BlueNRG-MESH로 보다 스마트한 환경 구현

[테크월드=이나리 기자] 오랫동안 기다려온 블루투스 메시 네트워킹 기술이 드디어 발표됐다. 블루투스 SIG가 2017년 7월에 정식으로 발표한 이 표준 규격은 기존의 블루투스 네트워킹 기술(점-대-점, 성형, 브로드캐스팅)에 산업용급 보안 메시 네트워킹을 추가했다. 블루투스 저에너지(BLE)는 배터리로 작동되는 주변장치들과 스마트폰으로 이뤄진 허브 중심적 근거리 PAN(Personal Area Networking) 애플리케이션에 널리 사용되고 있다.

새로운 메시 네트워킹 기술은 수백 개 노드들이 서로 매끄럽게 통신해 훨씬 더 넓은 네트워킹 범위를 커버할 수 있다. 이 노드에서 저 노드(Node)로 릴레이(전달)가 가능해 통신거리를 확장할 수 있다. 많은 이들의 예견과 달리, 블루투스 메시는 최신 블루투스 5 표준에만 의존하지 않는다. 블루투스 4.0 이상을 지원하는 어떤 스마트폰이나 메시 커넥티드 노드라도 손쉽게 모니터링, 제어할 수 있다.

이 글에서는 최근의 블루투스의 진화와 새로운 메시 네트워킹 기술에 대해 설명한다. 그리고 개발자들과 혁신적인 제작자들이 이 놀라운 신기술을 최대한 활용하도록 ST의 포괄적인 유형의 저전력 블루투스 시스템온칩(SoC), 툴, 편리한 평가 키트 지원을 설명하겠다. 

블루투스 저에너지 메시 기술

메시를 이루는 기본 구성요소는 노드 객체다. 블루투스 메시 노드는 패킷으로 이뤄진 메시지를 사용해 네트워크 상의 모든 노드와 통신할 수 있다. 메시지는 명령이나 보고에 사용되며, 일반적으로 연속적 데이터 스트리밍용으로는 사용되지 않는다. 또한 릴레이 노드를 사용한 릴레이 메커니즘을 통해 도달이 불가능했던 노드들로 메시지를 빠르게 전달할 수 있다. 따라서 네트워크의 도달 가능한 커버리지를 크게 늘릴 수 있다. 네트워크 직경이 많게는 126홉에 달할 수 있다. 이 정도면 전체 건물의 조명 설비를 커버하기에 충분하다.

네트워크 혼잡을 피하기 위해서는 메시지 릴레이의 종료 시점 판단 등 다수의 기법들이 도입되고 있다. 이로써 플러딩(Flooding) 기법으로 인한 단점은 최소화하면서 단순성, 중복성, 신뢰성과 같은 이점들은 그대로 유지할 수 있다.

릴레이 노드는 계속해서 메시지를 수신하고 재전송하도록 깨워야 하므로 블루투스 기술 고유의 저전력 특성을 활용하지 못할 수 있다. 따라서 배터리로 작동되는 디바이스는 릴레이 노드로 적합하지 않다. 이럴 때 도움이 될 수 있는 것이 친구 노드(Friend node)와 저전력 노드(Low-power node)다. 통상적으로 메인 전원으로 작동되는 친구 노드는 지정된 메시지들을 버퍼링할 수 있으며, 저전력 노드는 저전력 상태로 머물다가 사전에 지정된 일정한 주기로 깨어나 버퍼링된 메시지를 처리하고 다시 슬립 모드가 된다.

네 번째 노드 유형은 프록시 노드(Proxy node)다. 프록시 노드는 기존 스마트폰 같이 메시를 지원하지 않는 블루투스 저에너지 디바이스라도 표준적 GATT(Generic Attribute Profile) 인터페이스를 통해 네트워크에 연결할 수 있도록 한다. 이 유형은 역호환성을 제공함으로써 스마트 빌딩이나 홈 오토메이션 같은 애플리케이션에 메시 기술의 도입을 더 빠르게 늘릴 수 있다.

각각의 노드는 어드레스를 지정할 수 있는 객체로 된 최소한 하나 혹은 그 이상의 요소들로 이뤄질 수 있다. 이런 요소들은 클라이언트-서버 모델 아키텍처를 사용해 서로를 노출하며 발행-구독(Publish-and-Subscribe) 메커니즘을 사용해 통신한다. 서버(예를 들어 전구의 온/오프 상태)는 장치의 상태와 상태에 관한 메시지를 포함하며, 클라이언트(예를 들어 조명 스위치)는 상태는 없고 서버 상태와 상호작용하기 위해 사용되는 메시지를 정의한다.

