심의 : 한국전파진흥협회단체표준심의위원회 성 명 근무처 직 위 ( 위원장 ) 양동모 한국전파진흥협회 사무국장 ( 위원 ) 박건호 청강문화산업대학교 교 수 서동조 서울디지털대학교 교 수 이원철 숭실대학교 교 수 문병갑 한국폴리텍대학교 교 수 조상인 한국전자통신연구원 책

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다은 삼
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1 SPSPSPSPS SPSPSPSP SPSPSPS SPSPSP SPSPS SPSP SPS-RAPA-0006 SPS 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결제어시스템 SPS-RAPA :2017 한국전파진흥협회 2017 년 5 월 16 일제정

2 심의 : 한국전파진흥협회단체표준심의위원회 성 명 근무처 직 위 ( 위원장 ) 양동모 한국전파진흥협회 사무국장 ( 위원 ) 박건호 청강문화산업대학교 교 수 서동조 서울디지털대학교 교 수 이원철 숭실대학교 교 수 문병갑 한국폴리텍대학교 교 수 조상인 한국전자통신연구원 책 임 강남기 한국기업법무협회 사무국장 ( 간사 ) 정찬형 한국전파진흥협회 본 부 장 한세원 한국전파진흥협회 과 장 원안작성협력 : 펀진기술위원회 성 명 근무처 직 위 ( 연구책임자 ) 김득화 펀진 대표이사 ( 참여연구원 ) 김영기 펀진 팀 장 권상혁 펀진 수 석 조기표 펀진 수 석 배태경 펀진 차 장 단체표준열람 : 단체표준종합정보센터 ( 제정단체 : 한국전파진흥협회 제 심 정 : 2017 년 00 월 00 일 의 : 한국전파진흥협회단체표준심의위원회 원안작성협력 : 펀진기술위원회 이표준에대한의견또는질문은한국전파진흥협회전파방송기술본부 ( 과장한세원 ) 로연락하거나웹사이트 ( 를이용하여주십시오. 이표준은단체표준지원및촉진운영요령제 11 조제 1 항의규정에따라매 3 년마다단체 표준심의위원회에서심의되어확인, 개정또는폐지됩니다.

3 목 차 머리말... ii 1 적용범위 표준적용산업분야및산업에미치는영향... 오류! 책갈피가정의되어있지않습니다. 3 인용표준 용어와정의 기능 사물인터넷의대표적근거리무선연결방식 시스템기본개념 셋톱박스기반의사물인터넷 (IoT) 다중연결제어시스템정의 본구성 메시지흐름 프로토콜... 오류! 책갈피가정의되어있지않습니다. 6.4 서비스그룹 기기그룹... 오류! 책갈피가정의되어있지않습니다. 해설 i-

4 머리말 이단체표준 ( 이하, 표준 이라한다.) 은산업표준화법제 27 조 ( 단체표준의제정등 ) 의규정에의거하여특수법인한국전파진흥협회 ( 이하, 협회 라한다.) 에서단체표준지원및촉진운영요령 ( 국가기술표준원고시 ) 과단체표준관리업무규정 ( 중소기업중앙회규정 ) 및협회의업무규정에서정하는절차와방법에따라공청회, 표준개발위원회에서한국전파진흥협회회원사의의견을수렴하였으며단체표준심의위원회의심의를거쳐제정하였다. 이표준은저작권법의보호대상이되는저작물이다. 이표준의일부가기술적성질을가진특허권, 출원공개후의특허출원, 실용신안권또는출원공개후의실용신안등록출원에저촉될가능성이있다는것에주의를환기한다. 한국전파진흥협회및단체표준심의위원회는이러한기술적성질을가진특허권, 출원공개후의특허출원, 실용신안권또는출원공개후의실용신안등록출원에관계되는확인에대하여책임을지지않는다. 제정된표준은이해관계인들의요구가있을때에는단체표준심의위원회의심의를거쳐개정될수있다. 기술수준의향상등으로개정의필요성이있는경우이해관계인들은협회에이표준의개정을요청할수있다. -ii-

