IEEE 802.15.4 및 6LoWPAN을 사용하여 안정적인 IoT 네트워크 구축

산업용 사물 인터넷은 매우 낮은 전력 소비로 몇 달에서 몇 년 동안 무인으로 실행될 수 있는 대규모 분산 센서/제어 네트워크를 기반으로 합니다. 이러한 유형의 네트워크의 특징적인 동작은 종종 저속 무선 개인 영역 네트워크(LR-WPAN)라고 설명되는 무선 기술을 사용하여 단거리에서 매우 짧은 메시지 트래픽 버스트를 수반합니다. 우리는 무선 간섭으로 인해 재전송이 필요할 가능성을 줄이기 위해 데이터 프레임을 짧게 유지합니다. 그러한 LR-WPAN 접근 방식 중 하나는 IEEE 802.15.4 표준을 사용합니다. 이는 SCADA(감시 제어 및 데이터 수집)라고 하는 산업 제어 및 자동화 애플리케이션에서 자주 사용되는 물리적 계층 및 미디어 액세스 제어에 대해 설명합니다.

그림 1.IEEE 802.15.4 프레임 형식

IoT에서는 로컬 "에지" 장치(일반적으로 센서)가 데이터를 수집하여 처리를 위해 데이터 센터("클라우드")로 보냅니다. 데이터를 클라우드로 가져오려면 표준 IP 프로토콜 스택을 사용한 통신이 필요합니다. 이는 인터넷을 통해 엣지 장치를 데이터 센터("클라우드 모델")에 직접 연결함으로써 가능합니다. 또는 에지 장치에서 경계 게이트웨이로 알려진 수집 지점과 통신하여 그곳에서 데이터 센터("포그 모델")로 데이터를 중계할 수 있습니다.

이 기사에서는 IEEE 802.15.4 네트워크의 특성, 특히 6LoWPAN(저전력 무선 개인 영역 네트워크) 구현을 통한 IETF(Internet Engineering Task Force) IPv6 구현에 대해 설명합니다. 이 구현은 클라우드와 포그 모델을 모두 지원합니다.

IEEE 802.15.4 PHY 계층

IEEE 802 표준 제품군은 802.3(이더넷), 802.11(Wi-Fi), 802.15(무선 PAN)를 포함한 여러 작업 그룹으로 분류됩니다. 특히, IEEE 802.15.4(간단히 말하면 15.4)는 RF 스펙트럼 및 물리 계층을 포함한 프로토콜의 다양한 특성을 담당하는 작업 그룹 4의 책임입니다. 15.4 표준은 RFID(무선 주파수 식별) PHY, UWB(초광대역) PHY를 포함하도록 확장되었으며, 차량 간 통신과 차량 간 통신 모두를 위한 가능한 솔루션으로도 논의되고 있습니다.

802.15.4는 OSI 네트워크 모델의 레이어 1과 2에서 물리적(PHY) 및 미디어 액세스 제어(MAC) 레이어만 처리합니다. 상위 레이어는 구현자에게 맡깁니다. 레이어 3 이상에는 Zigbee, Z-Wave, Thread 및 6LoWPAN을 포함한 다양한 제품이 있습니다. 이들 각각은 OSI 프로토콜 모델의 나머지 부분을 구현하여 라우팅, 검색, 사용자 애플리케이션용 API 등의 서비스를 제공합니다.

그림 2. 토폴로지 옵션

일반적으로 15.4는 20Kbit/s, 40Kbit/s, 100Kbit/s(곧) 및 250Kbit/s의 데이터 전송 속도를 지원합니다. 기본 프레임워크는 250Kbit/s에서 10미터 범위를 가정합니다. 전력 소비를 더욱 제한하기 위해 더 낮은 데이터 속도를 달성할 수도 있습니다. 10미터(32피트) 범위 사양에도 불구하고 2.4GHz ISM 대역에서 IEEE 802.15.4 무선의 일반적인 달성 가능한 범위는 실내에서는 100피트, 실외에서는 200~300피트 정도입니다. GHz 미만 주파수에서는 900MHz ISM 대역의 적절한 안테나를 사용하여 6.5km(4마일) 이상의 범위에서 프로토콜의 실제 구현이 입증되었습니다.

