IoT 기술 및 프로토콜
IoT의 세계와 기술에서 시작하세요. 이 가이드는 프로젝트에 대해 올바르게 선택하는 데 도움이 되는 IoT 프로토콜 및 기술의 강력한 기반을 제공합니다.
IoT 기술 및 프로토콜에 대한 가이드
사물 인터넷은 커넥티드 산업 제조 공장, 인텔리전트 소매, 차세대 의료 서비스, 스마트 홈 및 도시, 착용식 디바이스를 가능하게 만드는 포함된 시스템, 무선 센서 네트워크, 제어 시스템, 자동화가 수렴된 것입니다. IoT 기술을 사용하면 데이터 기반 인사이트, 개선된 운영 프로세스, 새로운 사업 부문 및 더 효율적인 자료 사용으로 비즈니스를 혁신할 수 있습니다.
IoT 기술은 수많은 서비스 공급 기업, 다양한 플랫폼, 매년 출현하는 수백만 개의 새로운 디바이스를 통해 계속 확장되어 개발자는 IoT 에코시스템에 진입하기 전에 많은 의사 결정을 해야 합니다.
이 가이드는 일반적인 IoT 프로토콜, 전원 및 연결 요구 사항을 이해하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다. IoT 기술에 대한 더 기본적인 소개를 찾고 있다면 IoT란? 및 IoT 사이버 보안 웹 가이드를 확인하세요.
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
IoT 디바이스 및 기술과 상호 작용하는 사람입니다.
Azure IoT Hub를 사용하여 빌드할 때 디바이스를 제대로 연결하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.
IoT 기술 스택 1부:
IoT 디바이스
IoT 디바이스는 매우 다양하지만, 이 일반적인 개념 및 어휘를 공유하는 경향이 있습니다. 또한 이 IoT 디바이스 카탈로그에서 IoT 기술을 활용하는 다양한 디바이스 종류에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
작동기
작동기는 일반적으로 센서가 식별하는 변경 내용에 대한 응답으로 제어 센터가 명령을 제공할 때 실제 작업을 수행합니다. 작동기는 일종의 변환기입니다.
포함된 시스템
포함된 시스템은 대규모 시스템 내에서 특정 기능을 관리하는 마이크로프로세서 기반 또는 마이크로 컨트롤러 기반 시스템입니다. 여기에는 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소(예: Azure RTOS)가 모두 포함됩니다.
인텔리전트 디바이스
컴퓨팅 기능이 포함된 디바이스입니다. 일반적으로 마이크로 컨트롤러를 포함하고 Azure IoT Edge 와 같은 서비스를 활용하여 여러 디바이스에 특정 워크로드를 최적으로 배포할 수 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)
MPU는 단일 또는 다중 집적 회로에서 CPU 기능을 수행합니다. 마이크로프로세서는 작업을 완료하기 위해 주변 장치가 필요하지만, CPU만 포함하므로 처리 비용이 크게 줄어듭니다.
비 컴퓨팅 디바이스
데이터를 연결 및 전송하기만 하고 컴퓨팅 기능을 포함하지는 않는 디바이스입니다.
변환기
일반적인 용어로 변환기는 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하는 디바이스입니다. IoT 디바이스에서는 여기에 디바이스가 환경에 관여하면서 데이터를 전송하는 내부 센서 및 작동기가 포함됩니다.
센서
센서는 환경에서 변경 내용을 감지하고 전기 임펄스를 만들어 통신합니다. 센서는 일반적으로 온도, 화학 물질, 물리적 위치의 변경 같은 환경 변화를 감지하며 일종의 변환기입니다.
IoT 기술 스택 2부:
IoT 프로토콜 및 연결
IoT 디바이스 연결
IoT 기술 프로젝트 계획의 주요 측면은 디바이스의 IoT 프로토콜(즉, 디바이스가 연결하고 통신하는 방법)을 결정하는 것입니다. IoT 기술 스택에서 디바이스는 게이트웨이 또는 기본 제공 기능을 통해 연결됩니다.
IoT 게이트웨이란?
게이트웨이는 IoT 디바이스를 클라우드에 연결하는 데 사용할 수 있는 IoT 기술의 일부입니다. 모든 IoT 디바이스에 게이트웨이가 필요하지는 않지만, 게이트웨이를 사용하여 디바이스 간 통신을 설정하거나 IP 기반이 아니고 클라우드에 직접 연결할 수 없는 디바이스를 연결할 수 있습니다. IoT 디바이스에서 수집된 데이터는 게이트웨이를 통해 이동하고 에지에서 전처리된 후 클라우드로 전송됩니다.
