사물 인터넷 03. IoT 표준 및 프로토콜

 

 

 

 

이전 튜토리얼에서 IoT의 기본 아키텍처 시스템을 논의했습니다. 이전 튜토리얼의 논의에서 통신 네트워크는 모든 IoT 시스템의 중추라는 것이 분명해야 합니다. IOT 장치(보드)와 클라우드 기반 서비스 및 애플리케이션이 서로 통신할 수 있도록 하는 것은 (인터넷) 네트워크뿐입니다. 인터넷 네트워크가 없으면 IoT는 아무것도 아닙니다. 인터넷 네트워크에서 데이터 통신은 간단하지 않습니다. 인터넷을 통해 연결된 수많은 이기종 장치가 있으며 이러한 과다한 고유 장치는 안전하고 안정적이며 라우팅 된 방식으로 통신해야 합니다. 또한 장치는 고유한 프레임워크 및 도메인이 있는 고유한 응용 프로그램 또는 서비스를 실행 중일 수 있습니다. 끝이 그런 다양성으로,

 

모든 인터넷 네트워크는 기술 스택입니다. 장치를 물리적으로(같은 위치에 있는 장치 또는 라우터에) 연결하고, 논리적 주소를 할당하고, 네트워크를 통해 데이터를 라우팅하고, 클라이언트 측에서 데이터 교환을 관리하는 기술이 있습니다.

 

표준화 및 프로토콜 구현을 위해 이러한 기술은 서로 다른 계층에 배치됩니다. 일반적인 인터넷 네트워크는 인터넷에 대한 ISO 표준 모델인 OSI(Open Systems Interconnection) 모델을 따릅니다. OSI 모델 아키텍처는 인터넷을 물리적, 데이터 링크, 네트워크, 전송, 세션, 프레젠테이션 및 애플리케이션의 7개 계층으로 구성합니다. OSI 모델의 실제 구현은 7 계층 OSI 모델을 4 계층 인터넷 프로토콜 제품군으로 단순화하는 TCP-IP 모델을 통해 수행되지만. TCP-IP 모델(OSI 모델의 실제 구현)에서는 물리적 및 데이터 링크 계층이 병합되어 물리적 및 네트워크 액세스 계층을 형성하고 OSI 모델의 세션, 프레젠테이션 및 응용 프로그램 계층이 단일 응용 프로그램 계층으로 병합됩니다.

 

참고 이미지 https://chloe-codes1.gitbook.io/til/network-2/03_tcp_ip

 

이미지와 자료 참고 Difference between TCP/IP and OSI model https://microcontrollerslab.com/difference-between-tcp-ip-and-osi-model/

 

양 클라이언트의 스택 횡단은 물리적 전송 매체를 통해 연결되고 인터넷상의 네트워크/서버 사이에서 연결됩니다.

 

인터넷을 통한 장치 간 통신 개요 그림 2: 인터넷을 통한 장치 간 통신 개요

 

IOT 생태계를 위한 클라우드 네트워크는 다양한 복잡성을 가진 고도로 맞춤화된 환경이기 때문에 실제로 표준 아키텍처가 없습니다. 그러나 IOT 시스템의 다양한 아키텍처 모델은 아키텍처 계층의 유사한 구현으로 인해 일반적인 OSI 또는 TCP-IP 모델과 비교할 수 있습니다. 표준 조직에서 배포하거나 권장하는 다양한 아키텍처 모델을 일반화하면 클라우드 또는 IOT 네트워크 아키텍처에는 다음과 같은 4개의 계층이 있습니다.

 

1) 인프라 계층

2) 서비스 디스커버리/서비스 관리/디스커버리 레이어

3) 응용 계층

4) 비즈니스 계층

 

IoT 참조 아키텍처와 OSI 및 TCP-IP 모델의 비교를 보여주는 이미지 그림 3: IoT 참조 아키텍처와 OSI 및 TCP-IP 모델의 비교를 보여주는 이미지

 

각 계층에는 데이터 전송을 처리하기 위한 다양한 프로토콜이 있습니다. 프로토콜은 미리 정의된 규칙 집합이며 장치가 서로 통신하거나 네트워크를 통해 통신하려면 이를 따라야 합니다. 각 계층과 관련된 프로토콜에 대해 논의해 보겠습니다.

