사물인터넷 통신 프로토콜에 대한 종합 분석

2021-12-29 473

사물인터넷(IoT) 기기의 수가 지속적으로 증가함에 따라, 이러한 기기들 간의 통신 및 연결은 중요한 과제로 떠올랐습니다. 통신은 사물인터넷에서 매우 중요하며, 근거리 무선 전송 기술이든 모바일 통신 기술이든 사물인터넷의 발전에 영향을 미칩니다. 특히 통신에서 통신 프로토콜은 핵심적인 역할을 합니다. 통신 프로토콜은 양측 기기가 통신 또는 서비스를 완료하기 위해 따라야 하는 규칙 및 합의 사항입니다. 본 글에서는 성능, 데이터 전송률, 적용 범위, 전력 소비 및 메모리 사용량이 각기 다른 여러 IoT 통신 프로토콜을 소개하고, 각각의 장단점을 살펴봅니다. 일부 통신 프로토콜은 소형 가전제품에만 적합한 반면, 다른 프로토콜은 대규모 스마트 시티 프로젝트에도 활용될 수 있습니다. 사물인터넷 통신 프로토콜은 크게 액세스 프로토콜과 통신 프로토콜로 나뉩니다. 액세스 프로토콜은 일반적으로 서브넷 내 기기 간의 네트워킹 및 통신을 담당하며, 통신 프로토콜은 주로 기존 인터넷 TCP/IP 프로토콜을 기반으로 작동하는 기기 간 통신 프로토콜로, 인터넷을 통해 기기 간 데이터 교환 및 통신을 담당합니다.

1. 물리 계층 및 데이터 링크 계층 프로토콜

1. 장거리 셀룰러 통신

(1) 2G/3G/4G 통신 프로토콜은 각각 2세대, 3세대 및 4세대 이동통신 시스템 프로토콜을 말합니다.

(2)NB-IoT

협대역 사물인터넷(NB-IoT)은 사물인터넷(IoT)의 중요한 한 분야로 자리 잡았습니다. NB-IoT는 셀룰러 네트워크를 기반으로 구축되며 약 180kHz의 대역폭만 사용합니다. GSM, UMTS, LTE 네트워크에 직접 구축할 수 있어 구축 비용을 절감하고 원활한 업그레이드가 가능합니다. NB-IoT는 저전력 광역 커버리지(LPWA) 사물인터넷(IoT) 시장에 초점을 맞추고 있으며, 전 세계적으로 널리 활용될 수 있는 유망 기술입니다. 넓은 커버리지, 다중 연결, 빠른 속도, 저비용, 저전력 소비, 우수한 아키텍처 등의 특징을 가지고 있습니다.

응용 시나리오: NB-IoT 네트워크를 통해 구현 가능한 시나리오 응용 분야에는 스마트 주차, 스마트 화재 방지, 스마트 상수도 서비스, 스마트 가로등, 공유 자전거 및 스마트 가전 제품 등이 있습니다.

(3)5G

5세대 이동통신 기술은 최신 세대의 셀룰러 이동통신 기술입니다. 5G의 성능 목표는 고속 데이터 전송, 지연 시간 단축, 에너지 절약, 비용 절감, 시스템 용량 증대 및 대규모 기기 연결입니다.

적용 시나리오: 증강현실/가상현실, 차량 인터넷, 스마트 제조, 스마트 에너지, 무선 의료, 무선 홈 엔터테인먼트, 커넥티드 드론, 초고화질/파노라마 실시간 방송, 개인 AI 지원, 스마트 시티.

2. 장거리 비셀룰러 통신

(1) Wi-Fi

최근 몇 년간 가정용 와이파이 공유기와 스마트폰의 보급이 급증하면서 스마트홈 분야에서도 와이파이 프로토콜이 널리 사용되고 있습니다. 와이파이 프로토콜의 가장 큰 장점은 인터넷에 직접 접속할 수 있다는 점입니다. 지그비(ZigBee)와 비교했을 때, 와이파이 프로토콜을 사용하는 스마트홈 솔루션은 별도의 게이트웨이가 필요 없으며, 블루투스(Bluetooth) 프로토콜과 비교했을 때는 휴대폰과 같은 모바일 단말기에 대한 의존성이 없어집니다.

