사물인터넷 06. LAN, HAN 및 PAN을 위한 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜

 

 

사물인터넷 06. LAN, HAN 및 PAN을 위한 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜 

 

이전 튜토리얼에서는 LPWAN용으로 개발된 다양한 물리적 및 데이터 링크 계층 프로토콜에 대해 논의했습니다. 이 튜토리얼에서는 PAN(Personal Area Network), HAN(Home Area Network) 및 LAN(Local Area Network)용으로 개발된 프로토콜 스택에 대해 설명합니다.

 

이 튜토리얼에서는 다음 프로토콜 스택과 표준에 대해 설명합니다.

 

1) IEEE 802.15.4e

2) Zigbee

3) WirelessHART

4) Thread

5) MiWi

6) Z-Wave

7) IEEE 802.11.ah

8) EnOcean

9) Eddystone

10) ISA 100.11a

11) ANT

12) INSTEON

13) DiGiMesh

14) HomePlug

15) G.9959

 

1) IEEE 802.15.4e – IEEE 802.15.4는 IEEE 802.15 Group for Low Power Wireless Personal Area Networks에서 개발한 물리 및 MAC 계층 프로토콜입니다. 이 프로토콜 스택은 유럽의 868~868.6MHz, 미국의 902~928MHz, 기타 지역의 2400~2483.5MHz와 같은 라이선스가 필요 없는 주파수 대역에서 작동합니다. 이 프로토콜 스택은 저전력 장치 간의 단거리 통신을 위해 개발되었습니다. 이러한 데이터 통신은 낮은 데이터 속도, 제한된 대역폭 및 낮은 전송 전력이 특징입니다. 장치와 트랜시버는 배터리로 작동되며 장기간에 걸쳐 배터리를 교체해야 합니다.

 

IEEE 802.15.4 프로토콜 계층 구조 이미지 https://blog.daum.net/insopack77/204

 

이 표준에서 IOT 장치는 스타 토폴로지 또는 피어 투 피어 토폴로지로 연결할 수 있습니다. P2P 토폴로지는 일반적으로 다중 홉 라우팅을 사용하여 네트워크 범위를 확장해야 할 때 선호됩니다. 전송 범위가 제한되어 있기 때문에 장치는 더 먼 거리에서 다중 홉 라우팅을 가능하게 하기 위해 협력적으로 작동해야 합니다. 결과적으로 패킷 크기는 127바이트로만 제한되고 통신 속도는 250kbps로 제한됩니다.

 

IEEE 802.15.4의 코딩 체계는 통신을 견고하게 만들고 데이터 손실을 감지하며 손실된 패킷의 재전송을 가능하게 하는 중복성을 내장하고 있습니다. 또한 이 프로토콜은 헤더 크기, 통신 오버헤드 및 메모리 요구 사항을 줄이기 위해 짧은 16비트 링크 주소를 지원합니다.

 

IEEE 802.15.4 표준은 Zigbee, WirelessHART, Thread 및 MiWi와 같은 다른 많은 LAN 및 PAN 프로토콜 스택의 기초입니다.

 

2) Zigbee – Zigbee는 주로 산업용으로 개발된 IEEE 802.15.4 표준 기반 프로토콜 스택입니다. 2.4GHz 주파수 범위에서 작동하며 최대 256Kbps의 데이터 속도를 제공합니다. Zigbee 기반 네트워크는 스타, 피어 투 피어 또는 클러스터 트리 토폴로지로 설계할 수 있습니다. 전체 네트워크 범위가 100~200미터로 제한된 네트워크에는 최대 1024개의 노드가 있을 수 있습니다. 아래 Zigbee 네트워크 구성방법을 참고하세요.

 

Zigbee 네트워크 구성방법

 

• 지그비 코디네이터: 가장 중요한 디바이스로 네트워크를 형성하고 다른 네트워트들과 연결시킨다. 각각의 네트워크에는 단 한 개의 코디네이터가있다. 지그비 코디네이터는 네트워크에 관한 정보를 저장할 수 있고, trust center 또는 보안 키를 위한 저장소로서의 역할도수행한다.
• 지그비 라우터: 라우터는 애플리케이션 기능뿐만 아니라, 다른 디바이스로부터의 데이터를 전달할 수 있는 라이터로서의 기능도 할 수 있다.
• 지그비 엔드 디바이스: 지그비 엔드 디바이스는 부모 노드와 통신할 수 있는 기능을 포함한다. 이러한 관계는 노드가 오랜 시간을 대기할 수 있도록 하여 배터리 수명을 더욱 길게 연장할 수 있다.