네트워크로부터 제어 메시지를 청취해야 하는 노드(전구)는 관련된 소스로부터 상태가 바뀌는지에 대해 구독한다. 반대로 제어하는 소스(조명스위치)는 자신의 상태를 해당 전구로 발행한다. 따라서 예로 전구/스위치의 경우에는 클라이언트 장치(스위치)가 메시지를 포스트하고, 서버 장치(전구)는 새로운 명령을 통보 받을 수 있다. 

블루투스 메시는 유연성을 더욱 높이기 위해 노드 그룹을 정의하고 어드레스를 부여할 수 있다(유니캐스트 어드레싱이 아니라 그룹 어드레싱 사용). 이 기능을 사용함으로써 집안의 모든 조명, 현관 입구의 조명 등 공통적인 장소의 모든 전구들을 편리하게 제어할 수 있다.

프로비저닝(Provisioning)은 어떤 디바이스를 어드레스 가능한 노드로서 네트워크로 합류시키는 것이다. 한 네트워크로 최대 3만 2767개 노드를 프로비저닝할 수 있다. 이 절차는 통상적으로 스마트폰이나 태블릿으로 실행되는 앱을 통해 이뤄지고, 이를 통해 프로비저닝된 노드들의 데이터베이스를 형성할 수 있다.

블루투스SIG에서는 보안 문제를 심각하게 인식하고 블루투스 메시로 산업용급 보안 기능들을 필수적인 기능들로 포함시켰다. 따라서 프로비저닝을 하는 시점부터 곧바로 모든 트래픽이 암호화되며, 암호화되지 않은 메시지는 통신할 수 없게 된다. 또한 다중의 네트워킹 층으로 트래픽에 대한 메시지 무결성 검사(MIC)를 도입했다. 3중 키 메커니즘(디바이스 키, 네트워크 키, 애플리케이션 키)을 통해 노드들과 데이터를 인증하고, 정교한 난독화 기법과 단대단(End-to-End) 암호화 이외에도 키 리프레시, 블랙리스팅, 메시지 시퀀싱 같은 기법들을 사용해 보안 위협을 최소화한다.전체적인 메시 소프트웨어는 [그림 4]에서 보는 것처럼 7층으로 이뤄졌다.

BlueNRG 제품 포트폴리오

BlueNRG 제품군은 ST마이크로일렉트로닉스의 저전력 RF 제품 포트폴리오의 한 축으로서, IoT 분야의 까다로운 무선 커넥티비티 요구를 충족시키도록 설계됐으며, 스마트 빌딩, 홈 오토메이션, 스마트 산업, 자동차 시장에 사용하기에 적합하다.

BlueNRG 제품군은 블루투스 저에너지용으로 두 가지 제품 유형을 제공하는데, 바로 무선 애플리케이션 프로세서와 네트워크 프로세서다. 블루투스 저에너지 무선 애플리케이션 제품으로서 BlueNRG-2는 가장 최신 제품으로서 뛰어난 기능성, 성능, 다양한 패키지 옵션으로 사용이 편리하고 고도로 효율적인 프로그래머블 SoC 솔루션을 제공한다.

BlueNRG-2

새로운 BlueNRG-2 제품은 버튼 전지를 사용해 수 개월 혹은 수 년을 동작할 수 있는 비교적 간단한 기능의 블루투스 커넥티드 애플리케이션용으로 적합하다. 극히 전력 효율적인 프로그래머블 프로세서로서 애플리케이션의 모든 요구를 충족시킨다. 임베디드 ARM 코어텍스(Cortex)-M0 32비트 코어는 BLE 무선과 프로토콜 스택을 관리하고 사용자 애플리케이션 코드까지 실행할 수 있다.

또한 저전력 기능들로서 다수의 절전 모드를 포함한다. 극히 절약적인 대기 모드는 슬립 전류 소모가 0.9μA에 불과하며, 대기 모드는 0.5μA만을 소모한다. 따라서 전력을 최소화해야 하는 애플리케이션의 요구를 충족시킨다. 높은 RF 신호 강도는 최대 +8dBm으로 구성하므로 신뢰할 수 있는 무선 통신을 달성하고 통신 거리를 극대화할 수 있다. 이런 특성은 무선 연결 디바이스들이 날로 늘어나면서 무선 주파수 스펙트럼이 갈수록 더 혼잡해지는 오늘날의 환경에서 중요하다. 특히 더 혼잡한 2.4GHz RF 대역은 더욱 그렇다.