5 한국전파진흥협회단체표준 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결 제어시스템 Set-top box based control system for multiple IoT devices connectivity 1 적용범위 이표준은홈사물인터넷 (IoT) 분야의허브역할을담당할수있는개방형홈게이트웨이의프레임워크에대하여다루며, 그중셋톱박스를기반으로하는홈사물인터넷서비스제공을위한운용시스템및서비스프레임워크를다룬다. 특히, Wi-Fi, Bluetooth, Wi-SUN, ZigBee, Z-Wave 등다양한근거리통신프로토콜들을하나의디바이스로통합하여다룰수있도록하는프레임워크에대하여다룬다. 이표준은홈사물인터넷서비스를위해활용될수있는다양한근거리통신프로토콜들을셋톱박스에기반하여통합하여다룸으로써, onem2m 표준및기기간상호호환성을확보하고셋톱박스를기반으로하는홈사물인터넷서비스가활성화되는데기여할것이다. 이표준에서명시하지않은사항은관련표준에따른다. 2 인용표준 다음의인용표준은전체또는부분적으로이표준의적용을위해필수적이다. 발행연도가표기된인용표준은인용된판만을적용한다. 발행연도가표기되지않은인용표준은최신판 ( 모든추록을포함 ) 을적용한다. onem2m-ts (Technical Specification) onem2m Functional Architecture 3 용어와정의 이표준의목적을위하여다음의용어와정의를적용한다. 3.1 사물 (Things) 각종사물에센서와통신기능을내장하여인터넷에연결되도록만든기기로써가전제품, 모바일장비, 웨어러블컴퓨터등다양한기기들이될수있다. 3.2 FIR (Funzin IoT Router) 셋톱박스와사물의연결은 WiFi, Bluetooth, Wi-SUN, ZigBee, Z-Wave 등사용되는연결 (connectivity) 에따라기본적인통신방법및데이터전송프로토콜이다르다. FIR 은각각의연결 (connectivity) 에따라전송되는데이터를취합하고상위레이어 (layer) 로보내며상위레이어에서온명령을하위에있는 1

6 사물로적절히분배하는기능을수행한다. 3.3 FRS (Funzin Relay Server) 운영서버와의통신에 HTTP, MQTT, XMPP, CoAP 등여러가지통신프로토콜이사용된다. FRS 는각각의프로토콜을해석하고세션 (session) 을관리하며하위에연결된셋톱박스와의 TCP 통신을연결시키는중계역할을하는서버이다. 3.4 셋톱박스 (STB) 셋톱박스는 TV 에물리적으로연결되며, 외부에서들어오는신호를받아적절히변환하여 TV 에그내용을표시해주는장치를말한다. 3.5 JSON (Java Script Object Notation) JAVA 스크립트를이용한경량 DATA 교환방식이다. 3.6 XML (extensible Markup Language) W3C 에서개발된다른다목적마크업언어이다. 기계와사람이모두읽을수있는구조로작성되어있다. 3.7 Parser 일련의문자열을의미있는토큰 (token) 으로분해하고이들로이루어진파싱트리 (parsing tree) 를만드는기능을한다. 문장의구조를분석하고오류를점검한다. 3.8 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 병렬데이터의형태를직렬방식으로전환하여데이터를전송하는방식 3.9 I/F (Interface) 사물과사물또는사물과인간사이의경계에서, 상호간의소통을위해만들어진물리적매개체나프로토콜을말한다 CSE (Common Service Entity) onem2m 규격에서공통서비스플랫폼의공통서비스기능을제공하는부분으로서컴퓨터시스템의경우, 미들웨어에해당한다. 공통서비스기능을포함하고있으며외부에노출되어서비스를제공할수있다 AE (Application Entity) onem2m 규격에서서비스를제공하기위한애플리케이션기능로직 (logic) 을의미한다 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 서로다른시스템을가진컴퓨터들을서로연결하고, 데이터를전송하는데사용하는통신프로토콜들의집합. 2

