고급 IoT 응용 3차시 강의 정리-기반기술과 Product Review 리포트 발표

고급 IoT 응용 3차시 강의 정리-기반기술과 Product Review 리포트 발표

안녕하세요. 일주일이 금방 갑니다. 잘 지내셨나요? 봄이 올듯 말듯 주저하고 있습니다. 꽃샘추위도 오고 꽃 피기 직전의 황량함이 지나야 봄이 오겠죠. 벌써 세 번째 시간입니다. 오늘은 사물인터넷 기반기술에 대해 알아보겠습니다. 그리고 시간이 되면 Product Review 잠깐 알아보고, 제출한 리포트를 발표하는 시간을 갖도록 하겠습니다. 

IoT(사물 인터넷)의 주요 기반기술은 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라 기술, 서비스 인터페이스 기술입니다. 센서를 가진 사물과 통신 연결은 인터넷 연결을 의미합니다. 그리고 모아진 데이터의 사용자 인터페이스 기술입니다. 센싱 기술은 센서로부터 정보를 수집·처리·관리하고 정보가 서비스로 구현되기 위한 인터페이스를 갖추어야 합니다. 네트워크 종단간(end-to-end)에 사물 인터넷 서비스를 지원하기 위해서는 근거리 통신기술(WPAN, WLAN등), 이동 통신기술(2G, 3G등)과 유선 통신기술 (Ethernet, BcN등) 등의 유무선 통신 및 네트워크 인프라 기술이 필요합니다. 마지막으로 사용자에게 사물 인터넷 서비스를 제공하기 위해서는 정보를 센싱, 가공/추출/처리, 저장, 판단, 상황 인식, 인지, 보안/프라이버시 보호, 인증/인가, 디스커버리, 객체 정형화, 오픈 API, 오픈 플랫폼 기술 등을 포함하는 서비스 인터페이스 기술까지 3가지가 사물인터넷의 기반 기술입니다.  

최근에는 사물 인터넷 서비스를 보다 편리하게 구현하고 관리할 수 있는 기술들이 개발되고 있으며, 사물 인터넷 정보 전송, 메시지 처리, 통신 프로토콜 등에 대한 기술의 중요성이 부각되고 있습니다.

센서기술

아이폰을 시작으로 휴대폰에서의 센서 사용이 급증하죠? 최근 출시되고 있는 스마트폰이 탑재하고 있는 센서의 개수는 약 20개 정도 됩니다. 각종 안전 관련 신기능들이 구현되고 있는 자동차의 경우 2015년경에는 약 200개 이상의 센서가 사용된 것으로 보이고, 또한 밴드, 시계 형태의 웨어러블 기기의 출시로 다양한 분야에서 센서 활용도가 증가하고 있습니다. 센서 활용의 본격화로 디바이스의 영역은 스마트폰, 태블릿과 같은 IT 산업 중심에서 건강, 교육, 의료 등 다양한 영역으로 확대되고 있다. 이에 따라 IoT 시대가 현실화 되고 있다.

센서 분야에서 200편 이상의 논문을 발표하며 ‘센서의 아버지’라고 불리는 Janusz Bryzek 교수는 향후 10년 이내에 지구상에 사용되는 센서의 개수가 1조 개를 넘게 될 것이라고 예상했습니다. 좀 자료가 지났지만 참고하십시요. (2013년 10월 스탠포드 대학 ‘Trillion Sensors Summit’).
센서 제조사 중심의 낙관론처럼 비춰 질 수 있겠지만, 인텔, HP, 보쉬, 퀄컴 등 다양한 분야의 IT 기업들 또한 5~10년 이내 Trillion 센서 시대를 전망하고 있는데, 이는 단순히 센서 제조 기업뿐만 아니라 모바일 프로세서, 디바이스, 서비스 등 IT 분야 다양한 산업군의 대기업들이 공통적으로 전망하고 있습니다. 가속도계, 자이로스코프 등의 센서를 예로 들더라도 이미 80년대 이전부터 기술이 개발되어 2000년대부터 상용화가 시작되었습니다. 이들 센서는 스마트폰에 본격적으로 사용되며 시장이 급속히 확대되었고 시장 확대에 따른 가격 하락으로 인해 다양한 기기에 범용적으로 사용이 가능해졌다. 실제로 이들 센서들은 초기 스마트폰의 가로/세로 화면 전환, 게임 컨트롤 등과 같은 일부 기능에만 사용되었으나, 현재는 밴드, 시계 등 웨어러블 (Wearable) 기기를 통해 피트니스(Fitness) 서비스, 헬스케어 (Health care) 분야 등 적용 범위가 IT 산업 전반에 걸쳐 다양하게 확대되고 있죠. 

