[IoT 지식능력검정] 3장. 사물인터넷 네트워크

1. 사물인터넷 네트워크 개요

 1.1 사물인터넷과 IPv6

  º 사물인터넷 디바이스들은 제한적 환경에서 통신을 위해 저전력 무선 통신기술을 적용함

    - 통신 범위, 대역폭, 비용, 전력소비 등을 고려해 IEEE 802.15.4, BluetoothLE, NFC 등 저전력 무선 근거리 통신기술을 적용

  º 저전력 무선 통신기술에 IPv6 적용을 위해 6LoWPAN에서는 127 bytes의 MTU를 가지는 IEEE 802.4 프레임 안에서 IPv6 패킷을 수용하기 위한 기술을 개발함

    - IPv6 헤더 가운데 여러 패킷들이 공동으로 사용하는 필드인 Version, Traffic, Class, Flow Label은 고정된 값이므로 전송할 필요가 없음

    - 디바이스 네트워크 안에서 복수개의 홉을 통한 IP 라우팅이 일어날 경우 기본적으로 40Byte의 IPv6헤드는 7 bytes로 압축 가능함

2. 사물인터넷 근거리 통신 기술

 2.1 와이파이

  º WiFi 개요

    - 사무실처럼 특정 지역에 존재하는 장치로 무선 통신 네트워크를 구성해주는 기술, AP(Access Point) 혹은 핫스팝(HotSpot)을 통해서 인터넷에 접속함

    - IEEE 802.11b, g, n 표준을 준용하며, 2.4, 5 GHz ISM 대역을 이용함, 최근에는 3.6, 60 GHz 대역을 사용하는 표준도 개발 중임

    - 다른 무선통신 기술보다 빠르고, 다양한 표준이 존재해서 다양한 통신 환경을 지원할 수 있음

  º WiFi 연결

    - 인프라스트럭처 모드(Infrastructure mode)

      1. 2.4 GHz ISM 대역은 2.400~2.483 GHz로, 83 MHz 대역에 한 개의 채널 폭이 20. 22 MHz 채널들을 5 MHz간격으로 배치할 수 있음(13개 채널 이용)

      2. WiFi AP는 13개의 채널을 살핀 후에 간섭이 가장 적은 채널을 선택함

      3. 주변에 신호가 거의 없다면, 일반적으로 1, 6, 11번 채널 중에 하나를 선택함

    - 애드혹 모드(Ad-Hoc mode)

      1. WiFi AP 없이 디바이스들이 직접 연결되는 경우

      2. 와이파이 디바이스 중 한 대가 화이파이 AP 역할을 하도록 설정함

  º WiFi 표준

2.2 블루투스와 비콘 기술

 º 블루투스 개요

    - 가까운 거리에서 데이터, 음성, 영상 등을 교환할 때 사용하는 무선 기술(2.4 GHz)로 1994년 에릭슨이 개발하였으며, 스마트폰, 노트북, PC 주변장치, 이어폰 등에 널리 이용

    - 저전력의 블루투스 스마트 기술 개발과 함께 사물인터넷에 적합한 통신 기술로 주목을 받고 있음

    - 블루투스 1.1, 1.2 : 723.1 Kbps / 2.0 : 2.1 Mbps / 3.0 : 24 Mbps / 4.0 : 24 Mbps, 저전력(BLE) 하이 스피드

 º 저전력 블루투스(BLE, Bluetooth Low Energy)

    - 2012년 BT4.0LE 출시

 º 블루투스 4.2

    - 블루투스 SIG는 2014년 12월 블루투스 4.2 스펙을 공식적으로 채택함

    - 4.0 대비 전송 속도가 2.5배 증가

    - 전송 패킷 용량 10배 증가

    - 전송 시 발생하는 전송 오류 및 배터리 소비량 감소

    - IP 지원

    - 인터넷 프로토콜 지원 프로파일(IPSP)

    - 블루투스 지원 센서 또는 디바이스가 직접 인터넷에 접속 가능

    - IPv6 지원으로 개별 센서 및 디바이스 모니터링 가능

    - WiFi와 같은 수준의 128bit AES 암호화 기술 적용으로 보안 강화

 º 블루투스 메시 네트워크

    - 인터넷망을 이용하지 않고 기기들을 직접 연결해 지역적인 그물망을 형성하는 구술

    - 센서나 전구 등 많은 기기를 한꺼번에 연결하는 응용분야에 적합

    - '허브 앤 스포크' 방식의 블루투스 네트워크 : 중앙 데이터 허브를 통해 연결

 º 블루투스 비콘

    - 선박, 기차, 비행기의 위치를 확인하거나 특정 목적의 신호를 주기적으로 신호를 보내는 장치

 º 블루투스 5

    - 전송 속도 2배 향상

    - 전송 거리 4배 확장

    - 브로드캐스트 용량 8배 확장

2.3 RFID 및 NFC

 º RFID

    - 리더가 전파를 방사하면 태그는 수신한 에너지를 이용하여 칩에 저장된 데이터를 리더로 반환하여 정보를 전달함(수동형)