 

인프라 계층 - 이 계층에는 IOT 장치(센서 네트워크 포함) 및 같은 위치에 있는 장치 또는 장치를 표준 인터넷 네트워크에 물리적으로 연결하는 기술이 포함됩니다. OSI 모델과 비교하여 이 계층은 일반적인 인터넷 네트워크의 물리적 계층, 데이터 링크, 네트워크 및 전송 계층을 병합합니다. TCP-IP 모델과 비교할 때 이 계층은 물리적 및 네트워크 액세스, 인터넷 및 전송 계층을 병합합니다. 따라서 일반적으로 이 레이어는 다음과 같은 하위 레이어로 나눌 수 있습니다.

 

1) 물리 및 링크/MAC/네트워크 접근 계층 – 물리 계층에서 개별 비트는 데이터 링크 계층 프레임에 인코딩 및 배열되며, 프로토콜 정의 프레임에 배열된 인코딩된 데이터는 유선 또는 무선 데이터 통신 링크로 푸시됩니다. 데이터 링크가 무선인 경우 주파수와 데이터 전송 속도를 결정하는 것은 물리 계층입니다. 마찬가지로 물리 계층도 들어오는 비트와 바이트를 디코딩하여 IOT 장치의 프로세서나 컨트롤러로 전송합니다. 데이터 링크 계층은 데이터 패킷을 프레임으로 캡슐화하고 MAC(Media Access Control) 프로토콜을 통해 데이터 링크에 액세스 하며 통신 링크를 통해 데이터를 전달 또는 수신하는 역할을 합니다. 물리적 및 네트워크 액세스 계층에 대해 정의된 표준 프로토콜 중 일부는 다음과 같습니다.

 

• Ethernet • Bluetooth Low Energy • Wireless HART • Zigbee • Z-wave • RFID • IEEE 802.11.ah • IEEE 802.15.4e • LoRaWAN • DASH7 • Weightless • HomePlug • G.9959 • LTE-A • DECT/ULE • ISA 100.11a • ANT • NFC • EPC Global • EddyStone • EnOcean • WiMax • NB-IOT • EC-GSM-IOT (Extended Coverage GSM-IOT) • RPMA • LTE-MTC (LTE-Machine Type Communication) • Cellular (GPRS/2G/3G/4G/5G) • CDMA • Thread • INSTEON • DigiMesh

 

2) 네트워크 또는 네트워크 캡슐화 또는 적응 계층 - 이 계층은 인터넷을 통한 데이터 패킷의 주소 지정을 담당합니다. 전송 계층에서 들어오는 데이터 그램에는 소스 및 대상 주소가 포함됩니다. 네트워크 계층에서 패킷은 IP 주소라고 하는 고유한 주소로 캡슐화됩니다. 이전에 IPv4는 네트워크 계층에서 주소 지정에 사용되었지만 해당 IP 주소는 이미 소진되었습니다. 따라서 128비트 주소를 갖는 새로운 네트워크 계층 프로토콜 IPv6이 지정되었습니다. IPv6에는 1038개의 주소를 위한 주소 공간이 있습니다. 6LoWPAN은 저전력 무선 개인 영역 네트워크를 위한 또 다른 네트워크 계층 프로토콜입니다. 무선 센서 네트워크 및 홈 영역 네트워크용으로 개발된 IPv6 프로토콜입니다. 따라서 널리 사용되는 네트워크 계층 프로토콜은 다음과 같습니다.

