사물 인터넷 04. 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 – 이더넷, BLE, Wi-Fi, Wi-Fi Direct 및 WPA

 

 

사물 인터넷 04. 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 – 이더넷, BLE, Wi-Fi, Wi-Fi Direct 및 WPA 

이전 튜토리얼에서는 IoT용 참조 아키텍처를 OSI 및 TCP-IP 모델과 비교했으며, IOT 아키텍처의 여러 계층에 대한 다양한 데이터 통신 프로토콜을 언급했습니다. 본 포스트에서 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다.

 

무선통신 의 Power vs. Cost

 

물리적 및 데이터 링크 계층은 IOT 개체 및 이를 다른 개체 또는 네트워크와 연결하는 물리적 네트워크로 구성됩니다. 원본 데이터 또는 정보의 구성 비트는 이 계층에서 인코딩 및 디코딩되고 유선 또는 무선 물리적 링크를 통해 교환됩니다. 물리적 및 네트워크 액세스 프로토콜에 대해 여러 기관 및 조직에서 지정한 많은 프로토콜과 표준 기술이 있습니다. 이러한 프로토콜과 기술은 다양한 애플리케이션과 네트워크 사이트에 적합합니다. 인기 있는 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 및 표준 중 일부는 다음과 같습니다.

 

• Ethernet

• Bluetooth Low Energy

• Wi-Fi

• Wi-Fi Direct

• WPA

• 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

 

통신기술에 대한 비교 표를 참고하세요.

 

네트워크 통신기술 비교

 

아래에서 현재 컴퓨터와 모바일 장치를 상호 연결하는 데 사용되는 널리 사용되는 표준 및 프로토콜에 대해 설명합니다. 이러한 프로토콜은 도시 및 대도시 연결에서 유비쿼터스(Ubiquitous)로 널리 사용됩니다. 이러한 프로토콜은 다음과 같습니다.

 

1) 이더넷

2) 블루투스 4.0

3) 와이파이

4) 와이파이 다이렉트

5) WPA/WPA2/WPA3

 

1) 이더넷(Ethernet)은 컴퓨터 네트워크 기술의 하나로, 전세계의 사무실이나 가정에서 일반적으로 사용되는 LAN에서 가장 많이 활용되는 기술 규격입니다. '이더넷'이라는 명칭(이름)은 빛의 매질로 여겨졌던 에테르(ether)에서 유래되었고, 이더넷은 OSI 모델의 물리 계층에서 신호와 배선, 데이터 링크 계층에서 MAC(media access control) 패킷과 프로토콜의 형식을 정의합니다. 이더넷 기술은 대부분 IEEE 802.3 규약으로 표준화되었습니다. 현재 가장 널리 사용되고 있으며, 토큰 링, FDDI 등의 다른 표준을 대부분 대체했습니다.

 

라우터와 라우팅 프로토콜한국항공대학교 윤종호 CH.2 Ethernet. 라우터와 라우팅 프로토콜한국항공대학교 윤종호 이더넷에 대한 계층구조.

 

이더넷은 네트워크에 연결된 각 기기들이 48비트 길이의 고유의 MAC 주소를 가지고 이 주소를 이용해 상호간에 데이터를 주고 받을 수 있도록 만들어졌다. 전송 매체로는BNC 케이블 또는 UTP, STP 케이블을 사용하며, 각 기기를 상호 연결시키는 데에는 허브, 스위치, 리피터 등의 장치를 이용한다.

 

이더넷은 CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection 반송파 감지 다중 접속 및 충돌 탐지) 기술을 사용한다. 이 기술은 이더넷에 연결된 여러 컴퓨터들이 하나의 전송 매체를 공유할 수 있도록 한다. 어떤 컴퓨터가 이더넷 네트워크를 사용하는 경우 다음과 같은 과정을 거친다.

 

1. 네트워크를 사용하려는 컴퓨터는 먼저 현재 네트워크 위에 흐르고 있는 데이터가 있는지를 감지한다.

2. 만약 현재 다른 데이터가 전송 중이면 사용할 수 있을 때까지 기다리고 아니면 전송을 시작한다.

3. 여러 군데에서 동시에 전송을 시작해 충돌이 발생하면 최소 패킷 시간 동안 전송을 계속해, 다른 컴퓨터가 충돌을 탐지할 수 있도록 한다.

