IoT 기술 및 프로토콜

IoT 세상에서 시작하세요. 이 가이드는 프로젝트에 대해 올바르게 선택하는 데 도움이 되는 IoT 기술 및 프로토콜의 강력한 기반을 제공합니다.

IoT 기술 및 프로토콜에 대한 가이드

사물 인터넷은 연결된 공장, 인텔리전트 소매, 스마트 홈 및 도시, 착용식 디바이스를 가능하게 만드는 포함된 시스템, 무선 센서 네트워크, 제어 시스템 및 자동화가 수렴된 것입니다. IoT 기술을 사용하면 데이터 기반 인사이트, 개선된 운영 프로세스, 새로운 기간 업무 및 더 효율적인 자료 사용으로 비즈니스를 혁신할 수 있습니다.

IoT 기술은 수많은 서비스 공급 기업, 다양한 플랫폼 및 매년 출현하는 수백만 개의 새로운 디바이스를 통해 계속 확장되어 개발자는 IoT 에코시스템을 시작하기 전에 많은 의사 결정을 해야 합니다. 이 가이드는 일반적인 IoT 프로토콜, 전원 및 연결 요구 사항을 이해하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다.

IoT 기술 에코시스템

IoT 기술 에코시스템은 디바이스, 데이터, 연결 및 기술 사용자 계층으로 구성됩니다.

디바이스 계층

네트워크와 연결되고 상호 작용하는 디바이스를 구성하는 센서, 작동기, 하드웨어, 소프트웨어, 연결 및 게이트웨이의 조합입니다.

데이터 계층

비즈니스 컨텍스트에서 수집, 처리, 전송, 저장, 분석, 표시 및 사용되는 데이터입니다.

비즈니스 계층

청구 및 데이터 마켓플레이스의 관리를 비롯한 IoT 기술의 비즈니스 기능입니다.

사용자 계층

사람이 IoT 디바이스와 상호 작용할 수 있게 해주는 구성 요소입니다.

IoT 기술 스택 1부:
IoT 디바이스

IoT 디바이스

IoT 기술 스택의 디바이스와 관련된 몇 가지 일반적인 용어는 다음과 같습니다.

포함된 시스템

하드웨어와 소프트웨어가 모두 포함되고 더 큰 시스템과 관련된 특정 기능을 관리합니다. 포함된 시스템은 마이크로프로세서 기반이거나 마이크로 컨트롤러 기반입니다.

인텔리전트 디바이스

이러한 디바이스에는 컴퓨팅 기능이 포함되어 있으며, 대개 마이크로 컨트롤러도 포함되어 있습니다.

MCU(마이크로 컨트롤러 유닛)

이 소형 컴퓨터는 마이크로칩에 포함되며 CPU, RAM 및 ROM을 포함합니다. 이 소형 컴퓨터는 간단한 작업을 실행하는 데 필요한 요소를 포함하고 있지만, 마이크로 컨트롤러는 성능 면에서 마이크로프로세서보다 더 제한됩니다.

MPU(마이크로프로세서 유닛)

단일 또는 다중 집적 회로에 CPU 기능을 포함합니다. 마이크로프로세서는 작업을 완료하기 위해 주변 장치가 필요하지만, CPU만 포함하므로 처리 비용이 크게 줄어듭니다.

비 컴퓨팅 디바이스

이 디바이스는 데이터를 연결 및 전송하기만 하고 컴퓨팅 기능을 포함하지는 않습니다.

변환기

한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하는 물리적 디바이스입니다. IoT 디바이스에서는 여기에 개체가 환경에 관여하면서 데이터를 전송하는 내부 센서 및 작동기가 포함됩니다.

  • 작동기

    일반적으로 센서로 식별되는 변경 내용으로 인해 제어 센터가 지침을 제공하는 경우 실제 작업을 수행합니다.

  • 센서

    환경에서 변경 내용을 감지하고 전기 임펄스를 만들어 통신합니다. 센서는 일반적으로 온도, 화학 물질 및 물리적 위치의 변경 같은 환경 변화를 감지합니다.

IoT 기술 스택 2부:
IoT 프로토콜 및 연결

IoT 프로젝트를 계획할 때는 디바이스를 연결하고 디바이스가 통신하는 방법을 고려해야 합니다. 이 방법이 디바이스에 적용되는 IoT 프로토콜을 결정합니다.

IoT 디바이스 연결

IoT 기술 스택에서 디바이스는 게이트웨이 또는 기본 제공 기능을 통해 연결됩니다.

