ビーコン間隔は時間単位（TU）で表されます。これはAPで設定可能なパラメータであり、通常は100 TUに設定されます。^[2]
• 機能情報
  機能情報フィールドは 16 ビットに及び、デバイスとネットワークの機能に関する情報が含まれます。このフィールドでは、アドホック ネットワークやインフラストラクチャ ネットワークなどのネットワークの種類が通知されます。この情報とは別に、ポーリングのサポートや暗号化の詳細も通知されます。
• パスワード
• サポートされているレート
• 周波数ホッピング（FH）パラメータセット
• ダイレクトシーケンス（DS）パラメータセット
• 競合フリー（CF）パラメータセット
• IBSSパラメータセット
• 交通表示マップ（TIM）

インフラストラクチャ ネットワーク アクセス ポイントは、定義された間隔でビーコンを送信します。この間隔は、多くの場合、デフォルトで 100 TU (102.4 ミリ秒に相当) に設定されています。アクセス ポイントがないアドホック ネットワークの場合、ピア ステーションがビーコンの送信を担当します。アドホック ステーションは、ピアからビーコン フレームを受信すると、ランダムな時間待機します。そのランダムなタイムアウトが経過すると、別のステーションが既に送信していない限り、ビーコン フレームを送信します。このように、ビーコン フレームの送信の責任はアドホック ネットワーク内のすべてのピア間で交代され、ビーコンが常に送信されることが保証されます。

ほとんどのアクセス ポイントでは、ビーコン間隔を変更できます。ビーコン間隔を長くすると、ビーコンの送信頻度が低くなります。これにより、ネットワークの負荷が軽減され、ネットワーク上のクライアントのスループットが向上します。ただし、アクセス ポイントをスキャンしているステーションが他のチャネルをスキャンしているときにビーコンを見逃す可能性があるため、関連付けとローミングのプロセスが遅れるという望ましくない影響があります。一方、ビーコン間隔を短くすると、ビーコンの送信頻度が高くなります。これにより、ネットワークの負荷が増加し、ユーザーのスループットが低下しますが、関連付けとローミングのプロセスは速くなります。ビーコン間隔を短くすると、さらにマイナス面があり、省電力モードのステーションはビーコンを受信するために頻繁に起動する必要があるため、消費電力が高くなります。

tcpdumpやWiresharkなどのパケット監視ツールを使用してアイドル状態のネットワークを検査すると、ネットワーク上のトラフィックのほとんどがビーコン フレームで構成され、DHCPパケットなどの802-11以外のパケットがいくつか混在していることがわかります。ユーザーがネットワークに参加すると、ユーザーによって生成された通常のトラフィックとともに、各ビーコンへの応答が表示され始めます。

ステーションは、公称ビーコン間隔でビーコン送信をスケジュールする必要があります。ただし、チャネル アクセスが原因で送信に多少の遅延が生じる可能性があります。他のフレームと同様に、ビーコンはCSMA/CAアルゴリズムに従う必要があります。つまり、ビーコンを送信する必要があるときにチャネルがビジー状態 (別のステーションが現在フレームを送信中など) の場合は、ビーコンは待機する必要があります。つまり、実際のビーコン間隔は公称ビーコン間隔と異なる場合があります。^[3]ただし、ステーションは、ビーコン フレームが最終的に送信されたときにそのタイムスタンプを検査することで、この差を補正できます。

ビーコン フレームはネットワークにかなりのオーバーヘッドをもたらしますが、ネットワークの適切な動作には不可欠です。無線NIC は通常、すべてのRFチャネルをスキャンして、近くのアクセス ポイントの存在を通知するビーコンを探します。無線がビーコン フレームを受信すると、そのネットワークの機能と構成に関する情報を受信し、信号強度順に並べられた利用可能な適格ネットワークのリストを提供することもできます。これにより、デバイスは最適なネットワークに接続することを選択できます。

ネットワークに接続した後でも、無線 NIC はビーコンのスキャンを続けます。これにはいくつかの利点があります。まず、他のネットワークのスキャンを続行することで、現在のアクセス ポイントの信号が弱くなりすぎて通信を継続できなくなった場合に、ステーションは代替ネットワークを選択できます。次に、現在接続しているアクセス ポイントからビーコン フレームを引き続き受信するため、デバイスはそれらのビーコンのタイムスタンプを使用して内部クロックを更新できます。現在接続しているアクセス ポイントからのビーコンは、データ レートの変更など、差し迫った構成変更をステーションに通知します。

最後に、ビーコンにより、デバイスは省電力モードを持つことができます。アクセス ポイントは、現在スリープ状態のステーション宛てのパケットを保持します。ビーコン フレームのトラフィック表示マップでは、アクセス ポイントは、配信を待機しているフレームがあることをステーションに通知できます。