7 3.13 라우터 (Router) 네트워크구성방식이나사용하는프로토콜에관계없이네트워크를연결하여한통신망에서다른통신망으로통신할수있도록도와주는장치. 공유기패킷의위치를추출하여그위치에대한최상경로를지정하여이경로를따라데이터패킷을다음장치로전향시키는역할을한다 Op (Operation) Create/Update/Delete/Retrieve 등의리소스조작명령 3.15 Fr (From) Originator 에대한 Identifier 를표시 3.16 Ri (Request Identifier) 요청메시지에대한 Identifier Number 를표시하여응답메시지에대한매칭 (matching) 을수행하기위한용도로사용함. 4 기능 4.1 사물인터넷 (IoT) 의대표적근거리무선연결방식 Wi-Fi Wi-Fi 얼라이언스의상표명으로 IEEE 표준기반의무선랜연결과장치간연결 (Wi-Fi P2P), PAN/LAN/WAN 구성등을지원하는일련의기술이다. 무선인터넷사용을위해 Wi-Fi AP(access point) 는가정에많이설치되어있으므로기존인프라를활용한홈사물인터넷 (IoT) 에많이사용된다 Bluetooth 블루투스는 1994 년에에릭슨 (ericsson) 이최초로제안한개인근거리무선통신을위한산업표준으로전세계적으로이용할수있는무선주파수대역, 이른바 ISM 밴드를이용해다양한기기들이저렴한비용으로안전하게서로통신할수있게한다 ZigBee 소형, 저전력디지털무선기술을이용해개인통신망을구성하여통신하기위한표준기술이며 IEEE 표준을기반으로만들어졌다. ZigBee 장치는메시 (mesh) 네트워크방식을이용, 여러단계의중간노드 (node) 를거쳐목적지까지데이터를전송함으로써저전력임에도불구하고넓은범위의통신이가능하다 Z-Wave 덴마크회사인 Zensys 와 Z-Wave 얼라이언스에서개발한상호운용성을가지는무선통신프로토콜로가정자동화와센서네트워크와같은저전력과좁은대역폭을요구하는장치를위해설계되었다. 또한현재홈오토메이션과같이장치를제어하기위해가장폭넓게사용되는 RF 기술이다. 저전력, 양방향 RF, 메시네트워킹기술과배터리대배터리지원은센서와장치를제어하는데아주적합하다. 3

8 4.1.5 Wi-SUN (Wireless Smart Utility Network) 일본을중심으로전개되어온무선규격으로일본에서는전체전력회사의저압전력검침을위한스마트미터접속용통신방식으로채택되었다. 4.2 시스템기본개념 구성도 Things : 전등, 가스미터기, 전력량검침기, TV, 오디오등사물인터넷애플리케이션부분의최종장치 FIR : 이기종통신프로토콜분석, 통합기능 STB : 디지털 TV 수신장치 FRS : 외부와의다양한프로토콜연동을위한중계서버 개념 사물인터넷기기들은서로다른통신방식을사용하도록제작되고각각의통신방식들은서로다른프로토콜을사용하도록되어있다. 많은종류의사물인터넷기기를수용하기위해서는다양한통신방식을지원할뿐만아니라개발, 사용, 유지보수를위해통일된규칙이필요하다. 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결제어시스템에서는다양한통신방식에의해전송되는데이터들을통일된규칙에맞게재가공한다. 이렇게재가공된데이터들은서버와의통신에의하여기기에대한제어, 모니터링, 관제등의서비스를원활하게한다. 5 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결제어시스템정의 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결제어시스템은다음과같은구조이다. 4

9 위의셋톱박스구성중 STB Control Block 은셋톱박스와관련된제어및모니터링을담당하는부분이다. 다중연결의기본구성중가장큰블록은 FIR Block 이며이기종연결 (Connectivity) 을사용하는사물들에대한제어, 모니터링을수행한다. 5.1 기본구성 5 종의연결 (connectivity) : Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, Wi-SUN, LoRa(optional) 5