 

Zigbee는 Zigbee PRO와 Zigbee Remote Control의 두 가지 스택 프로파일로 제공됩니다. 이러한 스택 프로파일은 Zigbee 네트워크의 다른 구현입니다. 스택 프로파일에는 FFD(완전 기능 장치), RFD(감소 기능 장치) 및 1개의 Zigbee 코디네이터의 세 가지 유형의 장치가 있습니다. FFD 노드는 추가적으로 라우터 역할을 할 수 있습니다. Zigbee는 128비트 AES(Advanced Encryption Standard) 암호화를 사용하여 연결된 장치 간의 데이터 전송을 보호합니다. Zigbee의 최신 버전은 Zigbee 3.0입니다. 최신 버전은 서로 다른 스택 프로파일 표준을 단일 표준으로 통합했습니다.

 

3) WirelessHART – Dust 네트워크의 TSMP(Time Synchronized Mesh Protocol)에서 개발된 WirelessHART(Wireless HART)는 무선 센서 네트워크용으로 설계된 표준 프로토콜입니다. 이 프로토콜 스택은 산업 자동화 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 이 산업 자동화 프로토콜은 프로세스 측정, 산업 자산 관리 및 프로세스 제어를 관리하도록 특별히 설계되었습니다. IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하는 강력하고 상호 운용 가능한 무선 표준입니다. 2.4GHz 주파수에서 작동하며 산업 시나리오에서 안전하고 안정적이며 강력한 M2M 통신을 제공하기 위해 다양한 수준의 네트워크 아키텍처에서 여러 보안 기능을 제공합니다. 고급 암호화 표준이 적용된 MAC 계층에서 TDMA(Time Division Multiple Access) 기술을 사용합니다.

 

Source: https://fieldcommgroup.org/technologies/hart/hart-technology

 

4) Thread – Thread는 물리 계층과 MAC 계층에서 IEEE 802.15.4 표준을 사용하는 IPv6 기반 네트워크 계층 프로토콜입니다. HAN(Home Automation Networks)용 스레드 그룹에서 개발했습니다. IEEE 802.15.4, IPv6 및 6LoWPAN 표준을 기반으로 하며 물리 계층(PHY)에서 2.4GHz 주파수에서 작동합니다. 스레드 네트워크에는 최대 250개의 노드가 있을 수 있으며 다양한 인증 및 암호화 기술을 구현하여 데이터를 보호합니다.

 

Thread는 가정 및 건물 자동화를 위해 설계된 IPv6 기반 무선 개인 영역 메시 네트워킹 프로토콜입니다. Thread는 스마트 잠금, 온도 조절기 및 기타 센서 또는 액추에이터 장치가 기존 클라우드 기반 인프라 및 디지털 어시스턴트와 원활하게 결합할 수 있도록 지원합니다.  

 

THREAD IN HOMES 이미지 https://www.threadgroup.org/BUILT-FOR-IOT/Home

 

 

5) MiWi – MiWi는 WPAN(Wireless Personal Area Network)을 위해 Microchip Technology에서 개발한 독점 무선 프로토콜입니다. IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하며 최대 250Kbps의 낮은 데이터 전송률로 근거리에서 저전력 장치를 상호 연결하기 위해 개발되었습니다. 물리 계층에서는 2.4GHz의 주파수에서 작동합니다.

 

마이크로칩 https://www.microchip.com/en-us/products/wireless-connectivity/sub-ghz/miwi-protocol

 

6) Z-Wave – Z-Wave는 표준 기관이나 산업 컨소시엄에서 승인한 기존 표준보다 사실상 표준에 가깝습니다. HAN(홈 자동화 네트워크)에 주로 사용되는 무선 통신 프로토콜입니다. Z-wave는 미국에서 908.42MHz 주파수, 유럽에서 868.42MHz에서 작동합니다. 메시 네트워킹 토폴로지에서 작동하므로 단일 메시 네트워크에서 최대 232개의 노드를 지원할 수 있습니다. Z-Wave의 네트워크 범위는 30미터로 제한되며 데이터 속도는 최대 100Kbps가 될 수 있습니다. BLE, Zigbee, WirelessHART와 같은 기술에 대한 여러 공급업체와 달리 Sigma Designs는 Z-Wave 트랜시버를 제공하는 유일한 공급업체입니다.