또한 이 제품들은 코드와 데이터 저장용으로 256KB의 임베디드 플래시와 듀얼 뱅크(각기 12KB) 구성의 24KB의 극저누설 SRAM을 제공한다. 이처럼 넉넉한 양의 온칩 메모리를 제공하므로 메시 네트워킹을 포함하는 블루투스 저에너지 소프트웨어와 애플리케이션 코드를 모두 호스팅할 수 있다. 따라서 필요한 외부 메모리 소자를 줄일 수 있으므로 시스템 디자인을 간소화할 수 있다. 또한 BlueNRG-2는 블루투스 5를 지원하므로, 최신 스마트폰과 상호운용을 할 수 있으며 첨단 보안과 프라이버시 보호를 포함한 향상된 기능들을 제공하고 확장된 패킷 길이를 사용해 더 빠르게 데이터를 전송할 수 있다.

또한 이 제품들은 최대 105℃로 동작하므로 자동차와 조명을 비롯한 다양한 분야에 사용하는 데 적합하다. 블루투스 메시는 상용 조명 같은 분야에 가장 먼저 도입될 것으로 보인다. 따라서 BlueNRG-2의 확장된 온도 범위는 메시 네트워크로 연결된 전구들로 설계를 간소화하고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

BlueNRG-1

BlueNRG-1은 BlueNRG-2와 유사하지만 기능이 축소된 프로그래머블 블루투스 저에너지 SoC 제품이다. 더 적은 메모리(160KB)를 제공하며, 확장된 패킷 길이를 지원하지 않는다. 이전의 블루투스 4.2 표준을 지원한다.

BlueNRG-MS

데이터나 애플리케이션 코드를 저장하기 위한 더 많은 스토리지, 더 높은 프로세싱 성능, 더 유연한 IO와 더 풍부한 주변장치 기능이 필요한 경우, BlueNRG-1이나 BlueNRG-2에 외부 마이크로컨트롤러를 추가해 사용할 수 있다. 또 BlueNRG-1이나 BlueNRG-2의 추가적인 기능이나 성능이 필요하지 않은 경우에는 BlueNRG-MS 네트워크 프로세서를 사용할 수 있다.

BlueNRG-MS는 순수한 네트워크 프로세서로서 로컬 애플리케이션 코드나 데이터 코드를 저장할 수 있는 기능이 없으며, 직렬 인터페이스(SPI)를 통해 손쉽게 STM32 마이크로컨트롤러로 연결할 수 있다. 예를 들어 편리한 LCD 인터페이스를 통해 전체적인 전구 또는 센서 메시 네트워크를 관리할 수 있으므로 홈 오토메이션 제어 콘솔의 요구를 완벽하게 충족시킬 수 있다.

평가 키트와 툴

BlueNRG 제품을 쉽고 빠르게 평가할 수 있도록 포괄적인 툴, 소프트웨어 개발 키트(SDK), 도큐멘트, 튜토리얼, 가이드라인을 제공한다. BlueNRG 내비게이터 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하면 디자이너와 제작자들은 차세대 커넥티드 디바이스를 손쉽게 개발할 수 있다. 또 BlueNRG 내비게이터 GUI를 사용해 디바이스 구성, 셋업, 테스트를 간편하게 수행하고, 애플리케이션 예제, 코드 스니핏, 다양한 툴들을 지원하므로 BlueNRG 평가 키트로 빠르게 코딩 작업을 할 수 있다.

BlueNRG-2 평가 키트(STEVAL-IDB008V1)는 MEMS 센서, LED, 푸쉬버튼, 프로그래밍 인터페이스를 포함하므로 제공된 데모 소프트웨어를 곧바로 실행할 수 있다. 또한 보드 상으로 아두이노 호환 커넥터를 제공하므로 추가적인 확장 보드를 연결하면 좀더 복잡한 애플리케이션을 개발할 수 있다. 

BlueNRG-Mesh 개요

BlueNRG-Mesh는 BlueNRG 제품 포트폴리오를 지원하기 위한 포괄적인 소프트웨어 개발 키트(SDK)이며, 2017년 9월 27일에 블루투스 아시아(Bluetooth Asia) 행사에서 첫 선을 보였다. 
BlueNRG-Mesh는 개발 초기부터 블루투스 SIG에서 정의한 메시 표준을 충실히 따라왔다. 오랜 개발 과정에서 다수의 상호운용 테스트에 참여했고, 이를 통해 ST는 변화하는 표준을 선도적으로 반영해 왔으며, 보안, 확장성, 새롭게 추가되는 기능면에서 갈수록 높아지는 요구를 잘 충족시키고 있다.

