[3편] IoT 통신 프로토콜 이해, 유형, 비교 및 활용사례 탐구

목 차

1. IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜 이해
2. IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜 유형
3. 주요 IoT 통신 프로토콜 비교(CoAp vs. MQTT vs. XMPP) 및 활용 사례
4. 마무리

 

사물 인터넷(IoT) 은 기기 간의 효율적인 연결을 촉진하는 다양한 통신 프로토콜을 도입함으로써 혁신을 이루어냈습니다. 산업 표준 프로토콜부터 신흥 기술까지, 본 글에서는 IoT 통신 프로토콜의 다양한 환경을 살펴보고 사물 인터넷 영역에서 해당 프로토콜의 유형과 중요성을 조명합니다.

 

1. IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜 이해

연결성이 핵심인 시대에서 사물 인터넷(IoT)은 스마트 디바이스 간의 원활한 데이터 교환을 보장하는 IoT 통신 프로토콜의 중요성을 확인합니다. 본 문서는 이러한 프로토콜의 복잡한 세계를 탐험하고 유형을 다루며 IoT의 미래를 형성하는 데 있어서 그 중요성을 강조하는 포괄적인 안내서 역할을 합니다.

1.1 IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜(Protocol) 정의

IoT 통신 프로토콜은 디바이스 간의 원활한 소통을 가능케 하는 언어로 작용합니다. 이러한 프로토콜은 IoT 생태계 전체의 기본을 이루며 디바이스 간 데이터 교환의 원활한 흐름을 보장합니다.

1.2 IoT(사물인터넷) 생태에서의 중요성

스마트 디바이스의 원활한 작동은 효과적인 커뮤니케이션에 달려 있어 IoT 통신 프로토콜은 전체 IoT 생태계의 중추적인 부분입니다. 이들은 디바이스가 어떻게 상호 작용하고 데이터를 공유하며 작업을 수행하는지를 결정합니다. 그리고 IoT 통신 프로토콜은 다양한 종류의 디바이스 간의 연결을 확립하는 데에 핵심적인 역할을 합니다. 스마트 홈 가전제품부터 산업용 센서까지, 이러한 프로토콜은 디바이스가 효율적으로 통신하고 통합된 환경을 조성할 수 있게 합니다.

 

2. IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜 유형

IoT(사물인터넷) 통신 프로토콜은 유/무선 환경에 따라서 다양한 유형으로 구성되어 있습니다. 이 다양한 프로토콜은 각각의 특성에 따라 다양한 IoT 환경과 응용에 적합하게 사용되고 있습니다.

2.1 IoT(사물인터넷) 무선 통신 프로토콜

프로토콜	설 명
Zigbee	- 저전력 및 단거리 무선 프로토콜인 Zigbee는 홈 자동화 및 산업용 애플리케이션에서 널리 사용함 - 메쉬 네트워킹 기능은 디바이스 간에 짧은 거리로 효과적으로 통신 가능함
Bluetooth	- Bluetooth는 간단함과 저전력 소비로 알려진 다용도 무선 프로토콜임 - 웨어러블 디바이스, 의료 및 소비자 전자제품 분야에서 사용되며 신뢰성 있고 저전력의 통신 솔루션을 제공함
Wi-Fi	- 일상 생활에서 익숙한 Wi-Fi는 고속 무선 통신을 제공함 - 주로 스마트 홈 및 비즈니스에서 사용되며 데이터 집약적인 애플리케이션에 견고한 연결을 제공함
LoRaWAN	- LoRaWAN(Long Range Wide Area Network)은 장거리 통신 및 저전력 소비를 위해 설계됨 - 스마트 농업과 같이 디바이스가 상당한 거리를 통해 데이터를 전송해야 하는 경우에 적합함
NB-IoT	- NB-IoT (Narrowband Internet of Things)는 좁은 대역폭에서 동작하는 저전력, 저비용의 무선 통신 기술로, 주로 대량의 IoT 기기들을 연결하는 데 사용됨 - 이 기술은 긴 거리의 통신과 저전력 소비를 특징으로 하며, 주로 스마트 시티, 스마트 랜드, 농업 등 다양한 분야에서 활용되고 있음
Sigfox	- Sigfox는 글로벌 규모에서 동작하는 저전력, 저용량의 무선 네트워크를 제공하는 기업이며 이 회사의 이름과 동일한 기술을 가리키기도 함 - Sigfox의 특징은 저전력 통신, 저렴한 가격, 광범위한 커버리지 등으로, 주로 센서 데이터와 같은 소량의 정보를 전송하는 IoT 기기들을 지원하는 데 활용됨
Z-Wave	- Z-Wave는 저전력, 단거리 무선 통신 프로토콜로, 주로 스마트 홈 및 자동화 기기 사이에서 통신하는 데 사용되는 표준임 - 이 프로토콜은 안정성과 신뢰성이 높으며, 전자 기기 간의 상호 작용을 용이하게 만들어주는 무선 통신 기술을 제공함 - 주로 제한된 전력과 자원을 가진 IoT 기기들 간에 효율적으로 동작하도록 설계되어 있음

