2020년까지 500억개 이상의 사물들이 인터넷으로 연결될 것으로 예상됨에 따라 미래 인터넷은 사물들의 인터넷, 즉 IoT로 발전할 것으로 전망되고 있다. IoT는 실세계와 가상세계에 존재하는 사물들을 네트워크로 상호 연결해 사람과 사물, 사물과 사물간에 언제 어디서나 서로 소통할 수 있도록 하는 기술인 것은 다 아는 사실일 것이다.
지금까지는 기업의 데모 수준에 머물러왔던 IoT 기술들이 통신 환경, 저가의 프로세서 기술, 센서 기술과 같은 인프라의 발전에 맞추어 상용화 및 시장을 형성하려는 분위기를 보이고 있다. 본 글에서는 사물인터넷 기반 기술 및 통신망의 구조, 앞으로 나올 블루투스(Bluetooth) 5.0 기술에 대해 2회에 걸쳐 살펴보고자 한다.
IoT 시대에는 사물과 사람이 결합된 소셜 네트워크가 구성되고 사물들간 지능적인 협업이 가능 하게 된다. 또 사물들은 사람들의 개입 없이 자율적으로 사람을 도와줄 수 있고 사람은 언제 어디서나 원하는 사물을 연결해 필요한 서비스를 제공받을 수 있다.
미래에는 책상 위에 있는 화분이 주인에게 “물이 부족해요”라고 트윗을 보낼 수 있게 될 것이다. [그림2]는 식물의 수분상태, 조도 상태등을 파악하여 스마트폰으로 알려주는 프랑스 패롯사의 플라워 파워 제품의 그림이다.
IoT 서비스가 실현되는 세상을 위해서 개발자는 보다 빠르게 서비스를 개발하고 사용자는 개발된 서비스를 손쉽게 이용할 수 있는 환경이 제공돼야 한다. 이러한 환경을 위해서 국내외적으로 다양한 플랫폼이 나오고 있고 이 플랫폼들은 사람과 사물, 사물과 사람이 함께 연결될 수 있는 사물 인터넷 글로벌 생태계를 구축하고 이를 지원할 수 있는 구조로 구성됐다.
IoT 서비스의 구조
IoT 디바이스 개발자는 IoT 플랫폼을 이용해 IoT 디바이스를 개발해 관련된 API를 오픈(Open)API 사이트에 등록하게 되고 IoT 앱 개발자는 오픈 API 사이트에 등록된 API를 이용해 해당 IoT 디바이스를 사용하기 위한 앱/웹을 개발하고 IoT 플랫폼에서 디바이스의 관리 및 응용할 할 수 있도록 기능을 제공하는 구조다. 서비스 제공자는 IoT 서비스를 제공하기 위해 IoT 디바이스를 구입해 필요한 곳에 설치하고 IoT 디바이스의 정보를 IoT 플랫폼에 등록한다.
사용자는 스마트 기기에 설치된 앱/웹 브라우저를 이용해 보다 쉽게 IoT 디바이스를 검색할 수 있게 한다. 검색한 IoT 디바이스를 선택하면 관련된 IoT 앱/웹이 IoT 플랫폼으로부터 사용자의 스마트 기기로 다운로드된다. 다운로드 된 IoT 앱/웹은 IoT 디바이스를 직접 연결해 사용하거나 IoT 플랫폼에 연계해 매쉬업 서비스를 이용할 수 있다.
IoT 플랫폼의 예
엠베드(mbed) 프로젝트는 IoT를 위한 플랫폼의 하나의 예다. 프로세서 업체들이 IoT 서비스를 개발하는 업체에서 쉽게 하드웨어를 개발하고 연동할 수 있도록 개발 환경 및 개발 보드 등을 표준화 시켜 제공하고 있다.
[그림3]은 엠베드 플랫폼에서 지원하는 기능의 전체적인 구조를 보여 준다. 엠베드 플랫폼의 경우 IoT 디바이스를 효과적으로 구현하는데 중점을 두고 있기 때문에 디바이스쪽 측면이 강하다. 따라서 뒤에 나오는 서버(즉, IoT 디바이스로부터 정보를 받아서 관리 및 처리)쪽 면과 비교해서 보는 것이 중요하다.
엠베드 플랫폼은 ARM 및 여러 프로세서 업체에서 지원하는 개방형 IoT 플랫폼이다. [그림4]는 엠베드 프로젝트의 웹 사이트의 모습이다. 프로세서로부터 하드웨어 개발 정보, 소프트웨어 개발 정보 등을 관리하고 있다.
