IoT, 사물에 인터넷이 어떻게 연결할까요?

가능성들을 상상하라

사물인터넷(Internet of Things)은 네트워크에 연결되지 않은 사물들을 연결하는 것이다. 역사적으로 존재하지 않았던 이는 인터넷을 통해 사물들이 네트워크에 연결할 수 있도록 한다. 2020년에는 500억 개의 장치들이 인터넷에 연결됨에 따라, 지구는 마치 스스로 “성장하는 하나의 신경 시스템”이 될 것이고, 증가하는 데이터의 양을 인지하고 상황에 맞게 대응하는 능력을 가질 것이다. 만물인터넷(Internet of Everything)은 어디서나 이러한 연결된 사물들과 사물들에 의해 제공된 데이터 그리고 사람들이 더 나은 결정과 기회를 가능토록 하는 새로운 프로세스들을 통합함으로써 사람들의 삶의 질을 증진시킬 수 있다. 2011년에 제작된 이 동영상에서는 여전히 연결되지 않은 사물들이 많다는 것과 향후 10년간 이루어질 수 있는 기회를 강조하고 있다. 여기서 예측하는 일부는 이미 다가왔고, 나머지도 다가오고 있다! 

만물인터넷의 가능성 

세계에 기술의 변혁이 밀어 닥칠 것이며, 이로 인해 우리의 일상생활 모든 것이 변하게 될 것이다. 오늘날 인터넷에 접속된 기기의 수는 전 세계 인구수 보다 더 많다. 건물에서부터 자동차, 가축, 휴대전화, 컴퓨터, 동물, 책, 그리고 사람까지 모든 것이 포함된다. 2020년이 되면, 500억 개의 기기가 인터넷에 연결될 것으로 전망되고 있다. 이로 인해 지난 2003년 이후 인터넷 트래픽은 270,000배 증가하였다. 이제 우리는 자기 진화의 새로운 시대로 접어 들었다. 인체의 거의 모든 부분을 복제할 수 있는 기술이 빠른 속도로 개발되고 있다. 2029년이 되면 인간의 노화를 완전히 극복하게 될 수 있을 것으로 맨하탄 비치 프로젝트(Manhattan Beach Project)에서는 전망하고 있다. 인간의 수명은 이미 지난 몇 세기를 통해 2배나 증가했다.

우리가 알고 있던 물리적인 종이돈이 곧 자취를 감추고 새로운 화폐 모델이 등장할 것이다. 미래의 전화기는 근거리 무선통신 기술을 갖추어 소비자들은 탭 한번으로 금전 거래가 가능하게 될 것이다. 

우리의 생활에 비디오는 더욱 더 깊숙이 파고들고 있다. 2013년이 되면 전체 인터넷 트래픽의 92%를 비디오가 차지할 것이다. 텔레프레전스의 경우 비용은 줄어들고 상호연결성은 높아지고 있다. 이제는 가정에서도 비디오 컨퍼런스가 가능하다. 이러한 일들이 실현된다면 사람들의 생활에 큰 변화가 찾아올 것이다. 

사용자들을 위한 사물들 간의 연결 

사물들 간의 연결이 우리들의 개인적인 삶에 어떠한 영향을 줄까? 현재 일반적인 집에 대한 홈 네트워크(Home Network) 구조를 고려해보자. 

홈 네트워크는 홈 라우터(Home Router)에 연결되어 있는 장치들이 존재하는 랜(LAN : Local Area Network)이다. 홈 라우터는 또한 무선 네트워크를 지원할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 라우터의 경우, 무선 랜(WLAN : Wireless LAN)을 제공할 수 있다. 

홈 무선랜(Home WLAN)

그림은 지역 인터넷 서비스 제공자(Local ISP)를 통해 인터넷에 연결되어 있는 전형적인 가정의 무선 랜을 보여준다. 인터넷 서비스 제공자 내에 존재하는 장치들과 장치들 간의 연결이 가정에 있는 사용자들의 눈에 보이진 않지만, 인터넷에 존재하는 장치들 간의 연결들은 중요한 의미를 가진다. 