IoT 게이트웨이란?

게이트웨이는 IoT 디바이스를 클라우드에 연결합니다. IoT 디바이스에서 수집된 데이터는 게이트웨이를 통해 이동하고 에지에서 전처리된 후 클라우드로 전송됩니다.

IoT 게이트웨이를 사용하면 배터리 사용 시간이 길어지고 대기 시간은 짧아지며 전송 크기가 줄어듭니다. 또한 게이트웨이를 사용하면 직접 인터넷에 액세스하지 않고 디바이스를 연결할 수 있으며 양방향으로 이동하는 데이터를 보호하여 추가 보안 계층을 제공할 수 있습니다.

IoT 디바이스는 네트워크에 어떻게 연결하나요?

필요한 연결 형식은 디바이스, 해당 기능 및 해당 사용자에 따라 다릅니다. 일반적으로 데이터가 이동해야 하는 거리(단거리 또는 장거리)가 필요한 IoT 연결 형식을 결정합니다.

IoT 네트워크 유형

저전력, 단거리 네트워크

이 네트워크는 가정, 사무실 및 기타 소규모 환경에 적합합니다. 이 네트워크는 소형 배터리에 적합하며(일부 경우 배터리 없는 설정) 대개 작동 비용이 저렴합니다.

일반적인 예는 다음과 같습니다.

Bluetooth

고속 데이터 전송에 적합한 Bluetooth는 음성 및 데이터 신호를 최대 10미터까지 전송합니다.

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi는 작동 비용이 저렴하여 가정과 사무실에서 표준이 되었습니다. 그러나 범위가 제한되어 있고 연중무휴로 에너지를 소비하기 때문에 모든 시나리오에 적합하지는 않을 수도 있습니다.

Z-Wave

저에너지 전파를 사용하여 통신하는 가전제품의 메시 네트워크입니다. Z-Wave는 홈 자동화 시스템 간 애플리케이션 계층 상호 운용성을 제공합니다.

Zigbee

홈 자동화 및 의료 디바이스에 일반적으로 선택되는 Zigbee는 근거리에서 낮은 대역폭의 소형 저전력 디바이스가 있는 개인 영역 네트워크에 가장 적합합니다.

LPWAN(저전력 광역 네트워크)

최소 500미터 범위에서 통신을 지원하고, 최소한의 전력을 필요로 하며, 대부분 IoT 디바이스에 사용됩니다. 예를 들어 LoRaWAN(장거리 광역 네트워크)은 배터리로 작동하는 양방향 보안 모바일 디바이스를 연결합니다.

일반적인 예는 다음과 같습니다.

4G LTE IoT

높은 용량과 짧은 대기 시간을 제공하여 이러한 네트워크를 실시간 정보나 업데이트가 필요한 IoT 시나리오에 적합하게 만듭니다.

5G IoT

아직 사용할 수 없지만, 5G IoT 네트워크는 지정된 지역에서 더 많은 디바이스에 훨씬 더 빠른 다운로드 속도와 연결을 제공하여 IoT 분야에서 더 많은 혁신을 이뤄낼 수 있게 해줄 것으로 예상됩니다.

Cat-0

이 LTE 기반 네트워크는 가장 저렴한 비용 옵션으로, 2G를 대체할 기술인 Cat-M의 토대를 마련합니다.

Cat-1

셀룰러 IoT에 대한 이 표준은 궁극적으로 3G를 대체합니다. Cat-1 네트워크는 설정하기 쉬우며 음성 또는 브라우저 인터페이스가 필요한 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공합니다.

LTE Cat-M1

이 네트워크는 LTE 네트워크와 완전히 호환되며, IoT 애플리케이션용으로 특별히 설계된 2세대 LTE 칩에서 비용과 전력을 최적화합니다.

협대역

이 무선 기술 표준은 LTE 표준의 하위 집합에서 작동합니다. 이 표준은 실내 범위에 초점을 둔 것으로, 저렴한 비용과 긴 배터리 사용 시간을 제공합니다.

NB-IoT/Cat-M2

DSSS(직접 시퀀스 확산 스펙트럼) 변조를 사용하여 서버에 직접 데이터를 보냄으로써 게이트웨이의 필요성을 없애줍니다. NB-IoT 네트워크를 설정하는 데 비용이 더 많이 들지만, 게이트웨이가 필요하지 않아 실행 비용은 더 저렴합니다.