무선 메시 네트워크(Mesh Network)를 위한 Zigbee와 Z-Wave, 로컬 연결을 담당하는 Bluetooth 및 BLE, 원격 지역에서의 연결을 강조하는 LoRa, 그리고 고속, 저지연 통신을 가능케 하는 5G와 NB-IoT 등이 대표 Iot 무선 통신 프로토콜이라 말할 수 있습니다.

 

2.2 IoT(사물인터넷) 유선 통신 프로토콜

프로토콜	프로토콜 개념 및 구성도	설 명
CoAP (Constrained Application Protocol)	- IoT와 같은 대역폭이 제한된 통신 환경에 최적화를 위해서 개밸된 REST 기반의 경량 메시지 전송 프로토콜을 말함	■ UDP 계층 - CoAP 사용하는 기본 전송계층 ■ CoAP Transactions 계층 - 트랜잭션을 동기 또는 비동기식으로 처리하는 계층을 말하며, 트랜잭션 별로 ID 발급해서 중복 패킷을 전송하는 것을 예방함 ■ CoAP REST - REST 데이터 처리를 위한 계층 - HTTP 방식(POST/GET/PUT/DELETE)과 동일하게 사용함 ■ 전송 프로토콜: UDP
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)	- 임베디드 디바이스를 제한된 네트워크에서 비동기 통신을 가능하게 해주는 경량 메시징 프로토콜을 말함	■ Publish/Subscribe(Pub/Sub, 구독/발행) 메시징 프로토콜 사용함 - Pub: 토픽(topic) 발행 - Sub: 관심토픽(topic) 구독 ■ Broker - Pub 발행한 토픽에 대한 세션 연결 ■ 다대다(N : N) 통신 지원 ■ 신뢰성과 저전력이 주요 특징임 ■ 전송 프로토콜: TCP, UDP
XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol)	- 여러 개의 클라이언트 간에 Publish/Subscribe 구조를 바탕으로 확장성이 가능한 XML 기반 메시지 전송 프로토콜을 말함	■ 초기에는 Jabber 이름을 사용함 ■ 인스턴트 메시지 전송 위해 개발됨 ■ 주소 체계 및 메시징 서비스 - 메시징 서비스, Jabber ID(JID) - Stream: 사전 주고 받는 XML 문서 - Stanza: 이미 알려진 XML 메시지 - Roster: 상대방에 주어진 이름 목록 ■ 전송 프로토콜: TCP
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)	- AMQP는 신뢰성 있는 디바이스 간 통신을 보장하는 메시징 프로토콜을 말함 - 기업급 IoT 솔루션에서 널리 사용되며 메시지 교환을 안전하고 표준화된 방식으로 지원함
DDS (Data Distribution Service)	- DDS는 실시간 통신을 위한 프로토콜로 낮은 지연 시간과 높은 신뢰성이 필요한 애플리케이션에 적합함 - 의료, 자동차 및 항공우주 분야에서 사용되며 저지연 및 고신뢰성 요구 사항을 충족시킴

위 표와 같이, 경량성과 효율성을 강조하는 비동기 통신을 하기 위한 경량 메시지 프로토콜인 MQTT, 제한된 환경에 최적화된 REST 기반의 경량 메시지 프로토콜인 CoAP, 메시지 전송을 위한 XML 기반의 프로토콜인 XMPP 그리고 그 밖에 웹 기술을 기반으로 하는 HTTP/HTTPS 통신 프토토콜이 있습니다.