인터넷 서비스 제공자(ISP)들 간의 연결

하나의 지역 인터넷 서비스 제공자는 다른 인터넷 서비스 제공자와 서로 연결되어, 전 세계의 웹 사이트와 인터넷에 존재하는 다양한 자료들을 이용할 수 있도록 한다. 그림에 보이는 것처럼 이러한 인터넷 서비스 제공자들은 광역망(WAN : Wide Area Network)을 지원하는 다양한 기술들을 사용하여 서로 연결하고 있다. 

기계들 간의 망(M2M Network)

랜과 광역망 이외에 사물인터넷에 존재하는 하나의 망의 종류로 기계들 간에 연결된 망(M2M Network)이 존재한다. 그림에서는 게이트웨이 라우터(또는 홈 라우터)를 통해 여러 개의 화재경보기나 가정의 보안 센서(Home Security Sensors)들이 서로 통신하고, 클라우드 (Cloud)에 존재하는 서버에 데이터를 전송할 수 있는 상황을 보여주고 있다. 이러한 클라우드 환경에서 데이터가 축적되고 분석될 수 있다. 

산업을 위한 사물들 간의 연결 

사물인터넷(IoT)에서 산업용 어플리케이션(application)은 신뢰성과 자율성을 요구한다. 일부 산업용 어플리케이션은 가능한 빨리 사람의 조치가 필요한 작업과 계산을 요구한다. 예를 들면, 스마트폰에서 어떠한 일정을 사용자에게 알려주어야 한다고 가정해보자. 오류가 나서 제대로 동작하지 않았는데 이에 대한 적절한 조치가 취해지지 않을 경우, 사용자는 불편함을 느낄 것이다. 만약 큰 트럭의 브레이크 시스템이 고장 났는데, 이를 빨리 수리하지 않는다면 개인과 조직에게 치명적인 결과를 발생시킬 수 있다. 

 

통합된 네트워크와 사물들

사물들 간의 연결성 

그림처럼 현재 대부분의 사물들은 독립적으로 네트워크를 형성하여 밀접하지 않은 관계를 형성하고 있다. 이러한 사물들은 만물인터넷(IoE)에 활용될 수 없는 결과를 초래하고 있다. 예를 들면, 오늘날 자동차들은 엔진 기능, 안전장치 기능 그리고 통신시스템들을 제어하기 위해 독자적인 시스템을 가지고 있다. 이러한 시스템들을 하나의 공통적인 시스템으로 통합한다면 자동차 안에 존재하는 케이블(cable)의 무게를 23 킬로그램(kg)이상 줄일 수 있다. 난방, 환기, 에어컨, 전화, 보안, 조명 등 다양한 제어 시스템들을 가지고 있는 상업 및 주거 건물은 또 다른 예이다. 이러한 제어 시스템들은 포괄적인 보안, 분석 그리고 관리 능력들을 포함하는 동일한 기반 시설을 공유하기 위해 통합될 수 있을 것이다. 이 구성요소들은 사물인터넷(IoT) 기술들을 사용하여 통합된 네트워크로 연결될 때, 만물인터넷의 많은 혜택을 활용함으로써 훨씬 더 강력해지고 사람들의 삶의 질을 향상시키도록 도울 것이다.

표준의 필요성 

네트워크를 통해 두 개의 장치가 통신을 할 때, 먼저 장치 간에 미리 정해진 어떤 특정한 규칙, 즉 프로토콜(protocol)을 정해야한다. 프로토콜은 장치들이 사용하는 통신 규칙과 그 통신의 특성을 정의한다. 우리의 일상적인 대화에서는 프로토콜과 달리, 전화와 같은 어떠한 하나의 매체에서 사용하는 대화 규칙이 편지를 보내는 것과 같은 또 다른 매체에서 사용하는 규칙과 반드시 같지 않아도 된다. 

프로토콜은 어떻게 메시지를 주고받는지에 대한 세부사항을 정의한다. 사람들이 대화를 위해 어떻게 언어를 사용하는지와 유사하게, 프로토콜은 어떻게 장치들이 통신하는지에 대한 규칙을 포함한다. 