Sigfox

이 선도적인 글로벌 IoT 네트워크 공급 기업은 연속 데이터를 내보내는 저전력 개체를 연결할 수 있는 무선 네트워크를 제공합니다.

IoT 프로토콜: IoT 디바이스가 네트워크와 통신하는 방법

IoT 디바이스는 IoT 프로토콜을 사용하여 통신합니다. IP(인터넷 프로토콜)는 데이터가 인터넷으로 전송되는 방식을 지정하는 규칙 집합입니다. IoT 프로토콜은 한 디바이스 또는 센서의 정보를 다른 디바이스 또는 센서에서 읽고 인식하도록 합니다. 다양한 IoT 디바이스를 사용할 수 있는 경우 적절한 컨텍스트에서 적절한 프로토콜을 사용하는 것이 중요합니다.

나에게 적합한 IoT 프로토콜은 무엇인가요?

사용하는 IoT 프로토콜 유형은 데이터가 이동해야 하는 시스템 아키텍처 계층에 따라 다릅니다. OSI(개방형 시스템 간 상호 연결) 모델은 데이터를 보내고 받는 다양한 계층의 맵을 제공합니다. IoT 시스템 아키텍처의 각 프로토콜은 디바이스 간, 디바이스 및 게이트웨이 간, 게이트웨이 및 데이터 센터 간 또는 게이트웨이 및 클라우드 간 통신과 데이터 센터 간 통신을 가능하게 합니다.

애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 사용자와 디바이스 간 인터페이스 역할을 합니다.

AMQP(고급 메시지 큐 프로토콜)

메시징 미들웨어 간의 상호 운용성을 만드는 소프트웨어 계층입니다. 이 계층을 통해 다양한 시스템과 애플리케이션이 함께 작동하여 산업형 규모에서 표준화된 메시징을 만들 수 있습니다.

CoAP(제한된 애플리케이션 프로토콜)

용량이 제한된 디바이스가 머신 간 통신에서 연결하도록 설계된 제한된 대역폭 및 제한된 네트워크 프로토콜입니다. CoAP는 UDP(User Datagram Protocol)를 통해 실행되는 문서 전송 프로토콜이기도 합니다.

DDS(데이터 분산 서비스)

소형 디바이스를 실행하는 것부터 고성능 네트워크를 연결하는 것까지 모든 작업을 수행하는 다목적 피어 투 피어 통신 프로토콜입니다. DDS는 배포를 간소화하고 안정성을 높이고 복잡성을 줄입니다.

MQTT(메시지 큐 원격 분석 전송)

경량 머신 간 통신용으로 설계된 메시징 프로토콜로서, 주로 원격 위치에 대한 저대역폭 연결에 사용됩니다. MQTT는 게시자-구독자 패턴을 사용하며 효율적인 대역폭과 배터리 사용이 필요한 소형 디바이스에 적합합니다.

전송 계층

전송 계층은 데이터가 계층 간에 이동할 때 데이터의 통신을 가능하게 하고 보호합니다.

TCP(Transmission Control Protocol)

대부분 인터넷 연결에 사용되는 지배적인 프로토콜입니다. TCP는 호스트 간 통신을 제공하며 대규모 데이터 세트를 개별 패킷으로 분리하고 필요에 따라 패킷을 다시 보내고 리어셈블합니다.

UDP(User Datagram Protocol)

프로세스 간 통신을 가능하게 하고 IP 위에서 실행되는 통신 프로토콜입니다. UDP는 TCP보다 데이터 전송 속도가 빠르며 무손실 데이터 전송이 필요한 애플리케이션에 가장 적합합니다.

네트워크 계층

네트워크 계층은 개별 디바이스가 라우터와 통신하는 데 도움을 줍니다.

6LoWPAN

전송 시간을 단축하는 IPv6의 저전력 버전입니다.

IPv6

IP에 대한 이 최신 업데이트는 인터넷에서 트래픽을 라우팅하고 네트워크에서 디바이스를 식별하고 찾습니다.

데이터 링크 계층

데이터 계층은 시스템 아키텍처 내에서 데이터를 전송하여 물리적 계층에서 발견된 오류를 식별하고 수정합니다.

IEEE 802.15.4

저전력 무선 연결의 무선 표준입니다. Zigbee, 6LoWPAN 및 기타 표준과 함께 무선 포함된 네트워크를 구축하는 데 사용됩니다.

LPWAN

이 네트워크 유형은 최소 500미터 범위에서 통신을 가능하게 해줍니다. LoRaWAN은 저전력 소비에 최적화된 LPWAN의 한 가지 예입니다.