    - 리더, 태그 , 미들웨어로 구성됨

    - 에너지의 보유 및 이용 방법에 따라 수동형, 반능동형, 능동형으로 나뉨

    - 반능동형은 데이터를 보낼 때 자체 배터리를 이용해 데이터 전송 거리를 늘림

    - 능동형은 배터리가 내장되어 있어 센서를 통한 센싱이 가능하며, 데이터 수신 요청이 없이도 능동적으로 데이터를 보낼 수 있음

 º NFC

    - 13.56 MHz 대의 FRID 기술을 발전시킨 것으로 비접촉식 양방향 근접 통신 기술

    - 피어 투 피어 모드 : 두 대의 NFC 디바이스가 상호 데이터 송수신이 가능, 전력 소모량가 큼

    - 리터/라이터 모드 : RFID 태그를 인식 하기 위한 리더

    - 카드 에뮬레이션 모드 : 기존의 RFID 카드처럼 동작, 전원 공급이 필요 없음 (교통카드, 신분증 등)

º 지그비(Zigbee)

    - 소형, 저전력, 저비용, 근거리 통신을 지향하며 IEEE 802.15.4 기반으로 구성

º Z-Wave

    - 홈오토메이션의 모니터링과 컨트롤을 위한 저전력 통신 기술

    - 900 MHz 대역

    - 벽을 투과해 30m 거리 통신 구간 확보

º WPAN

    - 개인 장비를 무선으로 연결하는 네트워크

º UWB

    - 군사용 레이더 및 원격 탐지용 주파수에 대한 상업적 이용을 허용하면서, 근거리 광대역 통신용 기술로 표준화됨

º WSN

    - 센서를 활용한 네트워크, 자동화된 원격 정보 수집을 기본 목적으로 하며 과학적, 의학적, 군사적, 상업적 용도로 활용

º WirelessHART 및 ISA100a

    - 군사용 레이더 및 원격 탐지용 주파수에 대한 상업적 이용을 허용하면서, 근거리 광대역 통신용 기술로 표준화됨

3. 사물인터넷 전용망 통신 기술

 3.1 사물인터넷 전용망 개요

  º IoT 서비스가 빠른 통신 속도를 갖출 필요는 없다는 점에 착안해 개발된 기술

  º 속도를 늦추면 출력이 낮아지고, 배토리 수명이 늘어나고, 가격이 낮아짐

  º 대표 기술 : LoRA, NB LTE-M, LTE-M Cat.1

  º 응용 분야 : 미아방지 서비스, 공공자전거, 도시가스, 전기 등 검침 서비스 등

4. 사물인터넷 응용계층 프로토콜

 4.1 HTTP

  º 클라이언트와 서버 간 정보를 주고받을 수 있는 애플리케이션 계층 프로토콜, 요청/응답 기반 데이터 교한 방식

  º 동작 방식

    - 클라이언트(웹)에서 서비스 요구하고, 서버와 TCP 연결을 생성

    - 웹에서 HTTP 표준에 맞게 요청 메시지 전송

    - 서버에서 요청을 읽고 응답

    - 응답 메시지는 요청 성공/실패 여부 표시

 4.2 CoAP

  º 패킷 손실률이 높은 네이퉈크 환경에서 저사양 하드웨어로 동작되는 센서 디바이스의 RESTful 웹 서비스를 지원하기 위한 경량 프로토콜

    - IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 삼고 IPv6를 사용

    - 기존 HTTP와 변환 및 연동이 쉬움

    - UDP 환경에서 유니캐스트와 멀티캐스트를 지원

    - 메시지 전달 타입은 확인형, 비확인형, 승인, 리셋의 4가지로 정의됨

 4.3 MQTT(Message Queue Telemetry Transport)

  º 지연 및 손실이 심한 네트워크 환경에서 검침기, 센서 등 작은 기기들의 신뢰성 있는 메시지 전달을 위해 개발

  º 메시지 손실 복구 기능이 지원