IoT 장치 및 플랫폼에 있어서 중요한 부분의 하나는 연결성과 보안성이다. 연결되지 않는 IoT 장치는 의미가 없고 또한 통신 보안은 중요한 이슈다. 엠베드 플랫폼에서도 와이파이(WiFi) 뿐 아니라 BLE 및 6LoWPAN을 지원하고 있다.
엠베드 플랫폼에서는 API 형태로 지원하고 있다. 기존의 개발 보드에 BLE 확장 보드를 설치하고 BLE API를 호출하는 것으로써 엠베드 플랫폼에서 BLE 기능을 사용할 수 있게 해준다. 각종 센서 및 장치들을 지원하고 있다.
6LoWPAN
6LoWPAN(IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network)은 기존에 와이파이 등과 같은 IP 통신에서 사용하던 IP 통신을 할 수 있게 해주는 기능이다. BLE와 같은 장치에서 IP 통신을 통해 확장성 높은 IoT 시스템을 개발할 수 있도록 지원해주고 있다.
엠베드는 다양한 프로세서 밴더에서 지원하고 있으며 지원하고 있는 프로세서 및 개발 보드 형태는 [그림7]과 같다.
IoT 구현의 핵심 요소
IoT 기반기술로서 수많은 IoT 디바이스를 식별하기 위한 IoT 디바이스 인덱싱 기술, 실세계 및 가상세계에 존재하는 다양한 IoT디바이스를 사용자가 쉽게 찾을 수 있도록 하는 검색 및 브라우징 기술, 사용자의 개인정보 보호 및 데이터 보안 등에 대한 부분에 대해 핵심적으로 다뤄야 한다.
아마존 웹 서비스와 IoT
AWS IoT는 디바이스를 AWS 서비스 및 다른 디바이스에 연결하고, 데이터 및 상호 작용을 보안하며 디바이스 데이터를 처리하고 이를 기반으로 운영한다. 또 디바이스가 오프라인일 때도 애플리케이션이 디바이스와 상호 작용할 수 있도록 해주는 플랫폼이다.
AWS IoT 디바이스 SDK
AWS IoT에서는 하드웨어 디바이스 또는 모바일 애플리케이션을 쉽고 빠르게 연결할 수 있도록 SDK를 제공하고 있다. AWS IoT 디바이스 SDK를 사용하면 디바이스에서 MQTT 또는 HTTP 프로토콜을 사용해 AWS IoT와 연결하고 인증하고 메시지를 교환할 수 있도록 하고 있다. 디바이스 SDK는 C, 자바스크립트 및 아두이노를 지원하고 있다. [그림9]는 AWS에서 IoT 장치를 설정 및 관리를 위한 관리자 콘솔의 그림이다.
디바이스 게이트웨이
AWS IoT 디바이스 게이트웨이를 사용하면 디바이스가 AWS IoT와 안전하고 효율적으로 통신할 수 있도록 한다. 디바이스 게이트웨이는 게시·구독 모델을 사용해 메시지를 교환할 수 있으며 이러한 모델은 1대 1 및 1대 다수 통신을 가능하게 한다.
AWS IoT는 이러한 1대 다수 통신 패턴을 통해 연결된 디바이스가 데이터를 해당 주제의 여러 구독자에게 브로드캐스트할 수 있게 해준다. 디바이스 게이트웨이는 MQTT 및 HTTP 1.1 프로토콜을 지원하며 고유 또는 레거시 프로토콜을 지원하도록 손쉽게 구현할 수 있다. 디바이스 게이트웨이는 인프라 프로비저닝 없이 수십억 개의 디바이스를 지원하도록 자동으로 확장 할 수 있다.
인증 및 권한 부여
AWS IoT는 모든 연결 지점에서 상호 인증 및 암호화를 제공하므로 디바이스와 AWS IoT 간에 입증된 자격 증명 없이는 데이터가 교환되지 않는다. AWS IoT는 AWS의 인증 방법뿐 아니라 X.509 인증서 기반 인증을 지원하고 있다.
HTTP를 이용한 연결은 이러한 방법 중 하나를 사용할 수 있는 반면에 MQTT를 이용한 연결은 인증서 기반 인증을 사용한다. 원하는 역할 및/또는 정책을 각 인증서에 매핑해 디바이스 또는 애플리케이션에 액세스 권한을 부여하거나 마음이 바뀐 경우 디바이스를 직접 조작하지 않고도 액세스 권한을 모두 취소할 수 있다.
