IoT 관련 장치, 인프라, 기술에 대해 알아볼까요?

사물인터넷에서의 단말 

이전에 언급했던 것처럼, 단말장치들은 인터넷에 연결하고 네트워크를 통해 데이터를 전송한 다. 휴대폰, 노트북, 컴퓨터, 프린터, IP 전화기(IP Phone)들은 인터넷 프로토콜(IP)을 사용하는 단말장치의 예이다. 오늘날 데이터를 수집하고 전송하는 새로운 종류의 단말장치들이 등장하였다. 하지만 새로운 단말장치들은 IEEE 802.15와 근거리 무선통신(NFC)과 같이 다른 종류의 프로토콜을 사용한다. 그림에 보이는 공기압식 밸브(Pneumatic Valve)처럼 IP 기반이 아닌 단말장치들은 사물인터넷의 중한 원동력이다.

센서들(Sensors) 

사물인터넷에 존재하는 또 다른 장치들의 하나인 센서들은 반드시 데이터 네트워크에 연결되어야 한다. 하나의 센서는 특정 물리적인 성질을 측정하기 위해 사용되고, 전기적인 신호나 광 신호를 데이터로 변환하는데 사용된다. 열 감지 센서, 무게 측정 센서, 움직임 감지 센서, 압력 측정 센서, 습도 측정 센서들은 이러한 센서들의 예로 볼 수 있다. 

센서들은 전형적으로 특정 동작들이 프로그래밍 된 상태로 판매된다. 그러나 일부 센서들은 그들의 민감도(sensitivity) 정도 또는 피드백(feedback) 주기를 변경할 수 있다. 민감도를 설정하는 것은 측정된 양이 변했을 때 센서의 출력이 얼마나 변했는지를 나타낸다. 예를 들면, 움직임 감지 센서가 사람의 움직임을 감지하도록 설정되었다면 애완동물은 감지할 수 없을 것이다. 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 포함하는 컨트롤러는 직접 또는 원격으로 센서의 설정을 변경시키기 위해 사용될 수 있다. 

주변 환경을 측정하는 다양한 센서들 

액추에이터(Actuator)

액추에이터의 한 종류

사물인터넷에서 구현되는 또 다른 장치는 액추에이터(Actuator)이다. 액추에이터는 특정 명령어들의 집합을 기반으로 기계 장치 또는 시스템을 제어하거나 움직이기 위해 사용될 수 있는 기본적인 모터이다. 액추에이터는 “어떤 일을 일어나게 하는(make things happen)” 물리적인 기능을 수행할 수 있다. 그림에 보이는 액추에이터는 산업에서 사용되는 액추에이터의 한 종류인 유압식 기계를 제어하기 위해 사용되는 전기 솔레노이드(electric solenoid)이다. 

사물인터넷에서 사용되는 세 종류의 액추에이터는 다음과 같다. 

· 유압식 . 기계를 움직이기 위해 유체 압력을 사용한다. 

· 공압식 . 기계의 작동을 위해 높은 압력의 압축 공기를 사용한다. 

· 전기식 . 전기적인 에너지를 변환하는 모터에 의해 구동된다. 

어떻게 액추에이터가 작동이 되는지에 상관없이 기본적인 액추에이터의 기능은 하나의 신호를 받아서 그 신호를 바탕으로 특정 행동을 수행하는 것이다. 액추에이터는 전형적으로 데이터를 처리할 수 없다. 그보다는 받은 신호를 바탕으로 어떠한 결과가 액추에이터에 의해 수행된다. 액추에이터에 의해 수행되는 행동은 컨트롤러로부터 온 신호로 인해 발생한다. 

포그 컴퓨팅에서의 컨트롤러(Controller) 

포그 컴퓨팅의 컨트롤러 

센서들은 데이터를 수집하고 컨트롤러들에게 전송한다. 컨트롤러들은 센서들로부터 수집한 데이터를 그림처럼 포그에 존재하는 다른 장치들한테 전달할 수 있다. 포그 컴퓨팅의 한 예로써 소개했던 스마트 신호등 시스템을 생각해보자. 센서들은 교통 상황을 감지하고 컨트롤러에게 알린다. 컨트롤러가 이 데이터을 처리하고 그 지역에 맞는 최적의 교통 패턴을 결정한다. 컨트롤러는 결정한 정보를 가지고 교통 흐름을 조절하기 위해 신호등의 액추에이터들에게 신호를 보낸다. 

앞서 설명한 한 예는 기계들 간의 통신(M2M communication)이다. 이 시나리오의 센서들, 액추에이터들 그리고 컨트롤러 모두 하나의 포그 내에 존재한다. 이 말은 즉, 단말장치가 존재하는 그 지역 밖으로 정보가 전달되지 않는 것을 뜻한다. 