 

3. 주요 IoT 통신 프로토콜(CoAP/MQTT/XMPP) 비교 및 프로토콜별 활용 사례

3.1 주요 IoT 통신 프로토콜 비교(CoAp vs. MQTT vs. XMPP)

구분	CoAP	MQTT	XMPP
목적	- 제한된 Deivice 간 통신 목적	- 사물인터넷(IoT) 메시지 전송 목적	- 인스턴트 메시지 전송 목적
특징	- HTTP 기반 Restful 아키텍쳐 - 저전력, 비동기 전송	- 토픽(topic)전달 메시지 버스 방식 - 저전력, 대량 메시지 전송	- XML 기반 메시지 처리 방식 - 강력한 보안 기능 - 다수 메신저 적용
구성요소	- Sensor, Proxy, Server, Client	- Publisher, Broker, Subscriber, topic	- Sender, Server, Recipient
전송계층	- UDP	- TCP, UDP	- TCP
표준	- IETF	- OASIS	- IETF
활용	- M2M 단말 통신	- Facebook 메신저	- 구글, MSN

 

3.2 주요 IoT 통신 프로토콜별 활용 사례

다양한 IoT 통신 프로토콜이 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 아래는 주요 IoT 통신 프로토콜과 각각의 활용 사례 몇 가지입니다:

 

■ MQTT (Message Queuing Telemetry Transport):
스마트 홈 자동화: MQTT는 스마트 홈 기기 간의 효율적인 통신에 사용됩니다. 스마트 등, 스마트 플러그, 스마트 센서 등의 기기들이 MQTT를 통해 정보를 교환하고 상태를 실시간으로 전송합니다.

 

■ CoAP (Constrained Application Protocol):
스마트 빌딩 관리: CoAP는 제한된 자원을 가진 IoT 기기 간의 효율적인 통신에 활용됩니다. 스마트 빌딩에서 조명, 난방 및 냉방 제어 시스템과 같은 기기들이 CoAP를 사용하여 서로 통신합니다.

 

■ Zigbee 및 Z-Wave:
스마트 그리드 및 에너지 관리: Zigbee와 Z-Wave는 전력 소모가 적은 특성으로 스마트 그리드 및 에너지 관리 시스템에서 사용됩니다. 스마트 미터 및 에너지 관리 장치 간의 통신에 활용됩니다.

 

■ LoRa (Long Range):
농업 및 환경 모니터링: LoRa는 장거리 통신이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 농업 분야에서는 작물 상태 모니터링 및 환경 조건 감시에 LoRa가 활용됩니다.

 

■ 5G 및 NB-IoT:
스마트 도시 및 산업 자동화: 5G 및 NB-IoT는 대규모 기기 간 통신이 필요한 스마트 도시 및 산업 자동화 응용 분야에서 사용됩니다. 고속 데이터 전송과 낮은 지연 시간을 제공하여 실시간 응용을 지원합니다.

 

4. 마무리

사물인터넷(IoT)은 기기 간의 효율적인 연결을 촉진하는 다양한 통신 프로토콜을 도입함으로써 혁신을 이루어냈습니다. 매우 다양한 IoT 통신 프로토콜의 세계에서 각 프로토콜이 특정한 사용 사례와 요구 사항을 충족시키고 있으며 저전력, 원거리 연결 또는 고속 데이터 교환에 최적화되어 있는 이러한 프로토콜을 이해하는 것은 견고하고 효율적인 IoT 생태계를 구축하는 데 필수적이라 말할 수 있습니다.

아울러, IoT 통신 프로토콜의 향후 발전방향은 지능화와 연결성의 깊은 통합을 강조하고 있습니다. 센서 기술의 진보와 빅데이터 분석, 인공지능, 기계 학습의 발전은 IoT 기기들이 수집한 데이터를 보다 지능적으로 활용할 수 있게 하고, 실시간 의사결정과 자동화에 기여할 것으로 기대됩니다. 뿐만 아니라, 5G 네트워크의 확대와 향상된 통신 기술은 대규모 기기 간 통신을 지원하여 IoT의 확장성과 성능을 향상할 것으로 예상되며, 보안 강화 및 에너지 효율성 개선도 향후 IoT의 주요 발전 과제로 계속해 나갈 것입니다. 이러한 흐름은 스마트 시티, 산업 자동화, 건강 관리, 농업 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용과 서비스의 출현을 촉진할 것으로 전망되고 있습니다.

 

다음 포스팅 [4] 편에서는 IoT(사물인터넷) 플랫폼에 관해서 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다.