도시 대중교통이나 쇼핑몰과 같은 공공장소에서 상용 와이파이가 널리 보급되면서, 다양한 현장 응용 분야에서 상용 와이파이의 잠재력이 분명하게 드러나고 있습니다.

(2) 지그비

ZigBee는 저속 및 단거리 전송을 위한 무선 통신 프로토콜입니다. 높은 신뢰성을 자랑하는 무선 데이터 전송 네트워크이며, 저속, 저전력, 저비용, 다수의 온라인 노드 지원, 다양한 온라인 토폴로지 지원, 낮은 복잡성, 빠른 속도, 신뢰성 및 안전성을 주요 특징으로 합니다. ZigBee 기술은 최근에 등장한 새로운 기술로, 주로 무선 네트워크를 통해 데이터를 전송합니다. 단거리 무선 연결이 가능하며, 무선 네트워크 통신 기술의 한 종류입니다.

지그비 기술의 고유한 장점 덕분에 사물인터넷 산업에서 점차 주류 기술로 자리 잡았으며, 산업, 농업, 스마트홈 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

(3)로라

LoRa(LongRange, 장거리)는 유사 기술보다 더 먼 거리까지 통신할 수 있는 변조 기술입니다. LoRa 게이트웨이, 연기 감지기, 수질 모니터링, 적외선 감지, 위치 추적, 멀티탭 등 다양한 IoT 제품에 널리 사용됩니다. 협대역 무선 기술인 LoRa는 도착 시간 차이(TDAD)를 이용하여 위치를 파악합니다. LoRa 위치 추적의 응용 시나리오는 스마트 시티 및 교통 모니터링, 계량 및 물류, 농업 위치 모니터링 등이 있습니다.

3. Near field communication

(1)RFID

RFID는 무선 주파수 식별(Radio Frequency Identification)의 약자입니다. RFID는 리더기와 태그 간의 비접촉식 데이터 통신을 통해 대상을 식별하는 기술입니다. RFID는 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 대표적인 응용 분야로는 동물 마이크로칩, 차량용 마이크로칩 경보 시스템, 출입 통제, 주차장 관리, 생산 라인 자동화, 자재 관리 등이 있습니다. 완전한 RFID 시스템은 리더기, 전자 태그, 데이터 관리 시스템의 세 부분으로 구성됩니다.

(2)NFC

NFC의 중국어 정식 명칭은 근거리 통신 기술입니다. NFC는 비접촉식 무선 주파수 식별(RFID) 기술을 기반으로 개발되었으며 무선 연결 기술과 결합되었습니다. NFC는 우리 일상생활에서 점점 더 보편화되고 있는 다양한 전자 제품에 매우 안전하고 빠른 통신 방식을 제공합니다. NFC의 중국어 명칭에 있는 "근거리"는 전자기장 근처의 전파를 의미합니다.

적용 시나리오: 출입 통제, 출결 관리, 방문객 관리, 회의 참석 확인, 순찰 등 다양한 분야에서 사용됩니다. NFC는 인간-컴퓨터 상호작용 및 기계-기계 상호작용과 같은 기능을 제공합니다.

（3）블루투스

블루투스 기술은 무선 데이터 및 음성 통신을 위한 개방형 글로벌 규격입니다. 이는 저비용의 단거리 무선 연결을 기반으로 고정 및 이동 장치 간의 통신 환경을 구축하는 특수한 단거리 무선 연결 기술입니다.

블루투스는 휴대폰, PDA, 무선 헤드셋, 노트북 및 관련 주변기기 등 다양한 기기 간의 무선 정보 교환을 가능하게 합니다. 블루투스 기술을 활용하면 모바일 통신 단말 장치 간의 통신을 효과적으로 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 장치와 인터넷 간의 통신 또한 간소화하여 데이터 전송 속도를 높이고 효율성을 향상시켜 무선 통신의 가능성을 넓힐 수 있습니다.

4. 유선 통신

（1）USB

USB, the abbreviation of Universal Serial Bus in English, is an external bus standard used to standardize the connection and communication between computers and external devices. It is an interface technology applied in the PC field.