포그 컴퓨팅에서 데이터를 처리하는 것은 전통적인 네트워킹 환경이 아닌 곳에서 발생한다. 다양한 산업의 많은 사물들이 네트워크에 연결되기 때문에 새로운 네트워킹 장소들 또는 개인 식별번호(PIN)가 형성된다. 팬(FAN : Field Area Network)은 열악한 또는 노출된 환경에 경화 장비가 놓여진다. 스마트 그리드(Smart Grid)는 팬의 한 예이다. 

IP 기반 컨트롤러 

컨트롤러는 IP 네트워크를 통해 데이터를 전송하고, 사용자들이 원격으로 컨트롤러에 접근 할 수 있도록 한다. 기계들 간의 연결을 구성하는데 기본적인 정보를 전달하는 것과 더불어, 일부 컨트롤러들은 더 복잡한 작업을 할 수 있다. 다수의 센서들로부터 정보를 통합할 수 있거나 받은 데이터의 기본적인 분석을 수행할 수 있다.

IP 기반 컨트롤러가 존재하는 포그 컴퓨팅이 적용된 커피 농장

그림에 보이는 커피 농장의 시나리오를 생각해보자. 농장의 주인은 커피를 수확하기 적절한 시간을 결정하기 위해 작물들을 감시하기를 원한다. 센서들은 날씨, 토양의 상태 그리고 이산화탄소의 농도와 같은 작물의 물리적인 측면의 정보를 수집하는데 사용될 수 있다. 이 정보는 컨트롤러에게 전달된다. 컨트롤러는 더 가공된 형태의 정보를 네트워크 서버에 전달하거나 인터넷을 통해 클라우드 기반 서버로 전달한다. 더 나아가 센서 노드들과 컨트롤러에 의해 수집된 정보가 서버에서 분석되고, 모바일과 원격 장치들을 통해 이용할 수 있다. 

이 시나리오에서는 컨트롤러가 802.15 프로토콜 지그비(ZigBee)를 사용하여 센서들로부터 정보를 수집한다. 컨트롤러는 받은 정보를 통합하고, TCP/IP 프로토콜 집합의 프로토콜을 사용하여 게이트웨이로 데이터를 전달한다. 컨트롤러, 센서, 액추에이터들은 사물인터넷에 연결된 사물들의 확장에 크게 기여할 것이다. 

IP 기반 센서들 

일부 센서들과 액추에이터들은 TCP/IP를 지원하여 컨트롤러가 필요 없다. 

IP 기반 센서들과 액추에이터들 

그림은 게이트웨이를 통해 클라우드에 직접 연결된 센서들과 액추에이터들을 보여준다. 여기서 게이트웨이는 IP 기반 장치들이 인터넷에 연결할 수 있도록 라우팅(routing)기능을 수행한다. 이 장치들이 생성한 데이터는 분석과 처리를 위해 지역 또는 전 세계의 서버들에 전송된다.

고정 IP 주소 

윈도우 컴퓨터의 고정 IP 주소 설정 

IP 기반 장치가 IP 네트워크를 통해 통신하기 위해서는 반드시 올바른 IP 주소 정보를 설정해야 한다. IP 주소 정보는 보통 장치 설정 내에서 설정된다. 그림에서 보이는 윈도우 (Windows) 컴퓨터의 IP 주소 설정 창에서 직접 고정된 IP 주소를 설정할 수 있다. IP 주소는 전 세계에 대해 유일한 장소를 식별하는 거리 주소와 비슷하다. 한 지역의 우체국은 그 지역의 우편 서비스를 위한 “게이트웨이“이다. 우체국은 우편망과 목적지 주소에 대해 우편을 전달하기 위한 우체국만의 전송 메커니즘을 사용한다. 네트워크에서는 한 지역의 우체국을 자신의 IP 주소를 가진 ”디폴트 게이트웨이(default gateway)”라고 말한다. 디폴트 게이트웨이는 보통 네트워크 관리자 또는 인터넷서비스제공자(ISP)에 의해 할당된 IP 주소를 사용한다. 전통적으로 인터넷의 장치들은 IPv4(IP version 4)를 사용했다. 그러나 증가하는 인터넷 사용자와 IPv4의 제한된 주소의 개수로 인해 IPv6(IP version 6)에 대한 전환이 시작되었다. IPv6는 IPv4의 주소공간인 32비트(32-bits)보다 더 큰 128비트 주소공간을 가진다. 이론상으로 IPv4는 오직 최대 43억 개의 주소를 가지며, 거의 다 사용되고 있다. 