BlueNRG-Mesh는 BlueNRG 제품 포트폴리오의 저전력 아키텍처를 토대로 하면서 각기 다른 파티셔닝을 최대한 활용할 수 있도록 설계되었다. 따라서 단순한 상업용 조명이든, 산업용 환경의 엔터프라이즈 솔루션이든, 스마트 홈의 난방 모니터링 및 제어이든, 단일 칩 및 듀얼 칩 파티셔닝을 사용해 다양한 분야의 요건들을 손쉽게 충족시킬 수 있다.

좀 더 단순한 메시 노드는 BlueNRG-2 프로그래머블 블루투스 프로세서를 사용해 손쉽게 구현한다. 이 프로세서를 사용해 블루투스 스택, 메시 프로토콜, 사용자 애플리케이션 코드를 모두 호스팅할 수 있다. 또한 센서와 매끄럽게 인터페이스할 수 있고 입력/출력 인터페이스(I2C, SPI, UART 등)를 제공하므로 단일 칩 솔루션을 사용해 센서 노드를 전체적으로 설계할 수 있으며, 아주 적은 수의 프로그래밍 라인만으로 메시 네트워크와 통신할 수 있다. 또한 BlueNRG-2는 조명, HVAC(공조시스템) 네트워크 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

좀 더 복잡한 애플리케이션의 경우, STM32와 BlueNRG-MS를 기반으로 한 듀얼 칩 파티셔닝을 사용함으로써 코드와 데이터 저장을 위한 메모리, 프로세싱 성능, 제어 인터페이스 측면에서 훨씬 더 폭넓은 선택을 할 수 있다. 예를 들어 가정용의 중앙 제어 허브라고 했을 때 특정한 사용자 인터페이스(LCD, 터치 스크린 등)를 통해 전체적인 네트워크를 관리할 수 있다.

BlueNRG-Mesh는 데이터 통신을 위해 광고 패킷을 사용하며, 플러딩 기법으로 기초적인 메시지들을 교환한다. 또한 블루투스 SIG 표준에 따라 어드레싱 기능을 사용해 다양한 유형으로 이뤄진 노드들을 3만2767개까지 지원한다.

BlueNRG 제품은 다중홉 데이터 전송과 +8dBm 출력 전력을 특징으로 훨씬 더 우수한 통신 거리로 견고하고 신뢰할 수 있는 네트워킹을 달성하기 때문에 보다 다양한 애플리케이션에 사용될 수 있다. 또한 플러딩(Flooding) 기법을 통해 혹독한 환경이나 혼잡한 2.4GHz RF 스펙트럼에서 발생할 수 있는 통신 문제들에 대해 네트워크 복원성이 뛰어나다. 

BlueNRG-Mesh는 각기 다른 키를 사용한 메시지 암호화나 AES-CCM FIPS 표준에 따른 데이터 암호화와 같이 여러 구현 층으로 다수의 기법들을 도입함으로써 산업용급 보안을 달성한다. 이를 통해 단-대-단으로 보안적이며 프로비저닝을 하는 시점부터 제품 수명이 끝날 때까지 모든 노드를 다양한 보안 위협으로부터 보호하는 견고한 메시 네트워크를 제공한다.

이 SDK는 다양한 개발 환경을 지원하며, BlueNRG-1(STEVAL-IDB007V1), BlueNRG-2(STEVAL-IDB008V1) 평가 키트와 호환 가능하고 듀얼 칩 STM32L152 + BlueNRG-MS 파티셔닝을 지원한다.

또한 BlueNRG-Mesh 패키지는 ST 메시 소프트웨어를 간편하게 사용할 수 있게 해주며, 상업적인 새로운 메시 애플리케이션의 개발 시간을 단축할 수 있도록 안드로이드와 iOS용의 소프트웨어 개발 키트를 제공한다. 이로써 개발자는 수백 가지의 BlueNRG 기반 메시 노드를 관리하고 모니터링하고 제어하기 위한 맞춤화된 풍부한 기능의 세련된 앱을 빠르게 개발할 수 있다. 

글: 마르코 베네리(Marco VENERI) ST 저전력 RF 마케팅 매니저
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스