10 5.1.1 Process Management Main Loop 안에서동작하는관리기능및상태모니터링, 보고등을관리하는블록이다. 전원입력에서종료까지를담당하는블록으로 Alarm Process / Status monitoring / Report / Timer Control 을포함하고있다. 셋톱박스와의연결은 USB 통신방식을사용한다 UART Process 연결 (Connectivity) 과연동되는블록으로 Serial Port 인 ttyama 및 Rfcomm 을사용하기위한제어블록이다. ttyama, Rfcomm 은운영체제에포함된 Device Driver 를사용한다 ( 운영체제는 Debian 계열의리눅스를사용한다 ). 사물과의연결 (Connectivity) 입출력에대한기능을수행하며관리한다 JSON Message Process STB Control Block 에서전달되는 JSON Message 방식을처리하는블록이다. JSON Parser 와 JSON Builder 로구성되어있다 USB Proccess 셋톱박스내부에서데이터전송을처리하는블록이다. 운영체제에서제공하는 ttyusb Device Driver 를사용한다. I/F 로입력되는 XML 형식의메시지를받아서처리하는부분이며처리된데이터는 JSON Message Process Block 으로전달을관리한다 Serial I/F Selector Serial 로입력되는데이터를이기종연결 (Connectivity) 경로를선택하기위한블록이다. Bluetooth 는 Rfcomm 을사용하고다른연결 (Connectivity) 은 Serial Port(UART) 를사용한다 Path Selector 연결 (Connectivity) 을선택하기위한블록이다. 대부분의연결 (Connectivity) 은 Serial Port 를사용하도록설계되어있다. 물리적으로연결 (Connectivity) 을구분하도록스위치 (switch) 가장착되어있으며, 현재는 1:1 의연결경로 (path) 만제공한다 ( 추후소프트웨어스위치를사용하여자동선택을적용할예정 ). 5.2 메세지흐름 FRS 와셋톱박스간의 Message 는 onem2m 기준에따른다. FRS 의 CSE 와셋톱박스의 AE 간에연동을하며 onem2m 공통서비스기능을이용하기위한 API 는 OCEAN(Open alliance for IoT standard) 얼라이언스에서제공하는 API 로대신한다. 6

11 CSE: Common Service Entity AE: Application Entity FRS 의 CSE 와셋톱박스의 AE 간의메시지는 XML 메시지를사용한다. 셋톱박스 AE 는 XML 로전달받은메시지를분석하여 JSON 형태의메시지로변환한다. 이렇게변환된메시지는 STB Control Block 을통하여 FIR 과연결된사물들과연동하게된다. 이러한연동구조에서메시지의흐름은다음과같다. FRS 와셋톱박스간의 XML Message Request/Response 의예는다음과같다. 7

12 Request 의 Op 는 4 가지이며다음과같다. Create : Content 는생성된리소스의컨텐츠및어드레스정보 Retrieve : Content 는 Retrieve 요청리소스의정보및 Discovery 요청의결과다. Update : Content 는변경된리소스의컨텐츠정보 Delete : Content 는옵션으로삭제된리소스를가질수있다. 셋톱박스와사물간에 JSON Message Request/Response 의예는다음과같다. 5.3 프로토콜 FRS 와셋톱박스간의 XML 통신은 onem2m 표준을따른다. 이와는별도로 FIR Block 과사물간의공통된프로토콜을제공함으로써이기종연결 (Connectiviy) 또는여러종류의사물들의접근을용이하게한다. 손쉬운접근을제공하기위하여이기종 Connectivity 에서입력된서로다른프로토콜을 JSON 방식으로변환하여이를사물인터넷 (IoT) 프레임워크에전달한다. 이기종사물들은 16 Bytes 의고유 ID 를가지게되며이는 JSON 프로토콜중 ID 필드에위치하게된다. 기본프로토콜의구조는 기본프로토콜구조도에서설명한다. 8

13 5.3.1 기본프로토콜구조도 JSON 형식의경량프로토콜을사용한다. Name 과 Value 의형태로구성되어있으며총 3 가지의 Name(ID, Ctrl, Stat) 을가지고있다. Name 은고정된형태의데이터이며각각의 Name 에따른 Value 는유동데이터이다 ID Value a) FZ ID Funzin 고유 ID 로 2 Bytes 값을가진다. 0xF7D6 b) Reserved 향후기능확장을위해비워둔다. c) Vendor ID 셋톱박스기반의사물인터넷 (IoT) 프레임워크를사용하는사물협의체의고유 ID 이며, 이는신청순서에따라 2Byte 의고유 ID 2 Bytes(0x0000 0xFFFF) 를할당한다. d) Connectivity Connectivity 의고유 ID 2 Bytes(0x0000 0xFFFF) 를지정하여사용한다. Connectivity Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave Wi-SUN LoRa (Optional) Reserved Connectivity ID 0xC001 0xC002 0xC003 0xC004 0xC005 0xC006-9