자동 IP 주소 

만약 어떠한 단말 장치에도 IP 주소를 설정해본 적이 없다면, IPv4 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP : Dynamic Host Configuration Protocol)에 의해 IP 주소 정보가 자동으로 할당되었기 때문이다. 네트워크에 존재하는 단말장치에 IP 주소 정보를 모두 직접 설정해야하는 경우, 소요되는 시간을 상상해보아라. 네트워크에 존재하는 모든 사용자들과 모든 모바일 장치들, 모든 IP 기반 장치들을 곱한 수만큼 설정해야 하므로, 이는 매우 힘든 일이다. 동적 호스트 구성 프로토콜을 사용하면, 사용자가 주어진 네트워크 지역으로 가서 이더넷(Ethernet) 케이블을 꽂거나 무선 연결을 활성화 한다면 즉시 IP 주소 정보가 할당된다. 

윈도우 컴퓨터의 동적 호스트 구성 프로토콜 설정

그림은 윈도우 컴퓨터에서 자동으로 IP 주소를 설정하기 위해 동적 호스트 구성 프로토콜이 설정된 창이다. 단말장치는 IP 주소 풀(pool)로부터 주소 정보를 할당받고, 동적 호스트 구성 프로토콜 서버에 설정된 IP 정보와 관련지어진다. IPv6는 자동으로 주소 정보를 얻는 또 다른 방법이 존재한다. 정보를 유지하지 않는 주소 자동설정(SLAAC : Stateless Address Autoconfiguration) 방법이 단말장치가 IPv6 기반 라우터로부터 주소 정보를 얻는 방법이다. IPv6에 대한 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCPv6)은 IPv4에 대한 동적 호스트 구성 프로토콜과 유사하게 단말장치가 동적 호스트 구성 프로토콜 서버로부터 주소 정보를 얻을 수 있다. 

사물인터넷 인프라 장치들의 역할 

사물인터넷의 인프라 장치들

그림에 보이는 인프라 장치들은 주로 컨트롤러 장치들과 다른 단말장치들 간에 데이터 전달을 책임진다. 인프라 장치들은 다음과 같은 다양한 서비스를 제공한다. 

· 장치들에 대한 무선과 유선 연결 

· 서비스 품질 보장 큐잉(Queueing) (예를 들면, 비디오 데이터보다 보이스 데이터를 우선시 하는 것) 

· 높은 가용성 

· 보안 전송 

인프라 장치들은 네트워크에 개인의 단말장치들을 연결하고, 하나의 인터네트워크(internetwork)를 형성하기 위해 다수의 개인 네트워크들을 연결할 수 있다. 데이터가 네트워크를 통해 이동할 때 데이터의 관리는 주로 인프라 장치(또는 중계 장치)의 역할이다. 메시지를 보내기위한 경로를 결정하기 위해 인프라 장치들은 네트워크 상호연결에 관한 정보와 함께 단말장치의 목적지 주소를 사용한다. 

라우터(Router)의 종류 

하나의 장치가 다른 네트워크에 속한 장치로 패킷(Packet)을 보낼 때, 라우터가 필요하다. 라우터는 한 지역의 네트워크로부터 다른 지역의 네트워크로 가는 데이터 경로를 결정한다. 단말장치들은 다른 네트워크로 패킷들을 전달하기 위한 정보를 관리하지 않기 때문에 라우터가 필요하다. 라우터는 다른 네트워크들의 위치에 관한 정보를 수집하는 지능적인 장치이다. 이 정보를 사용하여 원하는 목적지에 대한 최적의 경로를 결정한다. 이러한 과정을 라우팅 프로세스(routing process)라고 한다. 인프라 라우터에는 많은 종류들이 있다. 라우터들의 기능 또는 크기, 복잡성에 관계없이 모든 라우터 모델들은 본질적으로 컴퓨터이다. 컴퓨터와 태블릿, 스마트 장치들과 같이 라우터들 또한 다음과 같은 사항들을 요구한다. 

· 운영체제(OS) 

· 중앙처리장치(CPU) 

· 입출력 인터페이스(Input/Output Interface) 

· 메모리(memory) 

시스코 ISR 819(Cisco Integrated Services Router 819) 

시스코 819 ISR

사물인터넷에서 기계들 간의 연결을 제공하기 위해, 라우터가 다양한 장치들과 통신하기 위한 다수의 기술들을 결합하는 것이 필요하다. 그림 3-26에 보이는 시스코 819 ISR은 GPS와 와이파이(Wi-Fi), 3G/4G 광역망 연결과 위치 서비스들을 결합할 수 있다. 이러한 기술들을 결합하여 819 ISR이 다양한 환경에서 작동할 수 있도록 한다. 예를 들면, 교통 환경에서 모바일 네트워크 단말장치들은 3G/4G 네트워크를 사용하여 먼 거리와 통신을 해야 한다. 반면에, 소매 또는 제조 환경에서는 고정된 장치들에 대해 와이파이가 최적의 네트워크 선택일 것이다. 시스코 사물인터넷 라우터들과 스위치들에 컴퓨팅 능력이 설치될 수 있다. 시스코는 포그 컴퓨팅에 대해 라우터들을 갖추기 위해 분산 컴퓨팅 인프라를 형성하도록 IOS와 리눅스(Linux)를 결합했다. 이 아키텍처(Architecture)는 IOx로 불려진다. IOx는 시스코 라우터들과 새로운 센싱(sensing) 및 제어 기능을 형성하는 네트워크에 산업 특화 시스템들이 더 쉽게 연결할 수 있도록 한다. ISR 819에 대한 자세한 정보는 이 링크에서 얻을 수 있다. 