물리적 계층

물리적 계층은 통신 채널을 설정하여 지정된 환경 내에서 디바이스가 연결할 수 있도록 합니다.

BLE(Bluetooth 저에너지)

전력 사용량과 비용을 크게 줄이고 클래식 Bluetooth와 유사한 연결 범위를 유지합니다. BLE는 기본적으로 여러 모바일 운영 체제에서 작동하며, 저렴한 비용과 긴 배터리 사용 시간 때문에 가전제품에서 빠르게 선호되고 있습니다.

이더넷

이 유선 연결은 고속 데이터 연결 및 짧은 대기 시간을 제공하는 저렴한 옵션입니다.

LTE(Long-term evolution)

모바일 디바이스 및 데이터 터미널의 무선 광대역 통신 표준입니다. LTE는 무선 네트워크의 용량과 속도를 높이고 멀티캐스트 및 브로드캐스트 스트림을 지원합니다.

NFC(근거리 통신)

두 디바이스가 서로 4cm 이내에서 통신할 수 있게 해주는, 전자기장을 사용하는 통신 프로토콜 집합입니다. NFC 지원 디바이스는 ID 키카드 역할을 하며, 비접촉식 모바일 결제, 발권 및 스마트 카드에 일반적으로 사용됩니다.

RFID(전파 식별)

전자기장을 사용하여 무동력 전자 태그를 추적합니다. 호환되는 하드웨어 제품은 이 태그에 전원을 공급하고 이 태그와 통신하여 태그의 정보를 읽음으로써 식별 및 인증이 이뤄집니다.

Wi-Fi/802.11

가정과 사무실에서의 표준입니다. 저렴한 옵션이지만, 범위가 제한되어 있고 연중무휴로 에너지를 소비하기 때문에 모든 시나리오에 적합하지는 않을 수도 있습니다.

IoT 기술 스택 3부:
IoT 플랫폼

IoT 플랫폼을 사용하면 배포, 디바이스 및 데이터를 관리하는 단일 서비스를 제공하여 IoT 프로젝트를 쉽게 빌드하고 시작할 수 있습니다. IoT 플랫폼은 하드웨어 및 소프트웨어 프로토콜을 관리하고 보안 및 인증을 제공하며 사용자 인터페이스를 제공합니다.

400개 이상의 서비스 공급 기업이 소프트웨어 및 하드웨어에서 SDK 및 API에 이르는 다양한 기능을 제공하기 때문에 IoT 플랫폼의 정확한 정의는 다양합니다. 그러나 대부분 IoT 플랫폼에는 다음이 포함됩니다.

  • IoT 클라우드 게이트웨이
  • 인증, 디바이스 관리 및 API
  • 클라우드 인프라
  • 타사 앱 통합

관리형 서비스

IoT 관리형 서비스를 통해 기업은 IoT 에코시스템을 사전 대응형으로 운영하고 유지 관리할 수 있습니다. 다양한 IoT 관리형 서비스를 사용하여 IoT 프로젝트의 빌드, 배포, 관리 및 모니터링 프로세스를 간소화하고 지원할 수 있습니다.

IoT와 현재 기술의 관계

가상 현실과 IoT

가상 현실과 IoT를 함께 사용하면 복잡한 시스템을 시각적으로 컨텍스트화하고 실시간으로 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 증강 현실(혼합 현실이라고도 함)은 수집된 데이터의 시각적 오버레이를 만들며 IoT와 연결되었을 때 다양한 실용적인 용도가 있습니다. 가상 현실과 IoT의 조합으로 의료 서비스, 현장 서비스, 교통, 제조 등의 업계에서 기술 발전이 이루어졌습니다.

퀀텀 컴퓨팅과 IoT

IoT에서 생성된 상당한 양의 데이터는 많은 계산을 통해 속도를 높이는 퀀텀 컴퓨팅의 기능에 당연히 도움이 됩니다. 또한 퀀텀 암호화는 필요한 보안 수준을 추가하는 데 도움이 되지만, 현재 대부분 IoT 디바이스의 낮은 계산 능력 때문에 사용되기가 어렵습니다.

블록체인과 IoT

현재 IoT의 데이터가 판매 또는 공유되기 전에 조작되지 않았는지 확인할 방법은 없습니다. 블록체인과 IoT는 데이터를 확인하고 추적하고 신뢰할 수 있도록 함께 작동하여 데이터 사일로(silo)를 없애고 신뢰를 조성합니다.