(2) 직렬 통신 프로토콜

직렬 통신 프로토콜은 데이터 패킷의 내용을 규정하는 관련 사양을 의미하며, 여기에는 시작 비트, 주요 데이터, 검사 비트 및 정지 비트가 포함됩니다. 데이터를 정상적으로 송수신하려면 양측이 일관된 데이터 패킷 형식에 동의해야 합니다. 직렬 통신에서 일반적으로 사용되는 프로토콜로는 RS-232, RS-422 및 RS-485가 있습니다.

직렬 통신은 주변 장치와 컴퓨터 간의 데이터 라인을 통해 데이터를 비트 단위로 전송하는 통신 방식입니다. 이 방식은 데이터 라인 수가 적어 장거리 통신 시 통신 비용을 절감할 수 있지만, 병렬 전송 방식보다 전송 속도가 느립니다. 대부분의 컴퓨터(노트북 제외)에는 두 개의 RS-232 직렬 포트가 있습니다. 직렬 통신은 계측 장비 및 기기에서도 널리 사용되는 통신 프로토콜입니다.

(3) 이더넷

이더넷은 컴퓨터 근거리 통신망(LAN) 기술입니다. IEEE 학회의 IEEE 802.3 표준은 이더넷의 기술 표준을 규정하며, 물리 계층 배선, 전자 신호 및 미디어 액세스 계층 프로토콜을 포함한 내용을 명시합니다.

(4)MBus

MBus 원격 검침 시스템(심포닉 MBus)은 유럽 표준 2선식 버스로, 주로 열량계 및 수도량계와 같은 소비량 측정 기기에 사용됩니다.

2. 네트워크 계층 및 전송 프로토콜

1、IPv4

IPv4(인터넷 통신 프로토콜 버전 4)는 인터넷 프로토콜 개발 과정의 네 번째 개정판이자 최초로 널리 배포된 버전입니다. IPv4는 인터넷의 핵심이며 가장 널리 사용되는 인터넷 프로토콜 버전입니다.

2、IPv6

IPv6는 IPv4의 가장 큰 문제점인 제한된 네트워크 주소 자원 때문에 인터넷의 응용과 발전을 심각하게 저해하는 문제를 해결하기 위해 도입되었습니다. IPv6를 사용하면 네트워크 주소 자원 부족 문제를 해결할 뿐만 아니라 여러 기기가 동시에 인터넷에 접속하는 데 따르는 어려움도 해소할 수 있습니다.

3、TCP

TCP(전송 제어 프로토콜)는 연결 지향적이고 신뢰할 수 있는 바이트 스트림 기반 전송 계층 통신 프로토콜입니다. TCP는 여러 네트워크 애플리케이션을 지원하는 계층적 프로토콜 구조를 수용하도록 설계되었습니다. TCP는 서로 연결되어 있는 여러 컴퓨터 통신 네트워크에 연결된 호스트 컴퓨터 내의 프로세스 쌍 간에 신뢰할 수 있는 통신 서비스를 제공하는 데 사용됩니다. TCP는 하위 계층 프로토콜로부터 간단하고, 경우에 따라 신뢰성이 떨어질 수 있는 데이터그램 서비스를 얻을 수 있다고 가정합니다.

4、6LoWPAN

6LoWPAN은 IPv6 기반의 저속 무선 개인 영역 네트워크 표준으로, 구체적으로는 IEEE 802.15.4 기반의 IPv6입니다.

3. 응용 계층 프로토콜

1、MQTT 지원

MQTT(Message Queue Telemetry Transport)는 원격 측정 데이터 전송 프로토콜입니다. 주로 구독/발행 두 가지 메시지 모드를 제공하며, 간단하고 가벼우며 사용하기 쉽습니다. 특히 대역폭이 낮거나 네트워크 지연이 심하고 네트워크 통신이 불안정한 환경에서 메시지를 배포하는 데 적합합니다. 사물 인터넷(IoT)의 표준 전송 프로토콜로 사용되고 있습니다.

많은 경우, 특히 기계 대 기계(M2M) 통신 및 사물 인터넷(IoT)과 같은 제한된 환경에서 널리 사용됩니다. 위성 링크를 통한 통신 센서, 간헐적 전화 걸기용 의료 장비, 스마트 홈 및 일부 소형 장치에 활용되고 있습니다.