 

Zigbee 와 Z-Wave 비교 (출처 : www.lanars.com)

 

7) IEEE 802.11.ah – IEEE 802.11.ah는 Sub-1GHz 라이선스가 없는 주파수 대역에서 작동하는 Wi-Fi 변형입니다. Wi-Fi Alliance는 IEEE 802.11.ah 기술을 통합하는 제품의 명칭으로 "Wi-Fi HaLow"라는 용어를 도입했습니다. 이 프로토콜 스택을 사용하면 Wi-Fi 네트워크와 유사한 확장된 범위로 저전력 장치를 연결할 수 있습니다. 이 표준에 대한 확장된 범위는 다중 릴레이를 사용하여 단일 스테이션에 대해 최대 1km가 될 수 있습니다. 이 표준은 한 국가에서 사용 가능한 라이센스 무료 대역폭에 따라 1, 2, 4, 8 및 16MHz의 넓은 채널을 허용합니다. 이 표준에서는 최대 347Mbps의 데이터 전송률로 데이터 전송을 위해 BPSK, QPSK 및 QAM 변조 기술을 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜 스택의 트랜시버는 배터리로 작동되며 일반적으로 몇 주 안에 배터리를 교체해야 합니다.

 

8) EnOcean – EnOcean(Energy Harvesting Wireless Technology)은 유럽에서는 868MHz 주파수, 미국에서는 315MHz 주파수에서 작동하는 무선 프로토콜 스택입니다. 네트워크 범위는 실내에서 최대 30미터, 야외에서 최대 300미터인 물리적 및 MAC 계층 프로토콜입니다. 이 표준은 PAN(Personal Area Network)에서 배터리가 적은 무선 센서를 네트워크로 연결하기 위해 개발되었습니다.

 

9) Eddystone - Google에서 개발한 Eddystone은 근거리에서 BLE 기반 비콘 메시징 프로토콜입니다. 프로토콜 스택은 모바일 장치(안드로이드 및 IOS 모두)와의 데이터 통신 및 네트워크 내에서 센서 데이터 구동에 사용할 수 있습니다.

 

10) ISA 100.11a – ISA (International Society of Automation)에서 개발한 ISA 100.11a는 산업 자동화용 무선 프로토콜입니다. 이 프로토콜은 산업 시나리오에서 중요하지 않은 프로세스 제어, 모니터링 및 경고 애플리케이션을 위해 설계되었습니다. 이 표준은 물리 계층 및 MAC 계층에 대한 프로토콜 스택을 포함하여 OSI 모델의 7개 계층을 모두 정의합니다.

 

11) ANT – ANT Wireless에서 개발한 ANT는 WSN(Wireless Sensor Networks)용으로 설계된 독점적인 물리적 및 MAC 계층 프로토콜입니다. 2.4GHz ISM 대역을 기반으로 ANT는 최대 100미터의 네트워크 범위를 가질 수 있습니다. 이 프로토콜 스택은 현재 건강 및 피트니스 분야의 PAN(개인 영역 네트워크)에 사용됩니다. 이 회사는 가정 자동화, 사무실 및 산업 자동화와 같은 다른 PAN 응용 프로그램에 맞게 프로토콜을 조정하기 위해 노력하고 있습니다.

 

12) INSTEON – INSTEON은 HAN(Home Automation Networks)용으로 개발된 RF 프로토콜 스택입니다. 홈 오토메이션 기반 IOT 장치가 독립적인 피어 장치로 네트워크화되는 듀얼 메시 토폴로지를 사용합니다. 프로토콜은 장치 간의 RF 메시징을 위해 주파수 편이 키잉을 사용합니다. 장치는 필요할 때마다 언제든지 서로 통신할 수 있습니다.

 

13) DiGiMesh – DiGiMesh는 DiGi International에서 개발한 독점 프로토콜 표준입니다. 저전력 PAN(개인 영역 네트워크) 애플리케이션에 적합한 메시 네트워킹 토폴로지용 무선 프로토콜 스택입니다.

 

14) HomePlug – HomePlug Power line Alliance에서 개발한 HomePlug는 HAN(Home Automation Networks)용으로 설계된 물리적 및 네트워크 액세스 프로토콜입니다. HomePlug-AV, HomePlug-AV2 및 HomePlug-GP의 세 가지 변형으로 제공됩니다.

 

15) G.9959 – ITU에서 개발한 G.9959는 PAN(Personal Area Network)에서 저전력 장치의 무선 네트워킹을 위해 설계된 네트워크 액세스 프로토콜 스택입니다. 낮은 대역폭과 낮은 데이터 전송률에서 반이중 통신을 사용하는 네트워크에는 최대 232개의 노드가 있을 수 있습니다.

 

다음 튜토리얼에서는 RFID 기반 프로토콜 스택에 대해 설명합니다. 

 

 

그냥 하는 거지 뭐, 언젠 안했냐? 우직하게 한 길로 꾸준히 걷는 거지. 증명할 것도 없고, 잘 난 것도 없어.