소규모 비즈니스(Business) 라우터 

시스코 소규모 비즈니스 라우터

시스코 IOS 819 ISR처럼 엔터프라이즈(enterprise) 전용 장치와 더불어, 홈 또는 소규모 비즈니스 네트워크에 이용 가능한 저비용 다기능 라우터들 또한 존재한다. 이 장치들은 통합된 라우팅(routing)과 스위칭(switching), 무선, 보안 기능을 제공한다. 현대 무선 라우터들은 다양한 기능을 제공하고 기본적인 기능 설정을 통해 개봉 후 바로 사용할 수 있도록 설계되었다. 그러나 보안을 위해 초기의 기본 설정들을 변경하는 것이 좋은 습관이다. 

포트(Port)의 종류

소규모 비즈니스 라우터의 포트

소규모 비즈니스와 홈 라우터들은 전형적으로 다음 두 개의 주요 포트를 가진다. 

· 이더넷 포트(Ethernet Port) - 이 포트들은 라우터의 내부 스위치(switch) 부분에 연결된다. 그림처럼 보통 “이더넷” 또는 “랜(LAN)”으로 표기된다. 이 포트에 연결된 모든 장치들은 같은 지역의 네트워크에 존재하는 것을 뜻한다. 

· 인터넷 포트(Internet Port) - 이 포트는 장치를 다른 네트워크에 연결하기 위해 사용된다. 인터넷 포트는 다른 네트워크에 라우터를 연결한다. 이 포트는 보통 인터넷에 연결하기 위해 사용된다. 

무선 라우터의 설정 

무선 라우터의 웹 그래픽 유저 인터페이스

소규모 무선 라우터들의 대부분은 그림처럼 웹의 그래픽 유저 인터페이스(GUI)를 통해 설정할 수 있다. 다음과 같은 것을 설정할 수 있다. 

· 무선 네트워크 이름(SSID) - 무선 네트워킹을 활성화할 경우, 무선랜(WLAN) 네트워크의 이름이다. SSID는 서비스 세트 식별자(Service Set Identifier)를 의미하는 무선 네트워크에 대한 또 다른 이름이다. 기본적으로 SSID는 무선 네트워크 사용자들한테 브로드캐스트(broadcast) 된다.

· 무선 패스워드(Wireless Password) - 무선 네트워크에 연결하기 위해 사용자들이 사용하는 패스워드이다.

· 라우터 패스워드(Router Password) - 라우터를 관리하기 위해 사용되는 패스워드이다. 무선 라우터의 설정들을 변경하기 위해서는 패스워드가 요구된다.

대부분의 홈과 소규모 비즈니스 네트워크에 대해, 무선 라우터는 그 지역 네트워크 사용자들에게 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP) 서비스를 제공한다. 무선 라우터에 무선으로 연결한 사용자들은 통신을 위한 적절한 IP 주소 정보를 받는다.

게이트웨이(Gateway) 

IP 기반 단말장치들은 다른 IP 네트워크에 있는 장치로 패킷(packet)을 보낼 때, 디폴트 게이트웨이(default gateway)한테 반드시 전송해야 한다. 일반적으로 한 지역의 네트워크를 구분하는 라우터를 디폴트 게이트웨이라고 한다. 소규모 비즈니스 환경에서 디폴트 게이트웨이는 인터넷에 랜(LAN)을 연결하는 라우터이다.

게이트웨이 설정

많은 무선 라우터들에서, 그림 3-30에 보이는 것처럼 192.168.1.1인 IPv4 주소가 라우터의 기본 랜(LAN) 주소이다. 이 주소는 랜에 존재하는 모든 단말장치에 대한 디폴트 게이트웨이 주소이다. 무선 라우터에 연결한 무선 및 유선 사용자는 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP)를 통해 디폴트 게이트웨이 정보와 디폴트 게이트웨이 주소와 같은 네트워크에 존재하는 IP 주소를 받는다. 주소를 받고나면 그 지역의 사용자들은 인터넷 밖으로 라우팅(routing)을 위해 무선 라우터에게 패킷들을 전달할 수 있다.