2、CoAP 지원

CoAP(Constrained Application Protocol)는 사물 인터넷(IoT) 환경에서 사용되는 웹 기반 프로토콜입니다. 소형 저전력 센서, 스위치, 밸브 등 표준 인터넷 네트워크를 통해 원격으로 제어 또는 모니터링해야 하는 부품에 적합합니다. 서버는 지원되지 않는 데이터 유형에 응답할 필요가 없습니다.

3、REST/HTTP 지원

RESTful은 리소스 기반 소프트웨어 아키텍처 스타일입니다. 여기서 리소스란 네트워크 상의 개체 또는 네트워크 상의 특정 정보를 의미합니다. 그림이나 음악 파일이 리소스의 예입니다. RESTful API는 HTTP 프로토콜을 기반으로 구현됩니다. (HTTP는 애플리케이션 계층 프로토콜로, 간단하고 빠릅니다.)

REST 사양을 충족하는 애플리케이션 또는 디자인을 RESTful API라고 하며, REST 사양에 따라 설계된 API를 RESTful API라고 합니다.

4. DDS 프로토콜

DDS(데이터 분산 서비스)는 분산형 실시간 데이터 분산 서비스 미들웨어 프로토콜입니다. 분산형 실시간 네트워크에서 "TCP/IP"와 같은 역할을 하며, 실시간 네트워크에서 네트워크 프로토콜 상호 연결 문제를 해결하는 데 사용됩니다. 그 기능은 "버스 위의 버스"와 유사합니다.

5、AMQP 판매

AMQP(Advanced Message Queuing Protocol)는 통합 메시징 서비스를 제공하는 응용 계층 표준 고급 메시지 큐 프로토콜입니다. 이는 응용 계층 프로토콜을 위한 개방형 표준이며 메시지 지향 미들웨어를 위해 설계되었습니다. 이 프로토콜을 기반으로 하는 클라이언트와 메시지 미들웨어는 메시지를 전송할 수 있으며, 서로 다른 클라이언트/미들웨어 제품이나 개발 언어 등에 제약을 받지 않습니다. Erlang으로 구현된 예로는 RabbitMQ 등이 있습니다.

6、XMPP 지원

XMPP는 표준 유니버설 마크업 언어(SUML)의 하위 집합인 XML을 기반으로 하는 프로토콜로, XML 환경에서 개발할 때의 유연성을 그대로 계승합니다. 따라서 XMPP 기반 애플리케이션은 확장성이 매우 뛰어납니다. 확장된 기능을 통해 XMPP는 확장된 정보를 전송하여 사용자의 요구 사항을 처리할 수 있으며, 콘텐츠 게시 시스템이나 주소 기반 서비스와 같은 애플리케이션을 XMPP 기반으로 구축할 수 있습니다.

4. 일부 통신 프로토콜 비교

1. NB-IoT 프로토콜과 LoRa 프로토콜 비교

첫째, 주파수 대역입니다. LoRa는 1GHz 미만의 비면허 주파수 대역에서 작동하며, 신청에 추가 비용이 발생하지 않습니다. 반면 NB-IoT와 셀룰러 통신은 2113 규정에 따라 허가된 1GHz 미만의 주파수 대역을 사용하며, 이에 대한 요금이 부과됩니다.

둘째, 배터리 수명입니다. LoRa 모듈은 간섭 처리, 네트워크 중첩, 확장성 등에서 고유한 특성을 가지고 있지만, 셀룰러 프로토콜과 동일한 서비스 품질을 제공할 수는 없습니다. 서비스 품질 문제 때문에 NB-IoT는 LoRa와 같은 배터리 수명을 제공할 수 없습니다.

셋째, 장비 비용입니다. 최종 노드의 경우 LoRa 프로토콜은 NB-IoT보다 간단하고 개발이 용이하며 마이크로프로세서와의 호환성이 뛰어납니다. 또한, 저렴하고 비교적 성숙한 기술의 LoRa 모듈이 이미 시장에 출시되어 있으며, 업그레이드 버전도 지속적으로 출시될 예정입니다.

넷째, 네트워크 커버리지 및 구축 일정입니다. NB-IoT 표준은 2016년에 발표되었습니다. 네트워크 구축 외에도 이에 상응하는 상용화 및 산업 사슬 구축에는 더 오랜 시간과 노력이 필요할 것입니다. LoRa의 전체 산업 사슬은 비교적 성숙되어 있으며, 관련 제품들은 출시 준비가 완료된 상태입니다. 동시에 전 세계 많은 국가에서 전국적인 네트워크 구축을 진행 중이거나 완료했습니다.