콘솔이나 API를 사용해 디바이스에 대한 인증서와 정책을 생성, 배포 및 관리할 수 있다. 이러한 디바이스 인증서는 AWS IAM를 사용해 구성된 관련 정책으로 프로비저닝 및 활성화하고 해당 정책과 연결할 수 있다. 이를 통해 원하는 경우 개별 디바이스에 대한 액세스를 즉시 취소할 수 있다.
또 AWS IoT는 앱 사용자에 대한 고유 식별자를 생성하고 제한적인 임시 AWS 자격 증명을 가져오는 데 필요한 모든 단계를 처리하는 아마존 코그니토(Amazon Cognito)를 사용해 사용자의 모바일 앱으로부터의 연결도 지원하고 있다.
레지스트리
레지스트리는 디바이스에 대한 자격 증명을 설정하고 디바이스의 속성 및 기능 같은 메타데이터를 추적할 수 있다. 레지스트리는 디바이스 유형이나 연결 방식과 관계없이 지속적으로 형식이 지정되는 각 디바이스에 고유 자격 증명을 지정합니다. 또 예를 들어 센서가 온도를 보고하는지 그리고 데이터가 화씨인지 섭씨인지와 같은 디바이스의 기능을 설명하는 메타데이터를 지원한다.
디바이스 섀도
AWS IoT에서는 디바이스의 최신 상태가 포함된 각 디바이스의 영구, 가상 버전 또는 ‘섀도’를 생성해 애플리케이션이나 다른 디바이스가 메시지를 읽고 해당 디바이스와 상호 작용할 수 있는 기능을 제공하고 있다. 디바이스 섀도는 디바이스가 오프라인이더라도 각 디바이스의 최종 보고된 상태와 원하는 이후 상태를 유지한다. API 또는 규칙 엔진을 사용해 디바이스의 최종 보고된 상태를 가져오거나 원하는 이후 상태를 설정할 수 있다.
규칙 엔진
규칙 엔진을 사용하면 인프라를 관리할 필요 없이 글로벌 규모로 연결된 디바이스에서 생성된 데이터를 수집, 처리, 분석하고 이를 기반으로 조치를 취할 수 있다. 규칙 엔진은 AWS IoT에 게시된 수신 메시지를 평가하고 정의한 비즈니스 규칙에 따라 다른 디바이스나 클라우드 서비스로 이를 변환 및 전송한다. 규칙은 하나 이상의 디바이스의 데이터에 적용할 수 있으며 하나 이상의 작업을 동시에 수행할 수 있다.
또 규칙 엔진은 AWS 람다(Lambda), 아마존 키네시스(Kinesis), 아마존 S3, 아마존 머신러닝, 아마존 다이너모(Dynamo)DB를 비롯한 AWS 엔드포인트에 메시지를 라우팅 할 수 있다. 외부 엔드포인트에는 AWS 람다, 아마존 키네시스 및 아마존 심플 노티피케이션 서비스(Notification Service, SNS)를 사용해 전달할 수 있다.
사물인터넷의 통신망
IoT 혹은 사물인터넷의 활성화를 위해 가장 큰 요소는 통신 인프라라고 볼 수 있다.
센서로부터 혹은 처리된 정보를 수집하여 서버로 전송하여 관리를 할 수 있도록 하는 게 가장 큰 성공의 요인이다. 사물 인터넷 장치에 자체 서버를 구축해 관리 할 수 도 있지만 어디까지나 한정된 시스템에서의 이야기고 대규모의 복합적인 시스템의 구축에서는 통신을 반드시 필요 불가결한 요소다.
지금까지는 3G나 LTE 통신이 주를 이루었고 와이파이나 지그비, 블루투스의 탑재를 통한 사물 인터넷의 통신 방법이 주류였다. 비용 및 소비 전력 등의 이슈로 아직까지 활성화를 위해 넘어야 할 산으로 생각되고 있다.
사물인터넷(IoT)이 각광을 받고 있는 가운데 IoT 망에 대한 관심도도 높아지고 있다. 미국을 비롯한 선진국에서는 사물인터넷 망 사업자들이 등장하고 있다. 우리나라에서도 사물인터넷 망에 대한 장기적 관점의 접근이 필요하다는 것이 논의 되고 있다.