통신기능을 수행하기 위해 필요한 계층 구조로 이루어진 통신규약들의 집합을 프로토콜 집합(protocol suite)이라고 한다. 프로토콜 집합은 네트워크 장치들 간에 상호 작용을 확실하게 하도록 돕는다. 프로토콜 집합 내에 있는 일부 프로토콜들은 공급업체의 독점적인 프로토콜 일수도 있다. 여기서 말하는 독점은 한 회사 또는 공급 업체가 프로토콜의 정의와 이 프로토콜이 어떻게 기능하는지 제어하는 것을 의미한다. 일부 독점 프로토콜들은 그 공급업체의 허가를 받은 후 다른 공급업체에서 사용될 수 있다. 다른 독점 프로토콜들은 오직 그 독점 공급 업체에서 제작된 장비에서만 구현될 수 있다. 

프로토콜 집합(Protocol Suite) 

네트워킹 프로토콜 집합들은 다음과 같은 프로세스들을 정의한다. 

· 메시지의 형식 또는 구조 

· 네트워킹 장치들이 다른 네트워크들과의 경로에 관한 정보를 공유하는 방법 

· 장치들 간에 오류 및 시스템 메시지가 언제, 어떻게 전달되는지에 대한 방법 

· 데이터 전송을 위한 연결의 형성과 종료 

프로토콜 집합은 하드웨어(hardware) 또는 소프트웨어(software)에 구현될 수 있다. 또는 둘 다 결합해서 구현될 수 있다. 프로토콜 집합의 각각의 계층(layer)은 네트워크를 통해 데이터가 전송되기 위해 준비해야하는 절차를 책임지고 있는 부분이다. 

가장 일반적으로 널리 알려진 네트워킹 프로토콜 집합의 하나는 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)이다. 인터넷을 통해 통신하는 모든 장치들은 반드시 TCP/IP 프로토콜 집합을 사용해야한다. 구체적으로 말하면, 모든 장치들은 TCP/IP의 한 계층인 인터넷 계층(Internet Layer)으로부터 IP 프로토콜을 반드시 사용해야한다.

TCP/IP 모델의 계층 

TCP/IP 모델은 TCP/IP 프로토콜 집합을 포함하는 규칙들을 정의한다. 이 모델은 국제인터넷 표준화기구(IETF : Internet Engineering Task Force)가 정의한다. TCP/IP 모델의 각 계층들에 대한 설명은 그림에 나타나있다. 

IP 기반 장치들

IP 기반 장치들은 필수적으로 TCP/IP 소프트웨어가 설치된 것을 의미하는데, 이 사물들은 직접 인터넷을 통해 데이터를 전달할 수 있는 기능을 가진다. 그림은 이러한 장치들을 보여 주고 있다. 

네트워크 연결 

TCP/IP 모델의 최하위 계층은 네트워크 액세스 계층(network access layer)이다. 네트워크 액세스 계층은 장치들이 네트워크를 통해 데이터를 보낼 때 반드시 사용해야하는 프로토콜을 다룬다. 네트워크 액세스 계층에서 장치들은 유선과 무선 둘 중 한 가지 방법을 사용하여 네트워크에 연결될 수 있다. 

유선 매체들

가장 일반적으로 구현된 유선 프로토콜은 이더넷(ethernet) 프로토콜이다. 이더넷은 네트워크 장치가 유선 랜(wired LAN) 연결을 통해 통신을 할 수 있도록 하는 프로토콜들의 집합을 사용한다. 이더넷 랜(Ethernet LAN)은 다양한 종류의 유선 매체를 사용하여 장치들을 연결할 수 있다. 그림에서 더 자세한 유선매체의 정보를 볼 수 있다. 

무선 프로토콜 

오늘날 이용할 수 있는 다양한 무선 네트워크 프로토콜이 존재한다. 이 프로토콜의 특징들은 매우 다양하다. 그림은 일반적으로 사용되는 몇몇 무선 프로토콜들과 이 프로토콜들이 특징에 따라 분류되어있는 것을 보여준다. 하나의 프로토콜이 다수의 범주에 포함될 수 있다. 그림에서 다양한 무선 프로토콜들의 특징에 관하여 더 자세한 정보를 볼 수 있다. 이러한 프로토콜들 이외에도, 유선과 무선 둘 다 이용 가능한 다른 네트워크 액세스 계층의 프로토콜들이 존재한다. 