통신기술

광범위한 지역에 걸쳐 사람과 각종 사물을 인터넷과 연결하고 필요한 정보를 주고 받는 사물 인터넷이 구현되기 위해서는 언제(Anytime) 어디에서나(Anywhere) 어떤 사물(Anything)과도 연결되어 데이터를 주고 받을 수 있는 초연결(Hyper connection)의 실현이 필수적이다. 이를 위해서 다양한 종류의 유무선 네트워크 기술을 이용하여 각지로 데이터를 효과적으로 송수신하고, 원활하게 처리할 수 있는 네트워크 인프라가 구축되어야 한다.

원래 네트워크 인프라는 데이터를 유무선으로 송수신하는 라우터(Router)와 게이트웨이 (Gateway), 기지국 (Base station) 등의 장비를 주로 지칭하였다. 그러나 기술의 융합 및 장비 간 역할의 경계가 흐려지면서 현재는 방송 제작 및 송수신을 위한 방송 장비에서부터 데이터의 수집과 처리, 그리고 저장을 위한 데이터 센터까지를 포괄하는 광의의 개념으로 확장되고 있으며, 그 중요성 또한 한층 강조되고 있다.

▪ 비IP 네트워크 표준 기술
유무선 통신 네트워크를 위한 기술로는 근거리 통신, WiFi, 3G/4G/LTE 등이 대표적이다. 한편, 인터넷 연결을 기반으로 디바이스가 정보를 주고받는 IP방식의 프로토콜과는 달리, IP를 사용하지 않는 디바이스간 통신은 블루투스, ZigBee, RFID, ZWave 등을 이용한다. 이러한 비IP 네트워크 기술을 구현하고 있는 전통적인 센서 노드 구조는 싱크노드(Sink Node)를 통해 인터넷과 연결되어 정보를 공유할 수 있다. 이를 위해 센서 노드는 6LoWPAN과 같은 기술을 적용할 필요가 있다. 6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN)은 저전력 WPAN상에 IEEE 802.15.4를 PHY/MAC으로 하는 IPv6를 탑재하여 기존 IP네트워크에 연결하는 기술이다. 6LoWPAN을 포함한 관련된 여러 기술들에 대해 기술해 보기로 한다.

▪ ZigBee
ZigBee는 저속의 전송 속도와 근거리 통신을 위하여 ZigBee Alliance에서 개발한 무선 네트워크 기술이다. 작은 크기로 전력 소모량이 적고 가격이 저렴하여 홈네트워크 등, 유비쿼터스 구축 솔루션으로 각광받고 있으며, 지능형 홈네트워크, 빌딩 등의 근거리 통신 시장과 산업용 기기 자동화, 물류, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 환경 모니터링, 군사 등에 활용된다. ZigBee 프로토콜은 물리 계층, 미디어 액세스 제어(MAC) 계층, 네트워크 계층, 그리고 어플리케이션 계층으로 이루어져 있다. 
ZigBee의 물리 계층과 MAC 계층은 IEEE 802.15.4 표준에 정의되어 있으며, 그 이외의 프로토콜 스택은 ZigBee 사양에 정의되어 있다. IEEE 802.15.4 초기 버전에서는 유럽은 868 MHz 대역에서 20kbps, 미국은 915 MHz에서 40kbps를 지원하였다. ZigBee 네트워크 계층은 트리 구조와 메쉬 구조를 위한 라우팅과 어드레싱를 지원하고 있으며, 어플리케이션 프로파일러는 ZigBee Home Automation Public Profile과 ZigBee Smart Energy Profile이 대표적으로 사용된다. 새로운 ZigBee 사양인 RF4CE는 가전의 원격 제어를 위한 솔루션과 스타 토폴로지를 위한 간단한 네트워크 스택을 정의하고 있다. RF4CE는 2.4GHz의 주파수 대역을 사용하고, AES-128을 이용한 보안 기능을 제공한다