 

• IPv4 • IPv6 • 6LoWPAN • 6Lo • 6TiSCH • IPv6 over Bluetooth Low Energy • IPv6 over G.9959

 

3) 전송 또는 라우팅 계층 - 이 계층은 데이터 패킷의 라우팅을 담당합니다. 이 계층에서 패킷 순서 지정, 오류 감지 및 데이터 패킷 전달의 수정이 수행됩니다. 전송 계층에 대해 지정된 인기 있는 프로토콜 중 일부는 다음과 같습니다.

 

• TCP • UDP • DTLS • TLS • RPL • CARP • CORPL • QUIC • uIP • ROLL • Aeron • CCN (Content Centric Networking) • NanoIP • TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol)

 

서비스 검색 또는 서비스 관리 계층 – 이 계층은 IOT 네트워크 또는 클라우드 네트워크를 일반적인 인터넷 네트워크와 차별화합니다. IOT 장치는 인터넷을 통해 다른 장치, 서비스 및 리소스를 찾아야 합니다. 따라서 클라우드 네트워크에서 리소스 관리 및 등록 프로세스가 필요합니다. 이를 위해 서비스 검색 및 관리 프로토콜이 지정됩니다. IOT 시스템에서 서비스 검색을 위해 널리 사용되는 프로토콜은 다음과 같습니다.

 

• DNS-SD (DNS-Service Discovery) • mDNS (Multicast Domain Name System) • uPnP • Simple Discovery Service Protocol Some of the currently available service discovery platforms and technologies are as follow – • HyperCat • Physical Web • Wi-Fi Aware • Bluetooth Beacons • Shazam • Open Hybrid • Chirp

 

응용 계층 – 통신 네트워크 내에서 가장 높은 계층입니다. (IOT) 장치와 네트워크 간의 인터페이스입니다. 이 계층은 장치 측의 전용 애플리케이션을 통해 구현됩니다. 컴퓨터와 마찬가지로 응용 프로그램 계층은 브라우저에 의해 구현됩니다. HTTP, HTTPS, SMTP 및 FTP와 같은 응용 프로그램 계층 프로토콜을 구현하는 브라우저입니다. 같은 방식으로 다음과 같이 IOT 콘텍스트에 지정된 응용 프로그램 계층 프로토콜이 있습니다.

 

• MQTT • SMQTT • CoAP • DDS • XMPP • AMQP • RESTful HTTP • MQTT-SN • STOMP • SMCP • LLAP • SSI • LWM2M • M3DA • XMPP-IOT • ONS 2.0 • SOAP • Websocket • Reactive Streams • HTTP/2 • JavaScript IOT

 

비즈니스 계층 – 이 계층은 실제로 통신 네트워크의 일부가 아닙니다. IOT 종점에 있습니다. 전용 애플리케이션을 구현하거나 IOT 시스템 내에서 특정 비즈니스 또는 산업 솔루션을 제공하는 클라우드 또는 서버일 수 있습니다. 다양한 IOT 장치를 ERP(Enterprise Resource Planning) 또는 KM(Knowledge Management) 솔루션에 상호 연결하는 것과 같습니다. 이 계층은 실제로 장치, 서비스 및 솔루션을 원활하게 통합하고 수직 특정(건강, 교통, 에너지, 교육 등) 구현을 위해 클라우드 및 장치를 통합하는 역할을 합니다.

 

다른 네트워크 계층에 대해 지정된 프로토콜 외에도 IOT 시스템은 장치 관리, 장치 식별, 상황 인식 또는 의미 체계 및 데이터 보안을 위해 추가 프로토콜을 활용할 수 있습니다. 일부 장치 관리 프로토콜은 다음과 같습니다.

 

• OMA-DM • TR-069 • OMA-CP Some of the data security protocols are as follow – • Open Trust Protocol (OTrP) • X.509 Some of the popular Semantic Protocols are as follow – • SensorML • IOTDB • RAML • SENML • Semantic Sensor Net Ontology • LsDL • Wolfram Language Connected Devices

 

다음 자습서에서는 물리적 및 네트워크 액세스 계층 프로토콜과 표준에 대해 설명합니다.