현재 연결되지 않은 사물들을 위한 네트워크 액세스

802.15 표준 프로토콜들

네트워크를 통해 데이터를 보내기 위해 매우 적은 전력만 필요로 하는 장치들을 위해 짧은 범위의 무선 통신 프로토콜들이 존재한다. 이 프로토콜들 중에 일부는 IP 기반이 아니므로 반드시 컨트롤러(controller) 또는 게이트웨이(gateway) 같은 IP 기반 장치로 데이터를 보내야 한다. 예를 들면, TCP/IP를 사용하지 않는 어떠한 장치는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers : 전기전자기술자협회) 802.15 표준을 사용하는 또 다른 장치와 통신 을 하여서 게이트웨이까지 데이터를 전달해야한다. 

클라이언트-서버 모델(Client-Server Model) 

클라이언트-서버 모델

데이터가 어떻게 네트워크를 통해 이동되는지 이해하기 위해서는 네트워크들이 어떻게 연결 되어있는지 이해하는 것이 중요하다. 인터넷이 처음 등장한 이래로, 기업들이 데이터를 처리하기 위해 사용했던 주요 방법은 클라이언트-서버 모델이었다. 파일 서버(file server)를 구현하려는 어느 한 기업을 고려해보자. 기업 내에 컴퓨터 사용자는 많은 파일들과 문서들을 파일 서버에 저장함으로써, 개인 컴퓨터가 파일 관리 프로그램을 사용할 때보다 메모리와 프로세스 전력을 줄일 수 있다. 중앙 파일 서버에 파일들을 저장함으로써, 기업 내에 다른 사용자들은 쉽게 이 파일들에 접근할 수 있어, 더 뛰어난 협업과 정보 공유가 가능해진다. 또한 중앙 서버를 사용하는 기업은 자원들을 보호하기 위해 중앙 집중된 보안 시스템과 백업(backup) 시스템을 구현할 수 있다. 인터넷 성장과 모바일(mobile) 사용자들이 증가함에 따라, 클라이언트-서버 모델은 항상 가장 효율적인 모델로 볼 수 없게 되었다. 점점 개인들이 먼 거리와 통신하는 일이 많아지자, 중앙 집중된 서버를 사용하는 것이 더 이상 최적의 방법이 아니게 되었다. 서버와 먼 거리에 존재하는 개인들은 더 긴 지연(delay)과 정보 접근의 어려움을 경험하게 되었다. 이러한 기업과 개인의 통신환경의 변화로 인해 클라우드 컴퓨팅(Cloud computing)이 등장하였다. 

클라우드 컴퓨팅 모델(Cloud Computing Model) 

클라우드 컴퓨팅 모델 

클라우드 컴퓨팅은 서버와 서비스들이 전 세계에 분산된 데이터 센터들로 분포되어 있어 클라이언트-서버 모델과는 다른 형태이다. 클라우드 컴퓨팅은 우리의 업무에 상당한 변화를 가져온다. 사용자가 서버의 어플리케이션에 접근하기 위해 단말(end device) 서버에 접근하는 대신에 클라우드 내에 존재하는 서버에 접근할 수 있도록 한다. 

클라우드 컴퓨팅에서는 하나의 데이터 센터에 존재하는 서버들이 다른 지역의 서버들과 동일한 데이터를 관리할 수 있도록 서버들 간에 데이터가 동기화(Synchronize)된다. 기업들은 단순히 클라우드 내에 존재하는 다양한 서비스들을 사용하면 된다. 클라우드 서비스를 사용하는 기업들은 더 이상 서버의 어플리케이션 업데이트, 보안 그리고 백업을 관리하지 않아도 된다. 이는 클라우드 서비스를 제공하는 기업의 몫이다. 