IoT 게이트웨이를 사용하면 대기 시간이 짧아지고 전송 크기를 줄일 수 있습니다. 또한 IoT 프로토콜의 일부로 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?
IoT 프로토콜의 일부로 사용하는 연결 형식은 디바이스, 해당 기능, 해당 사용자에 따라 다릅니다. 일반적으로 데이터가 이동해야 하는 거리(단거리 또는 장거리)가 필요한 IoT 연결 형식을 결정합니다.
IoT 네트워크 유형
저전력, 단거리 네트워크
저전력, 단거리 네트워크는 가정, 사무실, 기타 소규모 환경에 적합합니다. 이 네트워크는 소형 배터리가 필요한 경향을 보이며 일반적으로 작동 비용이 저렴합니다.
일반적인 예:
Bluetooth
고속 데이터 전송에 적합한 Bluetooth는 음성 및 데이터 신호를 최대 10미터까지 전송합니다.
NFC
4cm(1.5인치) 이하의 거리에서 두 전자 디바이스 간에 통신할 수 있게 해주는 통신 프로토콜 세트입니다. NFC는 더 강력한 무선 연결을 부트스트랩하는 데 사용할 수 있는 간단한 설정으로 저속 연결을 제공합니다.
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 어플라이언스 간에 통신하는 메시 네트워크입니다.
Zigbee
소형 저전력 디지털 라디오를 사용하여 개인 영역 네트워크를 만드는 데 사용되는 고급 통신 프로토콜 모음에 대한 IEEE 802.15.4 기반 사양입니다.
LPWAN(저전력 광역 네트워크)
LPWAN은 최소 500미터 범위에서 통신할 수 있게 해주며 최소한의 전력이 필요하고 대부분 IoT 디바이스에 사용됩니다. LPWAN의 일반적인 예는 다음과 같습니다.
4G LTE IoT
높은 용량과 짧은 대기 시간을 제공하는 이 네트워크는 실시간 정보나 업데이트가 필요한 IoT 시나리오에 적합합니다.
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 표준으로 궁극적으로 3G를 대체합니다. Cat-1 네트워크는 설정하기 쉬우며 음성 또는 브라우저 인터페이스가 필요한 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공합니다.
LoRaWAN
LoRaWAN(장거리 광역 네트워크)은 배터리로 작동하는 양방향 보안 모바일 디바이스를 연결합니다.
LTE Cat-M1
이 네트워크는 LTE 네트워크와 완전히 호환되며 IoT 애플리케이션용으로 특별히 설계된 2세대 LTE 칩에서 비용과 전력을 최적화합니다.
협대역 또는 NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2는 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 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, 게이트웨이, 서비스에서 읽고 인식하도록 합니다. 다양한 시나리오 및 사용을 위해 다양한 IoT 프로토콜이 설계 및 최적화되었습니다. 다양한 IoT 디바이스를 사용할 수 있는 경우 적절한 컨텍스트에서 적절한 프로토콜을 사용하는 것이 중요합니다.
나에게 적합한 IoT 프로토콜은 무엇인가요?
필요한 IoT 프로토콜 유형은 데이터가 이동하는 시스템 아키텍처 계층에 따라 다릅니다. OSI(개방형 시스템 간 상호 연결) 모델 은 데이터를 보내고 받는 다양한 계층의 맵을 제공합니다. IoT 시스템 아키텍처의 각 IoT 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 지정된 IoT 프로토콜 내에서 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(Data Distribution Service)
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 및 구독자 간 패턴을 사용하며 효율적인 대역폭과 배터리 사용이 필요한 소형 디바이스에 적합합니다.
전송 계층
모든 IoT 프로토콜에서 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
IoT 프로토콜의 네트워크 계층은 개별 디바이스가 라우터와 통신하는 데 도움을 줍니다.
IP
많은 IoT 프로토콜은 IPv4를 사용하지만, 더 최근 실행에서는 IPv6을 사용합니다. IP에 대한 이 최신 업데이트는 인터넷에서 트래픽을 라우팅하고 네트워크에서 디바이스를 식별하고 찾습니다.
6LoWPAN
이 IoT 프로토콜은 처리 기능이 제한된 저전력 디바이스에서 가장 잘 작동합니다.
데이터 링크 계층
데이터 계층은 시스템 아키텍처 내에서 데이터를 전송하여 물리적 계층에서 발견된 오류를 식별하고 수정하는 IoT 프로토콜의 일부입니다.
IEEE 802.15.4
저전력 무선 연결의 무선 표준입니다. Zigbee, 6LoWPAN 및 기타 표준과 함께 무선 포함된 네트워크를 구축하는 데 사용됩니다.