물리 계층에서 IEEE 802.15.4는 RF 트랜시버와 채널 선택은 물론 에너지 및 신호 관리 시설도 관리합니다. 필요한 주파수 범위와 데이터 성능에 따라 현재 정의된 6개의 PHY가 있습니다. 그 중 4개는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 주파수 호핑 기술을 사용합니다. 처프 확산 스펙트럼(CSS)은 UWB(초광대역) 및 2450MHz 주파수 대역에서 사용됩니다. 병렬 시퀀스 확산 스펙트럼(PSSS)은 유럽 868MHz 대역에서 발견되는 하이브리드 바이너리/진폭 편이 변조 기술에서만 사용할 수 있습니다.

15.4의 프레임 크기는 PHY, MAC 및 데이터 페이로드를 포함하여 133바이트입니다. 이 프레임의 형식은 그림 1에서 볼 수 있습니다. 프레임을 상대적으로 짧게 유지함으로써 프레임을 전송하는 데 필요한 시간을 제한하는 동시에 산업 장비의 정상적인 작동으로 인한 무선 간섭 가능성을 제한할 수 있습니다.

IEEE 802.15.4 MAC 계층

IEEE 802.15.4 MAC 계층(OSI 모델 계층 2 - 데이터 링크 계층)은 다음을 담당합니다.

• PAN 가입 및 탈퇴
• 채널 액세스를 위한 CSMA-CA(충돌 방지 기능이 있는 캐리어 감지 다중 액세스)
• 보장된 시간 슬롯(GTS) 전송
• 두 피어 MAC 엔터티 간의 안정적인 링크 설정
• 조정자를 위한 비콘 전송
• 비콘과 동기화.

또한 MAC 계층은 AES-128 암호화 알고리즘을 사용하여 대칭 암호화 사용을 지원합니다. 민감한 정보가 특정 노드나 링크로 전송되는 것을 제한하는 SHA 기반 해시 및 액세스 제어 목록 옵션도 있습니다. 마지막으로 MAC는 프레임 수신 사이에 최신 상태 검사를 계산하여 순환 경로를 통해 이동했을 수 있는 오래된 프레임이 상위 계층 프로토콜에 늦게 전달될 가능성을 최소화하는 데 도움을 줍니다.

노드 유형 및 네트워크 토폴로지

그림 3. IPv6 헤더의 IP 헤더 압축

IEEE 802.15.4는 RFD(Reduced Function Device)와 FFD(Full-Function Device)라는 두 가지 유형의 네트워크 노드를 식별합니다. FFD는 다른 FFD 또는 RFD와 통신할 수 있으며 자체 네트워크를 생성할 수도 있습니다. 그러나 RFD는 FFD와만 통신할 수 있습니다. 이는 스타 토폴로지 또는 메시와 같은 P2P 토폴로지라는 두 가지 가능한 네트워크 토폴로지로 연결되는 계층 구조를 의미합니다. 이는 그림 2에 나와 있습니다.

스타 토폴로지는 구현하기가 가장 쉽고 비용도 저렴하며 단일 FFD만 필요합니다. 나머지 장치는 구현에 따라 RFD 또는 FFD가 될 수 있습니다. 스타 토폴로지의 단점은 코디네이터가 단일 실패 지점을 나타낸다는 것입니다. 이는 네트워크 전체에 장애를 초래할 수 있으므로 가장 단순한 애플리케이션을 제외한 모든 애플리케이션에서는 피해야 합니다.

메시 토폴로지를 사용하면 메시지 전달을 보장하기 위한 다중 중복 통신 경로가 제공됩니다. 메시 모드에서 실행될 때 네트워크는 본질적으로 임시적이고 자체 구성되는 엔터티입니다. 따라서 다중 경로 또는 나뭇잎의 영향과 같은 RF 전파 특성이 변화하더라도 연결을 계속할 수 있습니다. 메시 토폴로지를 사용하면 산업용 로봇에서 볼 수 있는 것과 같은 노드 이동도 가능합니다. "손실 메시"는 모든 링크가 신뢰할 수 없는 링크이므로 특정 시점의 연결을 기반으로 메시지 트래픽을 다시 라우팅하는 데 상위 계층 라우팅 프로토콜이 사용됩니다.