마이크로소프트 아웃룩(Outlook) 프로그램은 특정 기업의 설정에 맞춘 전형적인 클라이언트-서버 시스템이다. 사용자가 컴퓨터에 설치된 전자메일 프로그램만 사용하여 전자메일 서버에 연결할 수 있다. 그러나 클라우드 컴퓨팅 프로그램인 G-mail은 사용자들이 어디서나 G-mail 계정으로 로그인 하여 G-mail 서버에 로그인할 수 있다. 사용자들은 다양한 장치와 운영체제 들(Operating System)에 대해 인터넷을 이용할 수 있는 곳이라면, 거의 모든 곳 에서 전자메일에 접근하고, 메일을 작성하며 수정할 수 있다. 사용자들은 더 이상 최신의 전자메일 프로그램을 유지하거나 새로운 기능에 대해 추가로 설치하지 않아도 된다. 이러한 업데이트는 클라우드 내에 존재하는 서버에서 자동으로 수행된다. 

포그 컴퓨팅 모델(Fog Computing Model) 

포그 컴퓨팅 모델

클라우드 컴퓨팅은 전통적인 클라이언트-서버 모델의 많은 문제점을 해결했다. 그러나 즉각적인 반응이 요구되는 지연에 민감한 어플리케이션들에 대해서는 클라우드 컴퓨팅도 적합하지 않다. 

사물인터넷의 새로운 물결은 위치 인식과 최소화된 지연, 더불어 이동성과 지리적인 분포를 요구할 것이다. 따라서 사물인터넷의 장치들은 실시간(real-time) 데이터와 서비스 품질 보장 (QoS : Quality of Service) 기법을 요구할 것이다. 사물인터넷은 거의 모든 것을 측정하거나 감시할 수 있는 무수히 많은 IP 기반 장치들을 포함하고 있다. 그러나 이 장치들이 가지고 있는 한 가지 공통점은 전 세계적으로 흩어져있는 것이다. 가장 중요한 문제들의 하나는 데이터를 분석할 수 있는 데이터 센터와 흩어져 있는 장치들 간에 연결을 형성하는 것이다. 이 장치들은 거대한 양의 데이터를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 하나의 제트기 엔진은 단지 30분 만에 성능과 상태에 관한 데이터를 10 테라바이트 (Terabytes)만큼 발생시킬 수도 있다. 이러한 데이터를 분석하기 위해 사물인터넷 장치로부터 클라우드의 데이터 센터로 모두 전달하고, 분석된 결과가 다시 장치로 돌아오는 것은 비효율 적이다. 이러한 대안으로 산업용 고성능 시스코 라우터(Cisco Router)가 분석 프로세스의 일부를 처리함으로써, 데이터 분석의 효율성을 증대시킬 수 있다. 포그 컴퓨팅은 빠른 응답을 요구하는 작업들을 더 쉽게 수행할 수 있는 네트워크 단말에 더 가까운 분산 컴퓨팅 인프라(distributed computing infrastructure)를 형성한다. 이러한 구조는 네트워크의 부하를 감소시킨다. 그리고 네트워크 연결이 끊겼을 때 사물인터넷 장치들이 계속해서 동작할 수 있도록 하여 네트워크의 회복력을 증가시킨다. 또한, 민감한 데이터가 클라우드로 전송되지 않고 단말장치에서만 처리될 수 있으므로 보안성을 증가시킨다. 

스마트 신호등 시스템

스마트 신호등 시스템

포그 컴퓨팅의 좋은 활용 예로써 스마트 신호등 시스템을 고려해보자. 스마트 신호등 시스템은 실시간 상호작용에 대한 지원을 보여준다. 시스템은 그 지역의 많은 센서들과 상호작용을 한다. 이 센서들은 보행자와 자전거들의 존재를 감지하고, 다가오는 차량들의 거리와 속도를 측정한다. 또한 다른 신호등과 상호작용을 한다. 이러한 정보들을 바탕으로, 시스템은 다가오는 차량에 대해 경고 신호를 보내고 사고들을 방지하기 위해 자신의 신호 주기를 수정한다. 포그 컴퓨팅에서는 근접한 스마트 신호등 시스템들과 상호 협력을 통해 신호 주기를 수정 할 수 있도록 한다. 그 지역의 시스템에서 수집된 데이터는 실시간 분석을 통해 처리된다. 예를 들면, 현재 도로 상황을 분석하여 그 상황에 따라 신호등의 주기를 재설정한다. 스마트 신호 등 시스템의 클러스터(Cluster)들에서 발생한 데이터는 장기적인 교통량의 패턴을 분석하기 위해 클라우드로 보내진다.