4. 그 뒤, 임의 시간 동안 기다린 뒤에 다시 신호(반송파)를 감지하고, 네트워크 사용자가 없으면 전송을 다시 시작한다.

5. 전송을 마치면, 상위 계층에 전송이 끝났음을 알리고 끝마친다.

6. 여러 번 다시 시도했음에도 전송에 실패하면 이를 상위 계층에 알리고 끝마친다.

 

오늘날에는 대부분 이더넷 스위치를 사용하여 스위치 방식의 네트워크(switched network)를 구성하는데, 이 경우 충돌이 일어나지 않는다.

 

PAN(Personal Area Network), HAN(Home Area Network), LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network) 및 MAN(Metropolitan Area Network)에서 컴퓨터를 연결하는 데 널리 사용됩니다. IEEE 802.3 표준을 기반으로 합니다. IOT 시스템 내에서 이더넷을 사용하여 고정 또는 고정 IOT 장치를 연결할 수 있습니다. 예를 들어, 산업의 센서 네트워크, 홈 자동화 시스템의 기기 제어 회로 또는 사무 자동화 시스템의 IOT 장치를 연결하는 데 사용할 수 있습니다.

 

이더넷의 데이터 전송 속도는 cat-6 케이블의 경우 초당 최대 10기가비트(Gbit/s)가 될 수 있습니다. 이더넷을 통한 데이터 속도는 케이블 유형에 따라 다르며 네트워크 관리자가 제한할 수 있습니다. 이더넷 네트워킹에 사용되는 광섬유, 동축 또는 연선 케이블이 있을 수 있습니다. 이더넷은 대기 시간이 매우 낮아 장치가 같은 위치에 있거나 장거리에 위치할 수 있는 미션 크리티컬 IOT 애플리케이션에 적합합니다.

 

2) BLE(Bluetooth Low Energy) – Bluetooth는 고정 장치와 모바일 장치 간에 근거리 데이터를 교환하여 보안 수준이 높은 PAN(개인 영역 네트워크)을 생성하는 무선 기술 표준입니다. Bluetooth Smart라고도 하는 Bluetooth Low Energy는 Bluetooth Special Interest Group에서 개발 및 제안합니다. BLE는 기존 2.4GHz Bluetooth의 저전력 버전입니다. BLE는 2011년에 블루투스 4.0으로 소개되었습니다.

 

Architecture of Bluetooth Low Energy (BLE) Protocol

 

BLE는 스타 토폴로지에서 하나의 장치가 여러 장치에 연결될 수 있는 고속(1Mbps)으로 적은 양의 데이터를 전송하도록 설계되었습니다. BLE는 범위가 100미터로 제한되어 있으므로 일반적으로 PAN(Personal Area Network)에 적합합니다. BLE를 통해 연결된 장치는 데이터를 전송하지 않을 때 절전 모드로 전환됩니다. 연결되면 BLE 장치는 클래식 블루투스의 평균 시간인 100밀리초에 비해 몇 밀리초 동안만 연결될 수 있습니다. 짧은 연결 시간과 높은 데이터 전송률로 인해 BLE는 다른 경쟁 프로토콜에 비해 전력 효율성이 매우 높습니다.

 

BLE는 작은 배터리로 몇 년 동안 전원을 공급할 수 있는 IOT 장치용으로 설계되었습니다. OSI 모델의 물리적 및 데이터 링크 계층은 모두 Bluetooth Low Energy에서 구현됩니다. BLE 프로토콜 스택은 컨트롤러와 호스트의 두 부분으로 구성됩니다. 아키텍처에서 물리적 및 링크 계층은 컨트롤러 부분에서 구현됩니다. 컨트롤러는 일반적으로 Bluetooth 장치에 라디오가 있는 SOC(System on Chip)입니다. GAP, GATT 서비스, 보안 관리자와 같은 나머지 사항은 호스트 부분에 포함됩니다. 최소한 블루투스의 GAP(Generic Access Profile) 서비스는 BLE 장치가 다른 BLE 장치를 관찰하고 연결할 수 있도록 합니다(필요한 경우에만). Bluetooth LE의 GATT(Generic Attribute Profile) 서비스를 사용하면 다른 장치가 해당 Bluetooth 장치에 있는 서비스 및 특성에 액세스할 수 있습니다.

 

BLE 프로토콜 스택은 클래식 블루투스 기술에 사용되는 스택과 유사하지만 BLE는 클래식 블루투스와 호환되지 않습니다. 가장 큰 차이점은 BLE는 데이터 스트리밍을 지원하지 않는다는 것입니다. 대신 1Mbps의 데이터 속도로 작은 데이터 패킷(패킷 크기가 작음)의 빠른 전송만 지원합니다.

 

BLE에는 마스터와 슬레이브의 두 가지 유형의 장치가 있습니다. 마스터는 다양한 슬레이브에 연결할 수 있는 중앙 장치 역할을 합니다. IOT 시나리오를 고려할 때 전화 또는 PC가 마스터 장치 역할을 할 수 있고 BLE가 내장된 스마트 잠금 장치가 슬레이브 장치 역할을 할 수 있습니다. 마스터 장치는 주어진 명령에 따라 슬레이브를 제어합니다. 이러한 경우 Slave는 전력 효율이 매우 높아야 합니다.

 

반면, 클래식 블루투스에서는 데이터 전송이 진행되지 않아도 연결이 항상 켜져 있습니다. 또한 Classic Bluetooth는 79개의 데이터 채널(1MHz 채널 대역폭)을 지원하는 반면 BLE는 2MHz 채널 대역폭(클래식 Bluetooth의 두 배)으로 40개 채널을 지원합니다.

 

BLE 프로토콜 스택은 IP 기반 통신도 지원합니다.

 

BLE 프로토콜의 주파수 및 범위

 

3) Wi-Fi – Wi-Fi Alliance에서 제안한 Wi-Fi(Wireless Fidelity)는 WLAN(Wireless Local Area Networks)의 표준입니다. IEEE 802.11 표준을 기반으로 하며 다양한 버전 번호는 a, b, c, g, n 등으로 표시되며, 여기서 a ~ n은 최신 버전입니다. Wi-Fi는 2.4, 3.6, 5 및 60GHz 무선 주파수 대역을 사용하며 2Mbps(레거시 802.11의 경우) ~ 1.73Gbps(802.11ac wave 2의 경우)의 데이터 속도를 가질 수 있습니다. 아주 일반적인 802.11 n은 최대 450Mbps의 데이터 속도를 가집니다.

 

Wi-Fi를 통해 장치는 핫스팟 또는 네트워크 액세스 포인트로 구성된 라우터에 연결하고 다른 Wi-Fi 지원 장치는 액세스 포인트를 통해 장치에 연결합니다. Wi-Fi 네트워킹의 주요 단점은 대기 시간과 열악한 보안입니다. Wi-Fi 핫스팟을 해킹하고 물리적 링크 매체에 액세스하는 것이 더 쉽습니다. 그러나 Wi-Fi 네트워크는 WPA 유형 및 비콘 패킷 관리를 사용하여 보호할 수 있습니다.

 

Wi-Fi는 또한 Wi-Fi 지원 장치가 액세스 포인트나 라우터 없이 직접 통신할 수 있는 Ad-hoc 통신을 허용합니다. 이를 위해 장치는 Ad Hoc을 사용하여 인터넷 연결을 공유하고 핫스팟 또는 가상 액세스 포인트로 자신을 구성해야 합니다. Wi-Fi는 네트워크 컴퓨터, 랩톱 및 모바일 장치에 널리 사용됩니다. IOT 시스템에서는 PAN(Personal Area Network), LAN(Local Area Network) 및 WAN(Wide Area Network)을 설정하는 데 사용할 수 있습니다.

 

Wi-Fi 핫스팟의 범위는 최대 100미터입니다. Multi-hop Routing을 사용하여 Wi-Fi 네트워크의 커버리지 영역을 확장할 수 있습니다. 다중 홉 라우팅에서 한 노드(핫스팟)는 다른 노드(핫스팟)를 중계기로 사용할 수 있으므로 네트워크의 전체 커버리지 영역이 증가합니다.