2. 블루투스, 와이파이, 지그비 프로토콜 비교

현재 와이파이의 장점은 널리 사용되고 수많은 가정에 보급되었다는 점이고, 지그비는 저전력 소비와 자율 네트워크 구성이라는 장점이 있으며, UWB 무반송파 무선 통신 기술은 전송 속도가 빠르다는 장점이 있고, 블루투스는 간편한 네트워크 연결이 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 이 세 가지 기술 모두 나름의 단점을 가지고 있으며, 어떤 기술도 스마트 홈의 모든 요구 사항을 완벽하게 충족할 수는 없습니다.

블루투스 기술의 등장으로 단거리 무선 통신이 가능해졌지만, 복잡한 프로토콜, 높은 전력 소모, 그리고 높은 가격 때문에 저비용 및 저전력이 요구되는 산업 제어 및 가정용 네트워크에는 적합하지 않았습니다. 특히 블루투스의 가장 큰 단점은 제한된 전송 범위입니다. 일반적으로 유효 범위는 약 10미터에 불과합니다. 또한, 약한 간섭 방지 능력과 정보 보안 문제도 블루투스의 발전과 대규모 적용을 저해하는 주요 요인입니다.

와이파이는 언제든 무선 신호에 접속할 수 있는 단거리 무선 전송 기술입니다. 이동성이 뛰어나 사무실이나 가정 환경에 더욱 적합합니다. 하지만 와이파이에도 치명적인 단점이 있습니다. 와이파이는 무선 주파수 기술을 사용하여 공중에서 데이터를 송수신하고 전파를 통해 데이터 신호를 전송하기 때문에 외부 간섭에 매우 취약합니다.

ZigBee는 국제적으로 인정받는 무선 통신 기술입니다. 각 네트워크 포트는 65,000개 이상의 포트에 접속할 수 있어 가정, 산업, 농업 등 다양한 분야에서 사용하기에 적합합니다. 반면 블루투스와 와이파이 네트워크 단말기는 10개 포트만 접속할 수 있어 일반 가정의 요구를 충족하기 어렵습니다. ZigBee는 또한 저전력 소모와 저렴한 비용이라는 장점을 가지고 있습니다.

3. MQTT 프로토콜과 CoAP 프로토콜 비교

MQTT는 중간 프록시를 통해 여러 클라이언트 간에 메시지를 전송하는 다대다 통신 프로토콜입니다. 이를 통해 생산자와 소비자의 역할을 분리하고, 클라이언트가 메시지를 발행하면 프록시가 메시지 라우팅 및 복사 여부를 결정합니다. MQTT는 일부 영구 저장 기능을 지원하지만, 실시간 데이터 통신 버스로 사용하는 것이 가장 적합합니다.

CoAP는 주로 클라이언트와 서버 간에 상태 정보를 전송하는 데 사용되는 지점 간 프로토콜입니다. 리소스 관찰도 지원되지만, CoAP는 상태 기반 전송 모델에 가장 적합하며 완전히 이벤트 기반은 아닙니다.

MQTT 클라이언트는 장시간 지속되는 TCP 연결을 설정합니다. 이는 일반적으로 문제가 없음을 의미합니다. CoAP 클라이언트와 서버는 모두 UDP 패킷을 송수신합니다. NAT 환경에서는 터널링 또는 포트 포워딩을 사용하여 CoAP를 허용하거나, LWM2M처럼 장치가 프런트엔드 연결을 먼저 초기화할 수 있습니다.

MQTT는 클라이언트가 메시지를 이해하는 데 도움이 되는 메시지 유형 태그나 기타 메타데이터를 지원하지 않습니다. MQTT 메시지는 어떤 용도로든 사용할 수 있지만, 모든 클라이언트는 통신을 위해 상위 데이터 형식을 알고 있어야 합니다. 반면 CoAP는 콘텐츠 협상 및 검색 기능을 내장하여 장치들이 서로를 감지하고 데이터를 교환할 방법을 찾을 수 있도록 합니다.

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