해외에서는 사물인터넷이 ICT 산업의 화두가 되면서 그 가치를 생성하기 위한 사물인터넷 망에 대한 투자와 시도가 확대되고 있다. 프랑스와 스페인, 네덜란드, 영국, 미국 등에서는 시그폭스(Sigfox), 로라 얼라이언스(LoRa Alliance), 웨이트리스(Weightless) 등 사물인터넷망 사업자들이 등장하고 있다.
시그폭스의 경우 서비스 제공 국가 및 지역 확대를 위해 1억달러가 넘는 자금을 유치했으며 LPWAN 기반의 망 사업자들이 빠르게 성장해 나가고 있다. 또 셀룰러 기반 장비와 부품 제조사들은 LTE를 활용한 망 기술을 개발하는 등 기술, 시장 표준에 대한 경쟁은 치열해지고 있다.
사물인터넷 망 시장에서 가장 각광을 받고 있는 곳은 시그폭스다. 2009년 설립된 프랑스 기업으로 사물인터넷 망의 효시가 된 기업이다.
시그폭스는 UNB(Ultra Narrow Band) 기술을 사용하며, 배터리 교체 없이 몇 년 간 사용할 수 있는 저전력 기반의 사물인터넷망 서비스를 제공하고 있다. 특히 주파수 사용료가 없는 비면허 주파수 대역을 사용하고 있다는 점이 특징이다.
시그폭스는 가장 먼저 사물인터넷 망 서비스를 제공한 만큼 현재 가장 넓은 커버리지와 파트너를 갖고 있다. 향후 5년간 60개 국가에 서비스를 제공하겠다는 목표다. 현재는 프랑스와 스페인, 네덜란드 및 영국 내 10개 도시에서 서비스를 제공하고 있다. 미국의 경우 샌프란시스코에서 시작해 2016년까지 30개 도시에 4000개의 기지국을 설립한다는 계획이다.
특히 시그폭스는 국내 대기업들도 높은 관심을 보이고 있는데 SK텔레콤과 삼성이 투자하고 있다. 삼성전자는 자사의 통합 사물인터넷 모듈인 ‘아틱’과 시그폭스 기술을 접목할 계획이라고 발표한 바 있다.
LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)은 반도체 기업인 셈태크와 IBM 리서치가 개발한 LPWAN 기술이다. LoRaWAN은 매우 적은 전력을 통해 넓은 대역으로 데이터를 분산해 동시에 송신이 가능한 확산 스펙트럼 CDMA 기술을 활용하고 있다. 이 기술은 UNB에 비해 더 많은 전력을 소모하지만 전파 간섭이 적은 장점이 있다.
또 오픈 표준을 지향하는 웨이트리스(Weghtless)도 각광받고 있다. 웨이트리스는 영국 캠브리지 주변의 ARM과 뉴엘(Nuel), CSR(캠브리지 실리콘 라디오) 등이 주축이 돼 만든 개방형 표준 기반의 LPWAN기술을 개발한 표준 협의체다. 이 외에도 LTE기술을 활용한 사물인터넷 망 기술도 최근 각광을 받고 있다.
유럽의 사물인터넷 소프트웨어 및 하드웨어 개발사인 리벨리엄은 “시그폭스는 3사 중 가장 안정된 기술로 유럽 내 폭넓은 지역을 커버하고 있으며 LoRaWAN은 유럽 내 통신사업자들과 협업을 통해 확장을 꾀하고 있는 기술”이라고 평가했다.
우리나라도 사물인터넷 망에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 국내 몇몇 대기업들은 사물인터넷의 다양한 시도가 이뤄지는 해외 사물인터넷 망 사업자들에게 투자하고 있고 그 망을 이용한 테스트를 진행중이다.
해결해야 할 문제도 산적해 있다. 기존의 대용량 고속전송을 주 타깃으로 형성된 통신과 달리 다량의 저용량 데이터를 안정적으로 전송하는 것이 중요하다. 또 글로벌 트렌드와의 호환성과 표준문제도 있다. 뿐만 아니라 연결 대상 사물들이 기하급수적으로 증가할 때 다른 통신데이터들과 충돌이 없어야 한다. 송수신에 따른 에너지 소모도 작아야 하고 때로는 상당히 원거리까지 전송이 가능해야 한다. 우리나라의 기존 통신 환경도 고려돼야 한다.
글 : 라영호 테뷸라 대표이사
자료제공 : 테뷸라(www.tebular.com)
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