IPv6

IPv4 주소 공간의 고갈로 인해 레이어 3(네트워크)과 레이어 4(전송)를 제공하고 MAC 레이어 위에 위치하는 IPv6로 전환하는 데 상당한 관심이 있습니다. 일반적으로 IPv6는 40바이트 헤더를 사용하고 128비트의 주소 공간을 제공하므로 IoT 연결 장치에 대한 가장 큰 추정치도 처리할 수 있습니다.

그림 4. 6LoWPAN 모듈이 포함된 Raspberry Pi 보더 라우터

그러나 AES-128 암호화 오버헤드와 결합하면 기본 크기 IPv6 헤더를 사용하면 프레임의 사용자 페이로드에 33바이트만 남게 됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 IPHC(IP 헤더 압축)가 도입되었습니다. 이렇게 하면 인터넷 통과를 위한 라우팅을 포함하여 IPv6 헤더의 크기를 단 10바이트로 줄일 수 있습니다. 이 IPHC는 그림 3에서 볼 수 있습니다.

15.4 PHY 및 MAC 계층 위에 IPv6, IPHC, 표준 TCP/UDP의 조합을 6LoWPAN이라고 합니다. POSIX 스타일 소켓을 사용하면 개발자는 일반 인터넷 프로토콜을 사용하여 전 세계 어디에서나 엔드투엔드 패킷을 전달할 수 있습니다.

IoT를 위한 6LoWPAN 구현

6LoWPAN의 기존 구현이 많이 있습니다. 하나는 현재 주거용 전력계에 구현된 AMI(고급 계량 인프라)를 위한 GHz 미만의 6LoWPAN입니다. 이러한 계량기는 전력망 전체의 전력 사용량을 읽고 제어하는 ​​수단을 유틸리티에 제공합니다. 그들은 다중 경로나 비나 눈과 같은 대기 영향에 관계없이 미터 측정값을 전달하기 위해 손실 메시 라우팅 시설을 사용합니다.

6LoWPAN 코드 크기는 보통입니다. 일반적인 구현은 약 30KB 정도이며 Texas Instruments, Silicon Labs 등과 같은 회사의 무선 장치에서 직접 구현되는 경우가 많습니다. 이 접근 방식은 센서 마이크로 컨트롤러와 무선 장치 사이에 UART 스타일 인터페이스를 제공하여 프로토콜 오버헤드를 무선 장치로 오프로드합니다.

또는 Linux와 같은 많은 운영 체제는 이미 여러 무선 플랫폼에서 6LoWPAN을 구현하고 있습니다. 이는 Linux 기반 경계 게이트웨이를 사용하여 강화된 커널, 차세대 방화벽 등을 통해 포그 모델을 사용하여 에지 장치에 보안을 제공합니다. 국경 게이트웨이는 데이터 필터링 및 압축을 제공하여 전체 통신 비용을 줄이는 데에도 사용할 수 있습니다.

6LoWPAN은 일반 인터넷 프로토콜과 호환되므로 개발자는 애플리케이션 간 통신을 위해 MQTT, CoAP, HTTP와 같은 더 높은 수준의 프로토콜을 자유롭게 활용할 수 있습니다. 남쪽 방향의 6LoWPAN과 북쪽 방향의 표준 IPv4 또는 IPv6에 인터페이스하는 경계 라우터는 내부 6LoWPAN 패킷 형식에서 표준 IPv6로 또는 NAT64를 통해 표준 IPv4로 NAT(네트워크 주소 변환) 자동 변환을 쉽게 제공할 수 있습니다. 이를 통해 에지 장치의 주소 지정이 클라우드와 개발자에게 완전히 투명해집니다. 6LoWPAN 모듈이 연결된 Raspberry Pi 기반 보더 라우터가 그림 4에 나와 있습니다.

요약

IoT의 핵심은 연결성이며 IEEE 802.15.4 표준은 이를 구현하는 데 이상적인 수단, 즉 손실이 있는 메시 전반에 걸쳐 저전력 작동을 제공합니다. IEEE 802.15.4 위에 6LoWPAN을 사용하면 클라우드와의 안전하고 투명한 연결이 제공되며, 표준 IP 호환 프로토콜과 쉽게 사용할 수 있는 라이브러리가 제공되어 개발자와 시스템 설계자의 부담이 크게 줄어듭니다.

이 기사는 The PTR Group(버지니아주 애쉬번)의 CTO/최고 과학자인 Mike Anderson이 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하세요.  .