LPWAN
LPWAN(저전력 광역 네트워크) 네트워크를 사용하면 500미터 거리에서 통신할 수 있으며 특정 장소에서는 10km 거리까지도 통신할 수 있습니다. LoRaWAN은 저전력 소비에 최적화된 LPWAN의 한 가지 예입니다.
물리적 계층
물리적 계층은 특정 환경 내의 디바이스 간 통신 채널입니다.
BLE(Bluetooth Low Energy)
BLE는 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.
PLC(전력선 통신)
기존 전원 케이블을 통해 데이터를 보내고 받을 수 있게 해주는 통신 기술입니다. 따라서 같은 케이블을 통해 IoT 디바이스에 전원을 공급하고 IoT 디바이스를 제어할 수 있습니다.
RFID(전파 식별)
RFID는 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
Wi-Fi/802.11은 가정 및 사무실의 표준입니다. 저렴한 옵션이지만, 범위가 제한되어 있고 연중무휴로 에너지를 소비하기 때문에 모든 시나리오에 적합하지는 않을 수도 있습니다.
Z-Wave
저에너지 전파를 사용하여 어플라이언스 간에 통신하는 메시 네트워크입니다.
Zigbee
소형 저전력 디지털 라디오를 사용하여 개인 영역 네트워크를 만드는 데 사용되는 고급 통신 프로토콜 모음에 대한 IEEE 802.15.4 기반 사양입니다.
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 관리되는 서비스를 통해 기업은 IoT 에코시스템을 사전 대응형으로 운영하고 유지 관리할 수 있습니다. 다양한 IoT 관리되는 서비스(예: Azure IoT Hub)를 사용하여 IoT 프로젝트의 빌드, 배포, 관리, 모니터링 프로세스를 간소화하고 지원할 수 있습니다.
현재 기술의 IoT 애플리케이션
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.
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.
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.
오픈 소스와 IoT
오픈 소스 기술은 IoT를 가속화하여 개발자가 IoT 기술 애플리케이션에 원하는 도구를 사용할 수 있습니다.
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.
서버리스와 IoT
서버리스 컴퓨팅을 사용하면 개발자가 인프라를 관리해야 할 필요성이 없어져 애플리케이션을 더 빠르게 빌드할 수 있습니다. 서버리스 애플리케이션을 통해 클라우드 서비스 공급자는 코드를 실행하는 데 필요한 인프라를 자동으로 프로비저닝, 스케일링 및 관리합니다. IoT 프로젝트의 트래픽이 가변적인 상황에서 서버리스는 동적으로 스케일링하는 비용 효율적인 방법을 제공합니다.
가상 현실과 IoT
가상 현실과 IoT를 함께 사용하면 복잡한 시스템을 시각화하고 실시간으로 의사 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 증강 현실( 혼합 현실이라고도 함)이라는 형식의 가상 현실을 사용하면 실제 개체(예: IoT 디바이스) 또는 작업 영역 위에 중요한 IoT 데이터를 그래픽으로 표시할 수 있습니다. 가상 현실과 IoT의 결합으로 의료 서비스, 현장 서비스, 교통, 제조 등의 업계에서 기술 발전이 이루어졌습니다.
Digital Twins와 IoT
실행하기 전에 시스템을 테스트하면 비용과 시간을 크게 절약할 수 있습니다. Digital Twins는 여러 IoT 디바이스의 데이터를 가져와서 다른 원본의 데이터와 통합함으로써 시스템이 디바이스, 사람, 공간과 상호 작용하는 방법의 시각화를 제공합니다.
IoT 데이터와 분석
IoT 기술은 데이터를 실행 가능한 인사이트로 변환하는 데 특수 프로세스 및 도구가 필요한 많은 양의 데이터를 생성합니다. 일반적인 IoT 기술 애플리케이션 및 문제:
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.
애플리케이션: 실시간 결정
다음과 같은 엔드투엔드 실시간 보고를 위해 설계된 다양한 IoT 분석 서비스를 사용할 수 있습니다.
문제: 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.
문제: 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 트랜스포메이션할 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 보안(예: Azure Sphere)은 위협 모델링을 포함하기 위한 표준 기밀성 조치 이상에 도달합니다. 공격자가 시스템을 손상할 수 있는 다양한 방법을 이해하는 것이 공격을 방지하는 첫 번째 단계입니다.
IoT 보안 시스템을 계획하고 개발할 때 OT부터 IT까지 플랫폼 및 시스템의 모든 단계에 적합한 솔루션을 선택하는 것이 중요합니다. Azure Defender와 같은 소프트웨어 솔루션은 지정된 시스템 전체에서 필요한 보호 기능을 제공합니다.
시작하기 위한 리소스
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