14 e) Service Group onem2m 유스케이스 (TS-0001 참조 ) 를기준으로그룹을설정한다 ( 그룹화 ). Service Group Energy Enterprise Healthcare Public Service Residential Transportation Others Service Group ID 0x1000 0x2000 0x3000 0x4000 0x5000 0x6000 0x7000 f) Device Group 사물들을특성별로그룹화하여관리한다. Device Group Energy Light Camera Sensor Reserved Device Group ID 0x1000 0x2000 0x3000 0x g) UID 사물의 Serial Number 또는고유 ID, 4Bytes(0x0000 0xFFFF) Control Value a) On/Off 사물에대한제어값으로 On 은동작, Off 는비동작의의미를가지고있다. 동작의의미는켜다, 시작하다의의미와동일하며, 비동작의의미는끄다, 종료하다의의미와같다. b) Req 사물에대한동작, 제어등과같은상태를요구할때사용한다. 상태정보의요구혹은보고주기의변경등과같은요청사항이있을때사용한다. c) Rsp 사물이 Req 에의해보고될데이터가있을때사용된다. d) Rpt 사물이주기적으로보고해야할내용이나, 요구에의해보고해야할내용이있을때사용한다 Value a) Status Value 사물의현재상태정보를주기적으로전송하거나, 요청에의해사물의상태를전송할때사용한다. 예를들면 LED Bulb 의 On/Off 상태를일정주기간격으로전송하거나, 요청에의해전송함을의미한다. b) Report Value 사물이취득하거나, 수집한데이터를주기적으로전송하거나, 요청에의해전송할경우사용한다. 예를들면전기계량기의사용량을주기적으로취득하여전송하거나, 요청에의해사용량을취득하여전송할때사용한다. 5.4 Service Group 사물을이용한서비스의형태에따라구별된다. onem2m 의유스케이스인 TS-0001 을기준으로하여, 서비스그룹을정하였으며총 7 개의산업분야중셋톱박스가위치할수있는주거형서비스기준으로그룹화하였다. 10

15 5.4.1 에너지 에너지데이터수집및보고기능, 에너지기기의원격제어, 에너지기기의정보수집및정보전달, 에너지데이터의저장및공유를하는사물들이에너지서비스그룹에해당한다 엔터프라이즈 빌딩에셋톱박스가설치된환경에서의사물간의연결동작을수행하는사물들이엔터프라이즈서비스그룹에해당한다 헬스케어 심박센서 / 동작감지센서등과같은헬스체크센서들과융합된독거노인모니터링사물, 애완동물모니터링사물등이헬스케어서비스그룹에해당한다 공공서비스 가정의조명센서를이용한가로등제어, 근거리및동작센서를이용한보행자응급대응사물등이공공서비스그룹에해당한다 거주시설 가정용에너지관리, 전기차충전플러그관리등이거주시설서비스그룹에해당한다 교통 가정대가정의연결로서로감시해주는사물들이교통서비스그룹에해당한다 기타 이외정의되지않는시스템들은기타서비스그룹으로정리하며추가로그룹으로지정된시스템들은별도분리를진행한다. 5.5 기기그룹 5.4 를기준으로기기들을그룹화하여관리한다 에너지 수도, 가스, 전기사용량원격검침사물들과가스잠금장치와같은제어사물들이에너지기기그룹에속한다 조명 LED 벌브, 알람조명등과같이등화제어에관련된사물들이조명기기그룹에해당한다 영상 독거노인감시, 애완동물감시, 방범용 CCTV 와같은영상처리사물들이영상기기그룹에해당한다. 11