 

Wi-Fi의 주파수 및 범위를 나열하는 표

A Brief History of Wireless Standards

 

4) Wi-Fi Direct – Wi-Fi Direct는 Wi-Fi 표준의 Pear to Pear 버전입니다. 와이파이 다이렉트란 와이파이 기술의 새 버전로 가장 큰 특징은 기기간 통신이 가능하다는 점이다. 핫스팟, 라우터, AP가 없이도 와이파이 다이렉트가 설치된 기기만 있다면 기기끼리 서로 통신하여 정보를 공유할 수 있습니다. 기존에 무선인터넷을 이용하기 위해서는 무선공유기, 즉 엑세스포인트(AP)가 있어야 가능했습니다. 예를 들어 휴대폰에 있는 사진을 TV로 전송하려면 AP를 통해서만 가능했죠. 하지만 와이파이 다이렉트는 애드훅(ad-hoc)이라는 기술을 활용하여 액세스포인트(AP)를 없이도 직접 데이터 전송이 가능합니다.

 

Wi-Fi Direct

 

라우터나 액세스 포인트 없이 두 장치가 통신을 설정할 수 있습니다. Wi-Fi Direct는 단일 홉 표준이므로 범위를 확장할 수 없습니다. 요즘 Wi-Fi Direct는 랩톱, 모바일 장치, 카메라, 텔레비전 및 게임 콘솔에 널리 사용됩니다. 스마트폰의 Wi-Fi Direct를 통해 인터넷 핫스팟으로 구성하고 인터넷 연결을 공유할 수 있습니다. Wi-Fi Direct의 범위는 100미터로 제한됩니다.

 

5) WPA/WPA2/WPA3 – WPA는 Wi-Fi Protected Access의 약자이며 Wi-Fi 네트워크의 보안 기술입니다. 이것은 WEP (Wired Equivalent Privacy) 의 약점에 대응하여 개발되었으므로 WEP의 인증 및 암호화 기능을 향상시킵니다.

 

WPA는 TKIP (Temporal Key Integrity Protocol) 와 AES (Advanced Encryption Standard ) 의 두 가지 표준 기술 중 하나를 사용하여 WEP보다 강력한 암호화를 제공합니다. 또한 WPA에는 WEP에서 제공하지 않는 기본 제공 인증 지원 기능이 포함되어 있습니다. WPA의 일부 구현은 WEP 클라이언트가 네트워크에 연결할 수있게하지만 보안은 연결된 모든 장치에 대해 WEP 수준으로 줄어 듭니다. WPA는 원격 인증 다이얼 인 사용자 서비스 서버 또는 RADUIS 서버라는 인증 서비스를 지원합니다.

 

https://www.mybestwirelessrouters.com/wifi-security-differences-between-wep-wpa-wpa2-and-wpa3/

 

사용자가 네트워크에 연결되기 전에 인증을받을 수 있고 EAP (확장 할 수있는 인증 프로토콜) 메시지를 보관할 수 있도록 장치 자격 증명에 대한 액세스 권한을 가진 서버입니다. 장치가 WPA 네트워크에 성공적으로 연결되면 액세스 포인트 (일반적으로 라우터 ) 및 장치에서 발생하는 4 방향 핸드 셰이크를 통해 키가 생성됩니다. TKIP 암호화가 사용되면 데이터가 스푸핑되고 있지 않은지 확인하기 위해 MIC (메시지 무결성 코드)가 포함됩니다. Cyclic redundancy check (CRC) 라 불리는 WEP의 약한 패킷 보증을 대체합니다. IEEE 802.11i 표준을 기반으로 하며 64비트 또는 128비트 암호화 키를 사용하여 데이터를 보호합니다. WPA 표준은 WPA2로, WPA2는 Wi-Fi 네트워크를 통해 데이터를 보호하기 위해 192비트 암호화를 사용하는 WPA3으로 대체됩니다. Wi-Fi Direct는 PAN(Personal Area Network) 애플리케이션에 Wi-Fi 표준을 사용하는 것이 허용되지만 WPA 표준은 Wi-Fi 네트워크를 WLAN 기반 IOT 애플리케이션에 사용할 수 있을 만큼 충분히 안전하게 만들었습니다.

 

이러한 표준과 프로토콜은 다른 모든 것들 중에서 가장 보편적이며 컴퓨터, 소비자 가전 및 모바일 장치를 함께 연결하는 데 널리 사용됩니다. 다음 튜토리얼에서는 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 에 대한 논의 가 계속될 것입니다.