오픈 소스와 IoT

오픈 소스 기술은 IoT를 가속화하여 개발자는 IoT 기술 애플리케이션에 원하는 도구를 사용할 수 있습니다.

서버리스와 IoT

IoT 프로젝트의 트래픽이 가변적인 상황에서 서버리스는 인프라 관리 부담 없이 동적으로 크기를 조정하는 비용 효율적인 방법을 제공합니다.

Kubernetes와 IoT

Kubernetes는 가동 중지 시간이 0인 배포 모델을 사용하여 사용자에게 영향을 주지 않고 IoT 프로젝트를 계속 실시간으로 업데이트할 수 있게 해줍니다. Kubernetes는 클라우드 리소스를 사용하여 쉽고 효율적으로 확장되어 에지에 배포를 위한 공통 플랫폼을 제공합니다.

AI와 IoT

IoT 시스템은 패턴을 감지하고 인사이트에 대해 조치를 취할 수 있도록 대개 AI 및 기계 학습을 사용하여 해당 데이터를 정렬하고 분석하는 데 필요한 대량의 데이터를 수집합니다. 예를 들어 AI는 제조 장비에서 수집된 데이터를 분석하고 유지 관리 필요성을 예측하여 예기치 않은 고장으로 인해 발생하는 비용 및 가동 중지 시간을 줄일 수 있습니다.

IoT 데이터와 분석

IoT 기술은 데이터를 실행 가능한 인사이트로 변환하는 데 특수 프로세스 및 도구가 필요한 많은 양의 데이터를 생성합니다.

일반적인 IoT 기술 애플리케이션:

예측 유지 관리

기록 데이터에서 신호를 식별하도록 설계 및 학습된 IoT 기계 학습 모델을 사용하여 현재 데이터에서 같은 추세를 식별할 수 있습니다. 따라서 사용자가 예방 서비스 요청을 자동화하고 필요할 때 항상 사용할 수 있도록 새 부품을 미리 주문할 수 있습니다.

실시간 결정

효과적인 실시간 IoT 분석 아키텍처는 높은 데이터 볼륨과 짧은 대기 시간을 위해 확장됩니다. 다음과 같은 엔드투엔드 실시간 보고를 제공하도록 설계된 구성 요소가 포함된 다양한 IoT 분석 서비스를 사용할 수 있습니다.

  • 분석 도구가 쿼리할 수 있는 형식을 사용하는 대용량 데이터 스토리지
  • 분석이 수행되기 전에 데이터를 필터링 및 집계할 수 있는 대용량 데이터 스트림 처리
  • 데이터를 분석 및 시각화하는 실시간 분석 도구를 사용하는 짧은 대기 시간 분석 소요 시간
  • 메시지 브로커를 사용하는 실시간 데이터 수집

일반적인 IoT 기술 과제:

데이터 스토리지

대규모 데이터 컬렉션에는 대규모 데이터 스토리지가 필요하기 마련입니다. 조직 구조, 인증 프로토콜, 크기 제한 등의 기능이 다양한 여러 데이터 저장소 서비스를 사용할 수 있습니다.

데이터 처리

IoT를 통해 수집되는 데이터의 양은 고속으로 정리, 처리 및 해석하는 문제를 야기합니다. 에지 컴퓨팅은 대부분 데이터 처리를 중앙 집중식 시스템에서 데이터가 필요한 디바이스에 더 가까운 네트워크의 에지로 이동하여 이 문제를 해결합니다. 그러나 데이터 처리를 분산화하면 에지 디바이스의 안정성 및 확장성, 전송 중인 데이터의 보안 등 새로운 문제가 발생합니다.

IoT 보안, 안전 및 개인 정보 보호

IoT 보안과 개인 정보 보호는 모든 IoT 프로젝트에서 중요한 고려 사항입니다. IoT 기술은 비즈니스 운영을 혁신할 수 있지만, 제대로 보안이 설정되지 않은 경우 IoT 디바이스가 위협을 초래할 수 있습니다. 사이버 공격은 데이터를 손상하고 장비를 파괴하며 유해를 가할 수도 있습니다.

강력한 IoT 사이버 보안은 위협 모델링을 포함하기 위한 표준 기밀성 조치 이상입니다. 공격자가 시스템을 손상할 수 있는 다양한 방법을 이해하는 것이 공격을 방지하는 첫 번째 단계입니다.

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IoT in the Real World: Stories from Manufacturing

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Building IoT solutions with Azure: A Developer’s Guide

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