▪ Z-Wave
Z-Wave는 ZenSys가 주축이 된 Z-Wave Alliance에서 제정한 홈 오토메이션 무선 전송 방식이다. Z-Wave의 주 목적은 무선 네트워크에서 하나 이상의 노드들과 제어유니트 사이에 신뢰성 있는 통신을 제공하는 것이다. Z-Wave는 물리 계층, 미디어 액세스 제어(MAC) 계층, 전송 계층, 라우팅 계층, 그리고 어플리케이션 계층으로 구성되며, 900MHz 대역(유럽: 869MHz, 미국: 908MHz)과 2.4GHz대역에서 9.6kbps, 40kbps, 그리고 200kbps의 속도를 제공한다. Z-Wave 기술은 장치 간 통신을 위해 콘트롤러와 슬레이브 두가지 장치를 정의한다. 콘트롤러는 슬레이브에서 명령을 전송하며, 슬레이브는 명령에 대한 응답을 하거나 명령을 수행하는 기능을 한다. Z-Wave의 라우팅 계층은 소스 라우팅 기반의 라우팅을 지원한다

▪ INSTEON
SmartLabs에서 개발한 INSTEON은 무선 기술을 활용하여 조명 스위치를 연결하는 기술이다. RF 링크와 AC-전원 링크간에 메쉬 네트워크 토폴로지를 구성하여 작은 구역에서 장치 간 통신을 구현한다. INSTEON 기술은 904 MHz 대역에서 동작하며, 38.4 kbps 데이터 전송 속도를 제공한다. INSTEON의 디바이스들은 전송자 역할, 수신자의 역할, 혹은 중계자 역할을 수행할 수 있다. 동일한 구간에 있지 않은 디바이스들 간 통신은 시간 구간 통기화 방법을 이용하는 멀티-홉 라우팅으로 가능하게 된다

▪ WAVENIS
Wavenis 무선 기술은 WSN 응용과 M2M 응용들을 지원하기 위해 2-way 무선 플랫 폼 기술을 제공한다. Coronis Systems에서는 모니터링 응용과 제어를 위한 프로토콜 스택을 구현하여 빌딩/홈 자동화에 적용하였다. Wavenis의 저전력, 장거리 무선 기술은 간단한 포인트-투-포인트 연결, 여러 리피터 고급 트리 구조, 메쉬 네트워크 등, 다양한 구성을 지원한다.

▪ 6LoWPAN
비IP 네트워크 기술을 구현하고 있는 전통적인 센서 노드 구조는 싱크노드(Sink Node)를 통해 인터넷과 연결되어 정보를 공유한다. 이를 위해, 6LoWPAN과 같은 기술을 센서 노드에 적용할 필요가 있다. 6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN)은 저전력의 WPAN상에 IEEE 802.15.43)를 PHY/MAC으로 하는 IPv6를 탑재하여 기존 IP네트워크에 연결하는 기술이다. IPv64 기술로 인해 게이트웨이와 같은 중간 장치 없이 다양한 스마트 디바이스와 센서 디바이스들이 IP 기반의 네트워크에 연결할 수 있게 되었다. 하지만, 무선 센서 네트워크에서는 제한된 패킷 사이즈와 제한된 전력 사용으로 인해서 헤더 압축과 어드레스 자동 설정 기능 등이 필요하다. 이를 위해 6LoWPAN IETF 워킹 그룹이 만들어져 IPv6와 IEEE 802.15.4와의 관련 연구가 수행 중이다.

서비스 인터네페이스 분야

IoT 서비스 인터페이스는 IoT의 주요 구성 요소인 인간과 사물이 특정 기능을 수행하는 응용 서비스와 연동하게 하는 역할을 한다. 따라서 IoT 서비스 인터페이스는 네트워크 인터페이스의 개념이 아니라, 정보를 센싱, 가공/추출/처리, 저장, 판단, 상황 인식, 인지, 보안/프라이버시 보호, 인증/인가, 디스커버리, 객체 정형화, 온톨러지 기반의 시맨틱, 오픈 센서 API, 가상화, 위치확인, 프로세스 관리, 오픈 플랫폼 기술, 미들웨어 기술, 데이터 마이닝 기술, 웹 서비스 기술, 소셜네트워크 등, 서비스 제공을 위한 인터페이스(저장, 처리, 변환 등)역할을 수행한다.

예를 들어 데이터마이닝의 기술은 가공되지 않은 방대한 양의 데이터를  사용자의 요구에 따라 재 조합하고 재 구성하여 그에 부합하는 의미 있는 정보를 새롭게 취할 수 있도록 한다. 즉, 서로 연관성이 없어 보이는 무질서한 기존 비가공 데이터를 분류 및 가공 처리함으로써 상황에 맞는 의미 있는 정보를 추출할 수 있다.