16 5.5.4 센서 온도 / 습도 / 동작 / 가스등등각각의센서가연동하여수행하는사물들이센서기기그룹에해당한다 기타 이표준에서구체적으로정의되지않았으나홈사물인터넷와연동하여동작하는사물들을위해확보하였으며그룹이생성되어추가될수있는사물도포함된다. 12

17 해설 이해설은본체및부속서에서규정하고있는사항에대하여단체표준 ( 이하, 표준 이라한다 ) 을적용하는데이해를돕고자주요내용을기술한것으로서표준의일부가아니며참고및보충자료로만사용한다. 1 제정의취지 최근사회각분야에서사물인터넷에대한관심이높아지고사물인터넷기술및환경을이용한새로운사업을모색하는노력이늘어나고있다. 구글, 아마존과같은해외유수의기업은물론국내에서도이동통신사들이앞장서사물인터넷기술개발과환경구축, 이른바에코시스템을만들어가기위해여러가지시도를하고있으며산업부문, 공공부문그리고특히홈사물인터넷분야에각사의역량을모으고있다. 하지만사물인터넷에대한지대한관심에도불구하고우리주변에서사물인터넷관련신기술의혜택을보기는쉽지않으며, 시장의뚜렷한성장이나실생활의지대한변화또한보이지않고있다. 여기에사물인터넷관련업계의고민이있으며홈사물인터넷분야도온도, 습도, 모션센서등의각종센서들의정보를받아집안환경을모니터링및제어하거나, 원격검침서비스를제공하는수준에서크게벗어나지못하고있으며킬러서비스의부재로인해홈사물인터넷자체의보급도늦어지고있다. 국내에서는통신사와삼성전자, LG 전자등을중심으로사물인터넷기기및플랫폼, 응용애플리케이션에대한기술개발이이루어지고있으나아직일부제품군에서만상용화단계이며시장을성장시키고에코시스템을만들기위해서는각분야의협업이필수적이다. 그러나다양한기술들사이에서연동및주요기업사이의이해관계로인해무엇보다중요한통합적플랫폼개발은진행되지못하고있는실정이다. 앞으로 4G 통신을넘어 5G 도입되면통신대역폭및속도가폭발적으로증가할것이며이를기반으로사물인터넷에코시스템을만들고홈사물인터넷를구현하기위해서는수많은사물인터넷기기들이연결될수있는소프트웨어, 하드웨어적통합플랫폼개발이반드시필요하다. 통합플랫폼은일부대기업뿐만아니라중견, 중소기업모두가참여할수있는환경을제공할수있어야하며이렇게개발된통합플랫폼에는여러가지형태의사물인터넷기기들이접속되어새로운가치를갖는서비스를제공하여야한다. 그리고다양한사물인터넷기기의원활한접속을위해서통합플랫폼과기기간접속에대한기술적표준이필요하다 년말이미국내 만가구에약 만대이상의셋톱박스가보급되어있으며셋톱박스는상술한통합플랫폼이운용될최적의장치후보중하나라고할수있을것이다. 본표준에서는셋톱박스를기반으로하는홈사물인터넷서비스프레임워크구축을위한이기종사물인터넷연결제어시스템에대한표준을정의한다. 2 제정경위 홈사물인터넷분야의허브역할을담당할개방형홈게이트웨이를개발하고그운용시스템및서비스프레임워크를개발하는 셋톱박스기반개방형홈사물인터넷서비스프레임워크기술개발 (2015~2017) 과제수행의일환으로참여기관과의공동연구의결과물중한형태로써, 이표준이작성되었다. 작성과정에서 onem2m 표준과의호환성을고려하였으며표준사물인터넷플랫폼확보를통해중복표준개발을방지하고기기접속표준화를통한제조사간의통신모듈상호호환성을제공하고자한다. 13

18 3 특허권등에관한제정경위 현재국내에출원및등록되어있는관련특허는없다. 14

19 단체표준 발간 보급 셋톱박스기반의사물인터넷다중연결제어시스템 한국전파진흥협회 서울특별시양천구목동중앙로13나길 3( 목동 124-1) (02) Fax (02)

20 SPSPSPS SPSPSP SPSPS SPSP SPS SPSP SPSPS SPSPSP SPSPSPS Set-top box based control system for multiple IoT devices connectivity

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN