기술 -2007-029 2007. 12 센서네트워크식별체계 동향분석및관리방안연구 2007. 12.
센서네트워크식별체계동향분석및관리방안연구 - i -
제출문 본보고서를 센서네트워크식별체계동향분석및관리방안연 구 의최종연구결과보고서로제출합니다. 2007. 12. 연구책임자 : 신용태 ( 숭실대학교교수 ) 참여연구원 : 박종일 ( 숭실대학교박사과정 ) 김보승 ( 숭실대학교박사과정 ) 이경화 ( 숭실대학교박사과정 ) 김진석 ( 숭실대학교석사과정 ) 이기영 ( 숭실대학교석사과정 ) 박종진 ( 숭실대학교석사과정 ) - ii -
서문 정보통신부는 IT-839 전략의 3대인프라중하나로 USN을선정하고센서네트워크에대한기술개발과연구를활발히진행하고있습니다. 또한센서네트워크는유비쿼터스환경구현을위한기반분야로써전세계적으로도그중요성이인식되어, IEEE와 IETF등국제표준기구들의주도로표준화및연구활동이빠르게진행되고있습니다. 센서네트워크기술은물류, 환경제어, 홈네트워크, 교통등다양한분야에서적용되고있습니다. 그러나기존기술은국지적인센서네트워크내에서의서비스가주를이루고있어 USN 서비스간상호연동및 USN 에서발생하는다양한정보의공동활용이요구되는실정입니다. 따라서광역의 USN로발전하기위해서는이종 USN 서비스간연동을위한표준화된식별체계와이를관리할수있는방안이시급히필요하다고사료됩니다. 본연구는 " 센서네트워크식별체계동향분석및관리방안연구 " 에관한최종결과보고서로기존센서네트워크기술에서센서노드나센서네트워크의식별및관리, 센싱데이터관리, USN 기반서비스간연동을위한 USN 식별체계를분석하고, 분석된결과를토대로식별체계를관리할수있는방안을마련하였습니다. 본연구가향후다양한 USN 분야의연구에기여함은물론기술발전에보다좋은결실을맺을수있는귀중한자료로사용되길바랍니다. 마지막으로본보고서가나오기까지많은노력을해주신본연구관계자들의노고에깊은감사를드립니다. 2007 년 12 월 한국인터넷진흥원 원장박승규 - iii -
요약문 센서네트워크는유비쿼터스환경구현을위한기반분야로써국내외에서많은연구개발이진행되고있으며, 그결과물류, 환경제어, 홈네트워크, 교통등다양한분야에서센서네트워크가적용되고있다. 이러한환경에서센서를통해수집된데이터들은체계적인분석과서비스간의상호연계를통해다양한 USN 서비스분야에활용될수있다. 그러나각서비스마다상이한프로토콜및통신기술을이용한개발이이루어지고있어상호정보공유가어려운실정이다. 또한기존센서네트워크내에서사용되는 MAC, IP 또는임의할당주소 (Address) 는통신을위한주소일뿐각노드및네트워크, 서비스를관리하기위한식별자 (Identification) 로써의기능을제공하지못하고있는실정이다. 따라서센서네트워크환경에서광역의 USN로발전하기위해서는이종 USN 서비스간구성노드, 네트워크, 서비스를식별하고, 수집된정보의검색, 관리를할수있는표준화된식별체계가필요하다. 본연구는 USN 식별체계개념정립및식별체계필요성을제시하고, 현존하는식별체계기술분석을통해 USN 식별체계관리방안마련을목표로하고있다. 본연구의내용은크게 USN 관련기술및표준화동향, 식별체계분석, USN 식별체계관리방안및참조모델제시로구성된다. 먼저 USN 관련기술및표준화동향에서는조사범위를 USN 통신에서의식별체계분석, USN 운영체제에서의식별체계분석, USN 데이터관리기술부문으로분류한후각영역별국내외의대표적인기술개발내용과현황및표준화동향을조사한다. 식별체계분석영역에서는앞서이루어진조사를토대로해당범위에서각기술부분별로세부기술에 - iv -
대하여식별체계및관리형태를분석한다. 끝으로, USN 식별체계관리방안및참조모델제시영역에서는이러한기술분석의결과를바탕으로식별체계및관리를위한요구사항을정의하였으며이러한요구사항을만족시킬수있는관리방안을제시하고, 시나리오를통한참조모델을제시한다. - v -
Summary The sensor network is under development in Korea and overseas as a fundamental area for the embodiment of ubiquitous environment now, and it is now being used in areas of logistic, environment control, home network and transportation. The collected data through the sensor may be used in various USN service areas with the connection to the systematic analysis and service. However the information share is difficult between services as they are being developed in the different form of protocol by the different communication technology. The MAC IP used in the existing sensor network or the temporary address only exist for the communication purpose, and it does not have a function of the identification to manage each node and network service. Thus the standardized system which identifies structural node between the USN service and network service, and to search and manage the collected information, is necessary. This study suggests the definition of the identification system of USN and its necessity, and has a goal of organizing the management of the USN identification system through the technological analysis. This thesis consists of the trend of the USN technology and its standardization and the analysis of the identification system, the management measure of the USN identification system and the suggestion of the reference model. First the survey range for the trend of USN technology and its standardization shall be the analysis of the USN communication s identification system, the USN management system s identification system and the management of the collected date technology, and the - vi -
trend of Korean and overseas details of development of the main technology and its standardization. The identification system and the management form of the detailed technology of each area have been analyzed based on the previous investigation for the area of the analysis of the identification system. Finally the identification system and demand for the management have been defined based on the result of the technology analysis in the area of the USN identification management measure and its model. The management measure to satisfy such demand and the reference model that has been observed through scenarios have been suggested. - vii -
목차 제1장서론 1 제1절연구의필요성 1 제2절연구목표 3 제3절연구내용및범위 5 제2장 USN 개요 7 제1절 USN 정의및구조 7 제2절센서네트워크식별체계 9 제3절센서네트워크프로토콜스택 11 제3장 USN 통신기술에서의식별체계 13 제1절 USN 통신기술연구및표준화동향 13 1. WLAN(Wireless Local Area Network) 13 2. WPAN(Wireless Personal Area Network) 21 3. ZigBee 30 4. 6LowPAN 33 5. Wireless Mesh Networks 36 제2절통신기술에서의식별체계분석 39 1. WLAN (IEEE 802.11) 39 2. Bluetooth (IEEE 802.15.1) 47 3. LR-WPAN (IEEE 802.15.4) 56 4. UWB (IEEE 802.15.4a) 68 5. ZigBee 74 6. 6LoWPAN 80 7. WiBEEM 92 제3절식별체계비교및분석 95 - viii -
제4장 USN 운영체제에서의식별체계 97 제1절 USN 운영체제연구및표준화동향 97 1. TinyOS 97 2. 나노 Qplus 99 제2절운영체제에서의식별체계분석 100 1. TinyOS 100 2. 나노 Qplus 105 제3절식별체계비교및분석 109 제 5 장 USN 데이터관리기술 110 1. sensorml 110 제6장 USN 식별체계관리방안 113 제1절 USN 식별체계필요성 113 제2절 USN 식별체계관리시스템 116 1. 시스템구성도 116 2. 시스템흐름도 118 3. 메타데이터관리시스템설계 121 4. USN 검색시스템설계 125 5. 센싱데이터시스템설계 129 제3절적용시나리오 133 제 7 장결론 136 참고문헌 139 부록 ( 용어설명 ) 144 - ix -
표목차 < 표 3-1> IEEE 802.11 TG 연구내용 20 < 표 3-2> IEEE 802.15 WPAN WG 산하의 TG 표준화현황 29 < 표 3-3> ZigBee 기술사양버전별차이점 30 < 표 3-4> 년도별 Zigbee 프로파일표준화현황 31 < 표 3-5> 6LoWPAN 표준현황 35 < 표 3-6> Frame Control 필드구성 46 < 표 3-7> Frame Control 필드값에따른주소필드형태 47 < 표 3-8> Access Code 필드구성 53 < 표 3-9> 코드타입에따른 LAP 주소변환 54 < 표 3-10> Frame Control 필드구성 64 < 표 3-11> UWB와여타통신기술과의비교 70 < 표 3-12> Ternary 코드 73 < 표 3-13> 네트워크깊이에따른오프셋값 78 < 표 3-14> IPv6 주소생성방식 81 < 표 3-15> 6LoWPAN Dispatch 코드패턴 87 < 표 3-16> HCI 인코딩에의한주소필드해석 90 < 표 3-17> 주소압축상태 90 < 표 3-18> HC_UDP 인코딩필드 92 < 표 3-19> 통신기술에서의식별체계 95 < 표 4-1> TinyOS의메시지 (TOS_Msg) 구성필드 103 < 표 4-2> TinyOS의주소구분 104 < 표 6-1> 사용형태에따른메타데이터구분 124 - x -
그림목차 ( 그림 1-1) 연구목표 3 ( 그림 1-2) 연구내용및범위 5 ( 그림 2-1) USN 구조 7 ( 그림 2-2) 센서네트워크기본구성도 9 ( 그림 2-3) 센서네트워크프로토콜스택 11 ( 그림 3-1) IEEE 802.15 WPAN 분야 22 ( 그림 3-2) IEEE 802.15.1 구조 24 ( 그림 3-3) IETF 6LoWPAN WG의작업범위 35 ( 그림 3-4) IEEE 802.11 프로토콜스택 ( 출처 : IEEE 802.11) 40 ( 그림 3-5) WLAN 인프라스트럭처네트워크 42 ( 그림 3-6) WLAN 애드혹네트워크 43 ( 그림 3-7) IEEE 802.11 MAC 프레임구조 44 ( 그림 3-8) Bluetooth 프로토콜스택 ( 출처 : IEEE 802.15.1) 49 ( 그림 3-9) Bluetooth 네트워크토폴로지 51 ( 그림 3-10) Bluetooth 장비간연결과정 52 ( 그림 3-11) 피코넷전송패킷프레임구조 53 ( 그림 3-12) Access Code 필드구조 53 ( 그림 3-13) BD_ADDR 필드구조 56 ( 그림 3-14) LR-WPAN 스택구조 57 ( 그림 3-15) LR-WPAN 네트워크토폴로지 58 ( 그림 3-16) 코디네이터로전달 60 ( 그림 3-17) 코디네이터로부터의데이터전달 61 ( 그림 3-18) LR_WLAN의일반적인 MAC 프레임구조 62 ( 그림 3-19) Frame Control 필드구조 63 ( 그림 3-20) LR-WPAN의 Beacon Frame 구조 66 ( 그림 3-21) LR-WPAN의 Data Frame 구조 66 ( 그림 3-22) LR-WPAN의 Acknowledge Frame 구조 67 ( 그림 3-23) LR-WPAN의 MAC Command Frame 구조 67 - xi -
( 그림 3-24) UWB의정의 69 ( 그림 3-25) IEEE 802.15.4a 주파수운용상황 71 ( 그림 3-26) UWB 프레임형태 72 ( 그림 3-27) SHR 프리앰블구조 73 ( 그림 3-28) ZigBee 프로토콜스택 74 ( 그림 3-29) ZigBee 네트워크토폴로지 76 ( 그림 3-30) ZigBee 통신방식 77 ( 그림 3-31) ZigBee 네트워크 16비트주소할당 79 ( 그림 3-32) WiBEEM 프로토콜스택 93 ( 그림 4-1) TinyOS 컴포넌트구조 101 ( 그림 4-2) TinyOS 로우 (raw) 메시지구조 102 ( 그림 4-3) TinyOS 메시지구조예 104 ( 그림 4-4) 나노 Qplus 계층구조도 105 ( 그림 5-1) SensorML의스키마 111 ( 그림 6-1) USN 식별체계관리시스템구성도 117 ( 그림 6-2) USN 식별체계관리시스템전체흐름도 ( 센싱데이터직접획득 ) 120 ( 그림 6-3) USN 식별체계관리시스템전체흐름도 (URI 를통한데이터획득 ) 120 ( 그림 6-4) 메타데이터관리시스템구조 124 ( 그림 6-5) USN 검색시스템구조 127 ( 그림 6-6) USN 검색시스템 URI 획득과정 128 ( 그림 6-7) 센싱데이터시스템메시지스키마구조 130 ( 그림 6-8) 센싱데이터시스템구조 131 ( 그림 6-9) USN 식별체계관리시스템적용시나리오 134 - xii -
제 1 장서론 제 1 절연구의필요성 1. 센서네트워크의적절한활용을위한연구자료의확충 정보통신부의 IT-839 정책에의해국내에서도센서네트워크에대한기술개발과연구가활발히진행되고있으며, 그결과물류, 환경제어, 홈네트워크, 교통등다양한분야에서센서네트워크가적용되고있다. 전세계적으로유비쿼터스환경구현을위한기반분야로써센서네트워크의중요성이인식되어, IEEE와 IETF 등국제표준기구들의주도로표준화가빠르게진행되고있다. 그에발맞추어국내에서도센서네트워크와관련된연구및표준화가진행중에있으나센서네트워크식별체계에대한연구와표준화활동은미비한실정이다. 따라서센서네트워크의활용효과를극대화하고, 국내센서네트워크관련기술개발과표준연구를위한기초자료로써, 현재해외에서진행중인센서네트워크식별체계기술및표준화동향을조사하고분석하는것이필요하다. 2. 선도적인유비쿼터스환경을마련하기위한센서네트워크 식별체계정립 센서네트워크에사용되고있는식별체계는물리계층, 데이터링크계층, 네트워크계층등각계층에서사용하는주소체계가있으며, 센서노드를통해획득한환경정보의처리및저장과관련된센서네트워크의운영체제와데이터베이스에적용되는식별체계가있다. 각각의통신구조, 운영체제와데이터베이스설계목적에따라상이한형태의식별체계를사용하고있으며, 센서네트워크식별체계에만국한된것이아니라통신 - 1 -
계층또는관리기술에따라포괄적으로진행되고있다. 따라서국내의다양한산업환경에맞는센서네트워크적용및관리기술마련을위해, 현존하는센서네트워크의다양한식별체계를체계적으로분석하여센서네트워크식별체계의정립요구사항을분석하고, 센서네트워크식별체계로부터관리가필요한식별체계를도출해야한다. 3. 센서네트워크활용을위한효율적인식별체계관리방안필요 센서네트워크는적용분야에따라다양한데이터처리방식과망구성방식이존재하기때문에단일표준으로써구현되기어렵다는문제점을갖는다. 그러나각분야별로센서네트워크를적용하기위한연구는지속적으로진행되어왔으며, 그결과산업의다양한분야에센서네트워크를적용할수있게되었다. 센서네트워크가산업전반에걸쳐활용된다고하더라도, 각환경에따라독립적인네트워크를형성하는것이기때문에, 유비쿼터스환경구현을위해서는각분야에서개별적으로활용되고있는센서네트워크들을전체적으로통합운영할수있는연동방안및그와관련된연구가요구된다. 따라서센서네트워크에서발생하는데이터의처리ㆍ저장ㆍ전달에필요한식별체계를적절히활용할수있는관리체계구축이필요하며, 이를통해다양한 USN 서비스연동과신규인터넷서비스추진에활용할수있는바탕을마련해야한다. - 2 -
제 2 절연구목표 본연구의목표는 USN의식별체계개념을정립하고, 현존하는식별체계기술분석을통해국내환경에적합한 USN 식별체계관리방안을마련하는데있다. 이를효과적으로수행하기위하여 ( 그림 1-1) 과같이세부목표를나누어수행한다. ( 그림 1-1) 연구목표 1. USN 식별체계개념정의및필요성제시 가. USN 및식별체계의개념을정의하고기본구조및기술요소를조사 한다. 나. 현재운영되는 USN 서비스의문제점을도출하고, USN 에서식별체계의 필요성을제시한다. - 3 -
2. USN 통신기술에서의식별체계분석 가. ISO, IEEE, IETF 등국제표준기구와센서네트워크산업계의연구 연합체등에서진행되는센서네트워크와관련된연구및표준화동향 을조사한다. 나. 조사된표준화및관련기술을바탕으로통신에서사용중인 USN 식별체계를분석한다. 3. USN 운영체제에서의식별체계분석 가. 국내외다양한분야에서진행중인센서네트워크운영체제와관련된 연구및표준화동향을조사한다. 나. 조사된표준화및관련기술을바탕으로운영체제에서사용중인 USN 식별체계를분석한다. 4. USN 데이터관리기술 가. 센서네트워크를통해획득한데이터의처리및저장을위한데이터 관리기술표준화동향을조사한다. 5. 센서네트워크식별체계관리방안및참조모델제시 가. 현존하는센서네트워크의다양한식별체계를체계적으로분석하여 센서네트워크식별체계요구사항을도출한다. 나. 국내환경에적합한센서네트워크식별체계관리방안을마련한다. - 4 -
제 3 절연구내용및범위 본연구의내용및범위는 USN 통신기술에서의식별체계, USN 운영체제에서의식별체계, USN 데이터관리기술분야로지정한다. 각분야별로관련기술및표준화동향을살펴보고, 현재 USN에서가장주목을받고있는기술의식별체계연구및표준안을분석한다. 분석된자료를바탕으로식별체계관리를위한요구사항을도출하고, 궁극적으로는 USN 식별체계관리방안및참조모델을제시하도록한다. 본연구에대한내용및범위를도식화하고세부항목별로기술하면 ( 그림 1-2) 와같다. ( 그림 1-2) 연구내용및범위 - 5 -
1. USN 관련기술및표준화동향분석 가. 통신기술, 운영체제, 데이터관리기술의센서네트워크연구와표준화를 진행하는국내외표준기관들에대해조사하고, 진행중인표준화내용 및기술을분석한다. 2. USN 식별체계분석 가. 센서네트워크연구와표준화동향에대한조사를바탕으로현재센서 네트워크의대표적기술을선별하고, 이러한기술분야에서식별체계의 적용여부와적용에따른관리형태를조사, 분석한다. 3. USN 식별체계관리방안제시 가. USN 식별체계분석자료를바탕으로식별체계관리를위한고려사항 및요구사항을도출한다. 나. 도출된요구사항을만족하는 USN 식별체계관리방안및참조모델을 제시한다. - 6 -
제 2 장 USN 개요 제 1 절 USN 정의및구조 USN이란 " 다양한센서노드로부터수집된사람, 사물및환경정보를인식하고저장, 가공, 융합하여언제, 어디서, 누구나이용할수있는정보통신인프라 " 이다 [1]. USN은유비쿼터스시대실현을위한가장대표적인핵심기반기술로, 물류, 유통, 환경감시, 의료서비스, 주거공간의홈네트워크화, 산업모니터링등의다양한형태의서비스에활용되고있다. 아직까지핵심기술발전의미비와경제적측면에서활성화가되지못하고있으나, 향후다양한분야와접목되어단순한통신네트워크의개념이아닌고도의생활복지를실현시킬수있을것으로전망되고있다. 해외의센서네트워크관련연구를보면, 일반적으로 USN 대신 WSN(Wireless Sensor Network) 라는개념을사용하고있다. ( 그림 2-1) USN 구조 - 7 -
USN의구조는 ( 그림 2-1) 과같이정보자원계층, BcN 백본및액세스네트워크계층, 미들웨어계층, 응용서비스계층으로구성된다. 정보자원계층에서는주변환경의정보를획득하여이를상위계층으로전달하는역할을수행하며, 센서노드와싱크노드를구성요소로한적정규모의센서네트워크를구축한다. 정보자원계층으로부터전달되는환경정보는게이트웨이와미들웨어를통해각종응용분야로전달된다. - 8 -
제 2 절센서네트워크식별체계 센서네트워크는유비쿼터스컴퓨팅구현을위한기반네트워크로초경량, 저가격, 저전력의많은센서들로구성된무선네트워크이다 [2][5]. 센서네트워크는기본적으로센서노드 (Sensor Node), 싱크노드 (Sink Node) 또는게이트웨이 (Gateway) 로구성된다. 각각의센서노드에서센싱된데이터는싱크노드에의하여수집되어인터넷등의외부네트워크를통하여사용자에게제공된다. ( 그림 2-2) 는이러한센서네트워크의기본적인구성도를나타낸다. ( 그림 2-2) 센서네트워크기본구성도 센서노드는사물의인식정보나주변의환경정보 ( 온도, 습도, 오염정보, 균열정보등 ) 를감지하고, 감지된정보를통합적으로처리한데이터를유무선통신기술로전달하는역할을한다. 싱크노드는센서태그또는센서노드가외부네트워크와통신하기위해접속하는중계역할을한다. 센서노드는센서네트워크로전달된서비스요구또는이미설정한조건에따라생성된정보를싱크노드로전달하고해당정보는감지된초기데이터또는주변센서노드간의커뮤니케이션에의해가공된형태로싱크노드에전달된다. 싱크노드로전달된정보는사용자의서비스에대한 - 9 -
응답으로사용되거나통계적인자료로활용된다. 센서네트워크는유비쿼터스환경구현을위한기반분야로써현재유통, 물류, 환경제어, 홈네트워크, 교통, 국방등다양한형태의서비스에활용되고있다. 이러한서비스들은서로다른요구사항에따라다양한형태의개발및관리가이루어지고있어상호정보공유가어려운실정이다. 이런환경에서서비스마다다른정보교환방법을사용하는것은사용자들에게불편함을줄뿐만아니라유비쿼터스서비스활성화의장애요인이된다. 따라서사용자와서비스간의원활한정보공유를위한표준화된식별체계가필요하다. 여기서말하는식별체계란 USN에서각종물리적개체, 네트워크, 서비스유형등을구별할수있도록부여된유일한식별자로써객체관리, 위치결정과접근에필요한정보, 상호연동을위한서비스관리방안등이모두포함된다. 초기센서네트워크는단일환경하에서연구가진행되었지만다양한환경에서그활용범위가넓어지면서, 서로다른환경에서제공할수있는서비스를위한식별체계가사용되고있다. 향후글로벌센서네트워크환경에서는관리와이동기능을제공하기위해더욱더다양한센서노드가사용될것이다. 따라서이질적이고복잡한센서환경에서획득한정보를체계적으로유지ㆍ관리할수있는식별체계기술에대한연구및표준화와관리방안이요구된다. - 10 -
제 3 절센서네트워크프로토콜스택 센서네트워크의프로토콜스택 (Protocol stack)[2][3][39] 은 ( 그림 2-3) 과같이물리계층 (Physical layer), 데이터링크계층 (Data Link layer), 네트워크계층 (Network layer), 전송계층 (Transport layer), 그리고응용계층 (Application layer) 에따라각계층별역할구분이되어있으며, 관리영역에따라전력관리평면 (Power Management Plane), 이동성관리평면 (Mobility Management Plane), 작업관리평면 (Task Management Plane) 으로나뉜다. ( 그림 2-3) 센서네트워크프로토콜스택 센서네트워크프로토콜스택의각계층별역할은다음과같다. 물리계층은신호감지, 변복조, 데이터암호화, 반송파생성등실제물리적인신호전송을담당하는계층이다. 센서네트워크의물리적인신호전송을위한주파수대역은송수신형태 - 11 -
및기능에따라다양한형태로이루어져있으며국가 ( 지역 ) 별로주파수분배를달리사용하고있다. 국내에서는 900MHz, 2.4GHz 무허가주파수대역인 ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수들이많이사용되고있다. 데이터링크계층은 3장에서다룰 USN 통신에서사용하는식별체계를가지고있는계층이다. 데이터흐름및프레임탐지, 데이터흐름간의접근제어및오류제어를담당한다. 네트워크계층은서로다른종류의센서네트워크로구성된외부네트워크와통신할수있는인터네트워킹을제공하고, 전달되는데이터의라우팅을담당하는계층이다. 전송계층은응용계층으로데이터전송시데이터흐름유지및신뢰성있는전송을담당하는계층이다. 응용계층은사용자를위한서비스를제공하기위한응용및센서네트워크의효율적인운영을위한관리를담당하는계층이다. 감지되는작업에따라여러종류의응용소프트웨어가형성될수있고이러한소프트웨어들은응용계층위에사용될수있다. 센서네트워크프로토콜스택의관리영역에따른각평면의역할은다음과같다. 전력관리평면은물리계층에서응용계층에걸쳐센서노드간의전력, 이동성, 작업배분을감지하고, 저전력을소모하여작업하는것을돕는다. 이동성관리평면은각계층에서센서노드들이제한적으로이동될때최소의토폴로지변화와최대한으로지속적인흐름을유지하기위한노력및이동시주변의노드발견, 동기화하는역할을한다. 작업관리평면은각계층에걸쳐센서네트워크의작업유형에따른매체접근방식, 스케쥴링, 경로설정및트래픽특성을고려한흐름제어등을담당한다. - 12 -
제 3 장 USN 통신기술에서의식별체계 제 1 절 USN 통신기술연구및표준화동향 USN의기반기술인센서네트워크에대한표준화는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 와 IETF(Internet Engineering Task Force), ZigBee Alliance 등을통해가활발히이루어지고있다. 특히, IEEE 802 LAN/MAN 위원회에서는 ISO(International Organization for Standardization) 에서규정된 7계층으로구성되는 OSI(Open Systems Interconnection) 기본참조모델의물리계층과데이터링크계층을대상으로, IETF(Internet Engineering Task Force) 에서는네트워크계층 [4] 이상을대상으로연구및표준화활동이진행중이다. 본절에서는무선네트워크관련분야에서센서네트워크에대한대표적기술인 IEEE 802 위원회의 WPAN, WLAN과네트워크계층기술인 6LoWPAN, ZigBee 그리고최근각광받고있는무선메시네트워크에관한국내외연구및표준화동향에대해살펴본다. 1. WLAN(Wireless Local Area Network) IEEE 802.11[7] 은 1997년 7월에 IEEE 위원회에서승인된 WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템의 PHY 및 MAC 규격을표준화하는 WG(Working Group) 이다. IEEE 802.11은산업, 과학, 의료용인 2.4GHz 대역을이용해하나의 MAC 계층 (Media Access Control layer) 과세종류의 PHY( 물리 ) 계층기술로구성되어있다. 이중데이터링크계층은하위에위치한 LAN 특유의 MAC 계층과 MAC 계층의상위계층에위치한 LLC(Logical Link Control) 계층으로구성된다. WLAN은여러연구분야에따라다수의 TG(Task Group) 들로구성된다. IEEE 802.11 WG의각 TG 별연구활동을살펴보면다음과같다. - 13 -
1) TG 11a IEEE 802.11a[9] 는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) 을적용하여최대 54Mbps의전송속도를지원할수있도록 PHY 계층을정의하였다. 5GHz 대역주파수를사용하는 802.11a 표준에서주목할부분은유럽과일본의 5GHz 주파수대역에레이더의사용으로인해전파간섭을회피하기위한방법으로송신출력제어 (Transmitter Power Control) 과동적주파수선택 (Dynamic Frequency Selection) 방식을표준에포함했다는점이다. 2) TG 11b IEEE 802.11b[8] 는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 를이용해 1~2Mbps 전송속도를제공하고, CCK(Complementary Code Keying) 를통해 5.5, 11Mbps의전송속도를지원하도록설계되었다. 주파수는 2.4GHz를이용하고, 초기무선LAN 활성화에기여한제품이 802.11b 표준을이용한기기이며, 국내에서는 KT 네스팟으로대표되는무선 LAN 서비스에이기술이활용되었다. 3) TG 11g IEEE 802.11g[10] 는 2003년완료된표준으로, 2.4GHz 주파수대역에서 OFDM을적용해최대 54Mbps의전송속도를지원한다. 802.11g는 2.4GHz 대역에서 802.11b와호환성을유지하기위해 DSSS 기술과 CCK, 그리고 802.11a의 OFDM 방식중에서 6, 12, 24Mbps를필수사항으로채택을하였다. 또한 802.11b로부터 802.11g의프레임을보호하기위한보호메커니즘이추가되었다. 4) TG 11j IEEE 802.11j[7][12] 는지난 2002 년일본에할당한 4.9~5GHz 대역을이용 해무선접속서비스를제공하기위한것으로, 2002 년하반기에 802.11a 를 - 14 -
기반으로 OFDM 을적용해최대 54Mbps 의전송속도를지원하는표준을 개발했으며, 2004 년표준화가완료되었다. 5) TG 11n IEEE 802.11n[7][12] 은차세대무선 LAN의새로운표준을만들기위해 WNG(Wireless Next Generation) SC(Standing Committee) 에서만들어진 SG(Study Group) 으로, 2002년 5월 HTSG(High Throughput Study Group) 의구성을승인받고, 2002년 9월회의를첫시작으로, 2003년 9월회의부터 802.11n이라는 TG로정식활동을시작했다. 802.11n은 PAR(Project Authorization Request) 를통해액세스포인트 (Access point) 에서적어도 100Mbps의전송속도를지원하는차세대무선 LAN 요소기술을표준화범위로정의하였다. 이를위해다중안테나를이용해주파수효율을증가시키는 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방식과공간분할다중접속 (SDMA) 방식, 이밖에도적응형변조기술 (Adaptive OFDM) 등이고려되었다. 802.11n은 PHY뿐만아니라 MAC 계층을동시에고려해 11a와 11g의호환성을제공한다. 2006년 1월 11n의첫표준초안, 802.11n/D0.01버전이마련되었고, ETRI를비롯한국내기업의활동이두각을나타내고있다. 6) TG 11e IEEE 802.11e[7][12] 는 802.11 MAC 계층에서지원하는다양한 QoS 향상을목적으로만들어졌다. MAC 계층접속방식에서대기시간이긴문제등을개선하기위해 2005년에 EDCF(Enhanced Distributed Coordination Function) 를표준화하였다. QoS 향상을위해 EDCF라는경쟁기반의채널접속방식과 PCA(Polled Channel Access) 라는폴링채널방식을함께사용한 HCF(Hybrid Coordination Function) 채널접속방식을제안하였다. - 15 -
7) TG 11f IEEE 802.11f[7][12] 는 IAPP(Inter Access Point Protocol) 라는서로다른액세스포인트제품들간의상호호환성을유지하면서핸드오프 (Hand off) 를지원하기위한최소한의액세스포인트간통신규약과프로토콜을정의하는것을목표로 2003년표준화가완료되었다. 8) TG 11h IEEE 802.11h[11] 는 11a의시스템성능향상과 5GHz 대역을사용하는무선 LAN 규격이레이더와같은간섭을회피할수있도록동적채널선택 (DFS, Dynamic Frequency Selection) 및송신전력제어 (TPC, Transmit Power Control) 등을포함하는표준화로 2003년에완료되었다. TG 11h는유럽의무선 LAN 규격인 HIPERLAN/2(HIgh PErformance RadioLAN type 2) 등과의공존을꾀하기위해발족한 WG이다. 유럽의표준화단체인 ETSI/BRAN(European Telecommunication Standards Institute/ Broadband Radio Access Networks) 와깊이관여해활동하고있다. 9) TG 11i IEEE 802.11i[7][12] 는보안과관련된 TG 로, Security 와인증메카니즘을 개발하여 2004 년표준화가완료되었다. 10) TG 11k IEEE 802.11k[7][12] 는기존표준이무선 LAN의라디오자원측정에있어서, 내적인부분만을다루고있는것에대해외적인부분, 예를들면, 로밍, 공유등까지포함해무선자원을측정하고관리하기위한작업을수행한다. 이것은외적인자원으로부터서비스를관리하기위해필요한측정결과와정보를제공하기위해필요하며 2006년 3월에승인되었다. - 16 -
11) TG 11REVma IEEE 802.11REVma[7][12] 는유지변경 (maintenance change) 이라고도하며, 802.11의 1999와 2003 버전의 PAR를개정하는작업을수행한다. 일정기간동안축적된편집과기술적인부분을교정하는 TG로, 2006년 4월에승인되었다. 12) TG 11p IEEE 802.11p[7][12] 의 PAR를통해운송수단과도로장치간에 5GHz 주파수대역을사용해통신하는 ITS(Intelligent Transportation System) 의 PHY/MAC 기술을표준화하는 WG으로 2006년 5월에승인되었다. 13) TG 11r IEEE 802.11r[7][12] 의목적은빠른로밍 (roaming) 을제공하기위한것으로 BSS(Basic Service Set) 변환동안발생하는 Station(STA) 과 Distribution System(DS) 간의시간정보에대한자료의양을최소화하거나제거함으로써, IEEE 802.11 MAC 계층을제한하고향상시키는것이다. 802.11r은기준시간이나시간조건등을연구하고, IEEE 802.11 ESS 내에서 BSS 전환을향상시키고, VoIP와같은응용을제공하기위해실시간을지원하기위한목적을가지고있다. 2006년 4월에승인되었다. 14) TG 11s IEEE 802.11s[7][12] 는자기구성 (self-configuring), 멀티홉 (multi-hop) 기술을사용하는액세스포인트간에멀티캐스트 (multicast) 와유니캐스트 (unicast) 를지원하기위해, IEEE 802.11 PHY/MAC 계층을이용해 IEEE 802.11 Wireless Distribution System(WDS) 에서 IEEE 802.11 ESS 메시네트워킹 (Mesh Networking) 을개발하기위한 WG이다. IEEE 802.11(2003 edition) 표준은 WDS를생성하기위해액세스포인트간에교환하는데이터패킷에대해 4개의주소프레임포맷을제공한다. - 17 -
15) TG 11t IEEE 802.11t[7][12] 는 WPP SG(Wireless Performance Prediction Study Group) 라는 SG로시작해, 2004년 PAR 승인을얻었고, 현재 TG 11t로활동하고있다. 802.11t가활동하게된배경은 IEEE 802 프로젝트에 IEEE 802.11 장비와시스템과관련해제조업체나판매자를평가할수있는그어떤측정방법도없었기때문이었다. 따라서판매나그밖의관련자들은현재, 실험조건이나표준측정방법없이전도성성능시험 (conduct performance tests) 만을수행하고있다. IEEE 802.19에서서로다른 802 장비나프로토콜간의공유이슈를다루고있지만, 802.11 장비의성능을위한측정방법등은명확히다루고있지못한실정이다. 무선네트워크의성능을분석하고예측하기위해서는측정방법에대한요구가필수적이었다. 이와유사한역할을하는 IEEE 802.11k는무선 LAN 프로토콜과관련된변화와측정등을정의하고있다. 이와같이 TG 11t에서는 IEEE 802.11 장비에대해측정구성도와측정방법등을제공하면서, 신뢰성을향상시킬수있다. 802.11t를통해개발되는방법론의활용대상자는 IT 관리자와측정연구실, 시스템설치자와 802.11 장비사용자뿐만아니라, 802.11과연동하는소프트웨어, 칩셋개발자등이포함된다. 16) TG 11u IEEE 802.11u[7][12] 는외부네트워크, 예를들면 IETF, 3GPP 그리고 3GPP2 등과상호작용을제공하기위한표준으로, 2004년 12월에 PAR 승인을받았다. PAR의주요내용은 IEEE 802.11 PHY/MAC과다른네트워크와의상호작용이가능하도록무선인터페이스 (air interface) 와관련규정을개정하는것이목적이다. 이와관련해 IEEE 802.21(Media Independent Handover) 는 IEEE 802 무선기술과셀룰러네트워크간의핸드오프를비롯한다양한무선시스템간의핸드오프를연구하고있다. - 18 -
17) TG 11v IEEE 802.11v[7][12] 는 Wireless Network Management라는현재 IEEE 802.11에서사용하는 SNMP(Simple Network Management Protocol) 에대한문제점파악과이의해결을위한연구가진행되고있다. 18) TG 11w IEEE 802.11w[7][12] 는 2005년 3월 20일 PAR의승인을받고, 데이터축적, 데이터신뢰성, 재생보호그리고데이터의기밀성등을보장하기위한메카니즘을제공하기위해 IEEE 802.11 MAC을향상시키기위한연구를추진하고있다. 19) TG 11y IEEE 802.11y[7][12] 는 3,650~3,700MHz 주파수대역에서브로드밴드 무선서비스 (Broadband Wireless Services) 를연구하고있다. < 표 3-1> 은각 TG 의연구내용을종합하여요약하고있다. - 19 -
< 표 3-1> IEEE 802.11 TG 연구내용 TG 표준화대상업무 진행상태 802.11a OFDF at 5GHz - 802.11의속도를 5GHz 대역에서최대 54Mbps까지확장 - OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술을사용 1999 완료 802.11b High Rate DSSS at 2.4GHz - 802.11의속도를 2.4GHz 대역에서최대 11Mbps까지확장 - HR-DSSS 기술사용 1999 완료 802.11c MAC Bridge Operation - 802.1d에서 802.11 프레임을지원, 브리지기능을강화하기위한 MAC 기능수정 1998 완료 802.11d Global Harmonization - 지리적규제영역을넘어서로밍을가능하게한규격 2001 완료 802.11e Enhancement for QoS (Quality of Service) - QoS 보장 / 향상을위한일련의 MAC 기능의향상 2005 완료 802.11f Inter Access Point Protocol - AP 상호간에로밍 2003 완료 802.11g - 802.11b 를최대 22 또는 54Mbps 등고속의동작을위한확장표준 2000 완료 802.11h MAC & PHY for Spectrum Measurement -Dynamic Frequency Selection & Transmit Power Control - 동적채널선택 (DFS, Dynamic Frequency Selection) 및송신 전력제어 (TPC, Transmit Power Control) 등제안 - 유럽지역에서의 5GHz 대역규제를만족하기위한성격이강함 2003 완료 802.11i Security Enhancement - 802.11 MAC에대한보안및인증메커니즘확장 (Enhanced MAC security) - AP 간에핸드오프환경하에서도견고한실시간보안제공등 2004 완료 802.11k Radio Resource Measurement - 핸드오프시점을알려주는무선자원관리 (Radio Resource Management) - 다양한물리계층이갖는전파자원에대한측정기능의향상등 드래프트진행중 802.11n Enhancements for Higher Throughput - 차세대무선 LAN (MAC 부계층에서 100Mbps 이상의처리율 ) 드래프트진행중 - 20 -
2. WPAN(Wireless Personal Area Network) 유비쿼터스네트워킹에대한요구가증대하면서가정내가전기기, 사무기기및각종정보기기를근거리에서배선의설치없이연결시켜주는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 기술이주목받고있다 [13]. WPAN은유비쿼터스네트워킹의초경량, 저전력, 저비용에적합한기술로이에관한표준화와기술개발이전세계적으로활발히진행되고있다. 최근 IEEE 802.15 WG(Working Group) 을비롯한 Bluetooth SIG(Special Interest Group), ZigBee Alliance, WiMedia Alliance, UWB(Ultra Wide Band) Forum 등을중심으로 WPAN의물리계층, 데이터링크계층, 네트워크계층및응용에대한연구및표준화작업이진행중이다. 더불어 IETF(Internet Engineering Task Force) 의 6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN) WG에서 IEEE 802.15.4 기반의 LR-WPAN과 IPv6 연동에대한표준화작업이진행중이다. WPAN은랩탑 PC, PDA 등개인휴대용디지털전자기기의발전으로인해이들기기간의네트워크요구에의해등장하였다. 그리고 IEEE의표준화기구와는별도로업계들의 SIG(Special Interest Group) 위주로정립된홈RF나블루투스등과의공존및상호연동의필요성등에의해본격적으로주목받기시작하였다. 1998년에결성된블루투스 SIG가 WPAN 연구의기폭제가되어 IEEE 802를중심으로 WPAN 연구가활발하게진행되어왔다. 1998년에는기존의 WLAN과다르게저전력소비와단순한구조를가지면서 POS(Personal Operating Space) 에서무선접속을제공할수있는표준을제정하기위해 WPAN SG(Study Group) 가결성되었으며, 1999년에 IEEE 802.15 WG이만들어졌다. 이들 IEEE 802.15 WPAN WG을중심으로 Bluetooth SIG(Special Interest Group), ZigBee Alliance, WiMedia Alliance, UWB Forum 등이서로협력하여 WPAN 무선접속표준화작업을진행하고있다. 1998년 3월, IEEE 802.11 WLAN(Wireless Local Area Network) WG에서저전력소모와 - 21 -
복잡도가낮은 POS(Personal Operating Space) 영역에서무선접속을제공할수있는표준의필요성이제기되면서이를연구하기위해 WPAN (W ireless Personal Area Network) SG(Study Group) 을만들었다. 이후 1999년 3월 WPAN에본격적인연구개발을목표로 IEEE 802 LMSC (LAN/MAN Standards Committee) 총회를거치면서 IEEE 802.11 WLAN에서분리하여독립적인 IEEE 802.15 WPAN WG이탄생하였다. IEEE 802.15 WG은 WPAN(Wireless Personal Area Networks) 또는단거리무선네트워크를위한표준을제정하는것을목표로한다. WPAN 은 PC, PDA, 셀룰러폰등의무선이동기기간의통신을가능하게하며, 다른무선통신기술에비해에너지소비가낮고저가이기때문에센서네트워크에도입되기에적합한통신기술로부각되고있다. 특히, IEEE 802.15.4 표준은센서네트워크에서가장적합한통신기술로인정받고있으며, 현재 ZigBee와 6LoWPAN의 MAC(Medium Access Control) /PHY(Physical layer) 표준으로사용되고있다. WPAN은 ( 그림 3-1) 과같이여러연구분야에따라다수의 TG들로구성된다. ( 그림 3-1) IEEE 802.15 WPAN 분야 - 22 -
IEEE 802.15 WG의각 TG 연구활동을살펴보면다음과같다. TG 15.1과 TG 15.2는 Bluetooth 기술규격과무선네트워크간의상호운용성에관해각각규정하고있다. TG 15.3은 HR-WPAN 에대한 MAC 및 PHY에대한표준화를, TG 15.4는 ZigBee 에대한 MAC 및 PHY에관한표준화를수행하고있다. TG 15.3a와 TG 15.4a는기존 LR-WPAN 의 PHY(24GHz, 868/915MHz) 대신 UWB PHY를활용하는 WPAN 네트워크에대한표준화를추진하고있다. 그리고 TG 15.4b는 LR-WPAN의초기버전에서구조개선, 보안키융통성향상, 새로운가용주파수할당등을보완하는표준작업을진행하고있다. 1) TG 15.1(Bluetooth) TG 15.1은 Bluetooth SIG(Special Interest Group)[14] 기술규격을 IEEE 기술표준에맞도록변환하는작업을수행하며다양한네트워크간의무선연결에관한 MAC 및 PHY 계층의규격화에초점을맞추고있다. Bluetooth 기술은 2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수대역을사용하며, 최대 1Mbps 전송속도를지원하며출력이 1mW(class3) 에서는약10m까지, 출력이 100mW(class1) 에서는 100m까지통신이가능하다. 2001년 3월에발표된 Bluetooth v1.1규격을기초로 IEEE 802.15.1 표준안작업을완료하고, 현재는 Bluetooth v1.2규격에대한검토를수행하고있다. ( 그림 3-2) 는 IEEE 802.15.1의구조를보여주고있다. 2) TG 15.2(Coexistence) TG 15.2는무선네트워크시스템이 2.4GHz ISM 주파수대역을공동으로사용함으로서발생할수있는충돌및간섭을방지하고, 상호공존하기위한방안을연구한다. WLAN과 WPAN의상호운용성을유지하기위한모델과규격표준화작업을수행하여 WLAN, Bluetooth 및 Home RF가공존할수있도록상호간섭의영향을최소화하는연구방안을제시하고있다. - 23 -
( 그림 3-2) IEEE 802.15.1 구조 3) TG 15.3(WPAN High Rate) HR-WPAN 분야로써 TG 15.3은 24GHz ISM 대역에서근거리고속전송이가능한무선네트워크규격으로 20Mbps 이상의 HR-WPAN의 MAC 및 PHY에대한표준규격을연구하였으며, 5~55m 정도의근거리에서무선단말들사이의초고속멀티미디어전송을목표로 2003년 8월에표준규격을완료하였다. TG 15.3 규격이완료된후고품질의동영상서비스및초고속분배시스템등에서대용량멀티미디어데이터를보다효율적으로지원하기위해서새로운물리계층연구가필요하게되었고, 이에새로운물리계층의연구분야로 TG 15.3a와 TG 15.3c가구성되어물리계층에대한연구를진행하고있다. 4) TG 15.3a(High Rate alt. PHY UWB) IEEE 802.15.3a[17] 는 WPAN의초고속전송을위한 Alternative PHY 즉, 새로운 PHY를개발하기위한 TG로서 802 무선 PHY들과의공존은물론 100Mbps 이상의데이터를전송하기위한기술로사실상 UWB에 - 24 -
초점을맞추어연구가이루어졌다. UWB는초단시간펄스를사용함으로서약 500MHz 이상의광대역을점유하면서도단독적으로데이터를전송할수있는기술이다. 1998년 9월, 타임도메인사 (Time Domain) 는미국 FCC에청원서를통해그동안군통신으로만이용되었던 UWB의도입을요청하였고, FCC는 2000년 5월 NPRM(Notice of Proposed Rule Making) 을통해 2002년 2월 UWB 관련첫 Report & Order를공표하였다. 대상주파수대역은 3.1~10.6GHz이다. 이와동시에 IEEE 802.15.3a는본격적인표준화작업을위해 10m 이내에서 110~480Mbps 이상의전송속도를제공하는 Alternative PHY에대한제안서를 2003년 5월까지접수하였다. 총 23건의제안서가접수되었고크게 MB-OFDM(Multi-Band OFDM) 과 DS-UWB(Direct-Sequence UWB) 로나뉘었다. MB-OFDM 제안서는 OFDM 방식을기본변복조방식으로채택을하여 7.5GHz의 UWB 대역폭을 528MHz씩총 13개의부밴드로나누어복수개의밴드들간을주파수도약방식으로이동하면서신호를송수신할수있도록하였다. 반면에 Xtreme-Spectrum사와모토롤라가주도적으로이끌어가는 DS-UWB 제안서는 7.5GHz UWB 대역폭을 5GHz 대역의무선랜을보호하기위해 UNII(Unlicensed National Information Infrastructure) 밴드를중심으로두개의서브밴드로나누어사용하도록제안하였다. 2003년 5월에처음접수된표준화제안서는표준화제안서간의 Merge 와 Elimination Voting과정으로인해두개의 MB-OFDM 제안서와 DS-UWB 제안서가남았으며양쪽진영모두팽팽한접전으로 IEEE 표준화문서로채택되기위한 75% 의지지를얻지못해단일표준안을이끌어내는데실패했다. 이에 DS-UWB 진영은두개의제안서를 IEEE 802.15.3a의복수듀얼표준으로인정을하여시장에사용결정을맡기자고제안을하였으나 MB-OFDM 진영의반대에부딪혀결국 2006년 1월양진영모두더이상 - 25 -
의 IEEE 802.15.3a의활동은의미가없다는결론을내리고 IEEE 802.15.3a 의 PAR를끝내고더이상고속 UWB PHY의표준화는 IEEE에서진행하지않기로하였다. 따라서현재는양쪽제안서모두 IEEE 인증마크를받을수가없으며 MB-OFDM은 WiMedia Alliance에합병이되어무선 USB 개발을진행하고있고 DS-UWB 진영은 UWB Forum이라는단체를결성하여주로중국의 TV업체와셋탑박스업체들과함께 HD급동영상의스트리밍개발에몰두하고있다. 5) TG 15.4a(Low Rate alt. PHY UWB) 유비쿼터스위치기반서비스가중요한서비스로대두되면서, PAR 문서를통해 802.15.4 표준기반에이동성을지원하고, 서비스영역을확장하는등의내용을개정하기위해 Aternative PHY 를정의하고있다. 따라서위치기반의저전력 PHY 표준을목표로 2004년 3월 IEEE 802.15 Alternate Task Group이발족되었다. 2004년 5월에는 IEEE 802.15.4a 표준화를위해요구되는기술사양을발표하였다. WPAN과관련된표준은 IEEE 802.15에서추진하고있다. 이중에서 UWB 기술을사용하고있는표준은고속 WPAN Alternate PHY에대한표준인 IEEE 802.15.3a와저속 WPAN Alternate PHY에대한표준인 IEEE 802.15.4a이다. 그러나고속 UWB에대한표준은지난 2006년 1월회의에서 MB-OFDM 진영과 DS-CDMA 진영간의의견차를좁히지못하여결국국제표준화를포기하고각각상용화를시도하기로한실정이다. 따라서 UWB와관련된국제표준은 IEEE 802.15.4a가최초라할수있다. IEEE 802.15.4a는저소비전력으로통신과거리측정을동시에가능케하는 PHY 제정을목표로하고있다. 2005년 1월을기한으로표준에의제안을모집하여 ETRI 등으로부터의제안을포함해 26건의제안서를받았다. 2005년 1월개최된 IEEE 802.15.4a 회의에서각제안서의발표를한후유사한제안을중심으로통합작업이개시되었다. IEEE 802.15.4a의 2005년 - 26 -
3월회의에서는각제안의조정에의한통합작업이진행되었으며, 최종적인모든제안에대하여일원화한제안에대해투표한결과, 100% 의찬성으로표준골자 (baseline) 가결정되었다. 이표준 baseline에는 UWB 방식과 CSS(Chirp Spread Spectrum) 방식이모두포함되었다. IEEE 802.15.4a는 2007년 3월최종표준이완료되었다. 6) TG 15.3c(Millimeter Wave WPAN) TG 15.3c는 2004년 3월에밀리미터파대역을사용하여 TG 15.3 HR-WPAN의 Alternative PHY를표준화하기위해구성되었다. TG 15.3c 는미국, 일본및유럽의각국에서비면허주파수대역으로규정하고있는 60GHz 밀리미터파대역을활용하며, 수백 Mbps에서최대수 Gbps의데이터전송속도를제공할수있는물리계층에관해연구되고있으며, 기술규격과응용분야를개발해나가고있다. 또한 TG 15.3c는미국연방통신위원회 (FCC 47 CFR 15.255) 에서비면허주파수대역으로정의한 60GHz 밀리미터파대역을활용하며, 최대수 Gbps의데이터전송속도로초고속인터넷, HD(High Density) 스트리밍다운로드서비스등을제공할수있는물리계층표준화를연구중이다. 60GHz 밀리미터파활용기술은 HR-WPAN 분야에서 UWB 기술과경쟁하고있으며, 현재까지표준화가진행되고있기때문에상용화되는시점은 UWB에비해 2~3년정도늦을것으로예상된다. 그러나다른무선네트워크와의공존성, 시스템구현, 서비스영역과거리측면에서는보다우수한기술로평가되고있다. 7) TG 15.4(WPAN Low Rate) TG 15.4[13][16] 는 LR-WPAN에대한 MAC 및 PHY에관해연구하며, 20~250kbps의전송속도로저가, 저전력으로 30m 이내의서비스범위에서활용을목표로하고있다. 또한두가지물리계층을지원하며, ISM 대역인 2.4GHz와 868/915MHz 대역으로물리계층의사용대역에따라전송속 - 27 -
도가다르다. 2.4GHz 대역에서는 O-QPSK 변조방식에의해 250Kbps의전송속도를제공하고, 868/915MHz 대역은 BPSK 변조방식에의해각각 20Kbps와 40Kbps의전송속도를제공한다. IEEE 802.15.4 표준화는 2003년 5월에초기버전을완료하였고, 2004년 5 월에 TG 15.4b가구성되어초기버전에서구조개선, 보안기융통성향상, 새로운가용주파수할당등을보완하는표준안을 2006년도에도출하였다. TG 15.4 표준은 ZigBee Alliance 표준화의기반이되고있다. 8) TG 15.5(Mesh Networking) TG 15.5(Mesh Networking) 는 WPAN에서망의신뢰도가높고낮은출력으로무선망의확장이용이한장점을가지고있는 Mesh 네트워크를구축하기위해 WPAN의 MAC과 PHY 계층에서필요한메커니즘에관해표준화를연구하고있다. 따라서 IEEE WG 의기술분야를각 TG 별로표준화현황을종합하여 요약하면 < 표 3-2> 와같다. - 28 -
< 표 3-2> IEEE 802.15 WPAN WG 산하의 TG 표준화현황 Task Force 표준화대상 업무 진행상태 802.15.1 Wireless Personal Area Network standard based on the Bluetooth v1.1 Foundation Specification`s - 근거리무선통신기술에대한표준재정 - MAC & PHY Bluetooth 규격채용 - 2.4GHz ISM 대역 (1Mbps 까지전송,10m 전송거리 ) 2002 완료 802.15.1a WPAN 15.1 Revisions to Bluetooth Rv1.2 - TG 15.1 개선연구 2005 완료 802.15.2 Facilitate coexistence of Wireless Personal Area Networks(802.15) and Wireless Local Area Networks(802.11) - WPAN 과 WLAN 과의전파간섭축소방법연구 2003 완료 802.15.3 High-rate(20Mbps) WPAN with Security & QoS - 고속전송률지원을위한 MAC 및 PHY 연구 - 2.4GHz ISM 대역 (11,22,33,44,55Mbps 까지전송, 50m 전송거리 ) 2003 완료 802.15.3a Higher speed PHY enhancement amendment to 802.15.3 for applications - TG 3 에서 PHY 를 100Mbps 이상고속화하기위한 Alternative PHY(UWB) 연구 - 3.1~10.6GHz 대역 (1~480Mbps 까지전송, 10m 전송거리 ) 해체 802.15.3b An amendment to 802.15.3 to improve implementation and interoperability of the MAC - TG 15.3 에서 MAC 구현 / 상호운용성개선연구 2005 완료 802.15.3c Millimeter Wave Alternative PHY - TG 3 에서밀리미터파 (60GHz) 를활용한초고속 alternative PHY 연구 진행중 802.15.4 Low-Rate(250Kbps) WPAN - 최대전송속도 20~250kbps 의 MAC 및 PHY 연구 - 2.4GHz ISM, 868/915MHz Dual PHY 대역 (20~250Kbps 까지전송, 10m 전송거리 ) 2003 완료 802.15.4a WPAN Alt Low Rate PHY - UWB PHY 이용한저속위치인식네트워킹연구 - 3.1~10.6GHz 대역 (1Mbps 까지전송, 30m 전송거리 ) 진행중 802.15.4b WPAN 15.4 Revisions and Enhancements - TG 15.4 에서의수정개선연구 2006 완료 802.15.5 WPAN Mesh Networking - WPAN 에서 Mesh Networking 을위한 MAC 및 PHY 연구 진행중 - 29 -
3. ZigBee ZigBee Alliance[18][19] 는 2003년완성된 IEEE 802.15.4 표준을기반으로저전력무선네트워킹이가능한모니터링및제어 (Control) 제품을위해상위프로토콜표준을정의하는것을목표로한다. ZigBee는단순기능이요구되는초소형, 저전력, 저가격에적합한기술로홈네트워크분야의적용에초점을맞추고있으나, 점차다양한분야에적용하려는시도를하고있다. ZigBee Alliance에서는 ZigBee 기술사양과관련하여 2004년도에발표한 ZigBee 2004를보완하고새로운기술요구를수용한 ZigBee 2006을공개하였다. 또한 ZigBee 2006을보완하는 ZigBee Pro에대한표준화도추진중에있다. ZigBee는어플리케이션에서요구되는기술요구사항을수용하는데있어단일표준으로는이를지원하는데한계가있어기술사양을구분하여차기표준을추진하고있다. < 표 3-3> 은기술사양의버전별차이점을나타낸다. < 표 3-3> ZigBee 기술사양버전별차이점 표준버전표준화일정주요특징관련프로파일 ZigBee 2004 (ZigBee Ver. 1.0) 2004. 12 월발표 8 비트 Cluster KVP/MSG 서비스 Joint Routing CSKIP Address Coordinator binding Home Controls Lighting (HA 통합 ) ZigBee 2006 2006. 12 월발표 16 비트 Clusters KVP/MSG 서비스삭제 Joint Routing with CSKIP Address Source device binding ZigBee Cluster Library 지원 Home Automation ZigBee pro 2007 년상반기 ZigBee 2006 보완멀티캐스트 Many to one(source) routing Fragmentation AODV-jr routing only New Address Assignment Commercial Building Auto -mation Industrial Plant Monitoring Home Automation - 30 -
< 표 3-4> 는어플리케이션프로파일 (Application profile) 을중심으로응용분야에대한세부프로파일의표준화동향을나타낸다. 신규프로파일표준화는 WG 산하프로파일 TG에서진행되며프로파일 TG 결성을위해서는 Application Framework WG의승인을받아야한다. ZigBee Qualification WG에서는 ZigBee Alliance의인증프로그램인칩또는모듈및스택소프트웨어에대한인증스펙을제정하고이를관리하는업무를담당한다. 또한 ZigBee 제품간호환성을테스트하는행사인 ZigFest Interoperability 행사를주관한다. < 표 3-4> 년도별 Zigbee 프로파일표준화현황 년도표준화대상업무 2005 2006 ZigBee Stack 소프트웨어세부 ZigBee 어플리케이션프로파일 Application Support Sub-layer 표준화 ZigBee device Object 표준화 Application Framework 표준화 Automatic Meter Reading(AMR) Commercial Building Automation(CBA) Heating,Ventilation, Air conditioning(hvac) Home Automation(HA) 초안발표 Industrial Plant Monitoring(IPM) Wireless Sensor Network Telecom Application PTG 결성 2007 ZigBee 어플리케이션프로파일표준지속추진및확장 AMI(Advanced Metering Infrastructure) PTG 결성 Telecom 어플리케이션프로파일초안발표 WSN 프로파일표준화지속추진 Home Automation 표준화완료 홈네트워크에대해서는 Home Automation(HA) 프로파일버전 0.6 이 ZigBee Alliance 회원사에공개되어의견청취및표준보완이이루어지고 있다. 또한 AMR 프로파일의확장한 AMI(Advanced Meter Infrastructure) - 31 -
PTG(Profile Task Groups) 가결성되어 AMR과 Home Automation을통합된새로운프로파일개발이추진중에있다. ZigBee 표준화및적용과관련해서기존의다른네트워크표준화과정보다많은국내업체들의참여가이루어지고있다. 국내에서는삼성전자기술원이 ZigBee Alliance의초기설립멤버로기술표준화에상당한기여를하였고 Promoter로활동중이다. 또한 LG전자, ETRI, KETI, 레이디오펄스, 한국무선네트워크, TTA, 티에스씨시스템등이참여사 (Participants) 로활동중이다. Promoter인삼성전자는 ZigBee 2004 및차기표준화에활발한활동을하고있으며 ZigBee 표준결정에주요한의사결정을하고있다. ZigBee 관련국내표준화기구로는 TTA 산하 PG304에서 ZigBee의국내기술표준화활동을담당하고있으며 2006년 ZigBee 어플리케이션프로파일과관련하여 TTA의표준의승인을완료하였다. TTA는 2006년 6월 ZigBee 인증테스트기관인 NTS(National Technical Systems) 와의업무협약을통해인증테스트를대행하고있고국내 ZigBee 칩개발업체인레이디오펄스와 IEEE 802.15.4 인증테스트와 ZCP 인증테스트를수행한바있다. ETRI는 ZigBee의 Telecom Application PTG에서모바일분야의 ZigBee 응용을위한표준화활동에참여하여 PTG 결성및프로파일표준화작업에참여하고있다. 한국홈네트워크산업협회산하에는 ZigBee 포럼이결성되어관련업체및기관이기술개발협력및 ZigBee 응용제품개발에관련된국내 ZigBee 표준화활동을주도하고있다. 2006년에는 ZigBee 기술세미나를개최하여 ZigBee 기술의국내보급화에기여하였고, ZigBee 포럼의기술표준분과에서는국내홈네트워크에맞는 ZigBee 홈자동화프로파일 표준화작업을통해 ZigBee 기술을기반으로하는홈자동화프로파일표준개발을완료하였다. 적용분야는에어컨, 디지털도어락, 가스밸브, 가스센서, 조명제어등이있다. ZigBee 칩부분에서는레이디오펄스가 2.4GHz 대역의 ZigBee 단일칩을 - 32 -
개발하여업계에서가장먼저양산을진행중에있다. 또한단일칩업체로서는가장먼저IEEE 802.15.4 및 ZCP(ZigBee Compliant Platform) 의통합인증을획득하였다. 스택소프트웨어분야에서는한국무선네트워크에서 ZigBee 프로토콜스택을개발하여 ZCP 인증을획득하였고, 레이디오펄스에서도자체개발한 ZigBee 프로토콜스택에대한 ZCP 인증을획득하였다. 4. 6LoWPAN 2004년까지저전력무선네트워크를구축하기위한기술은 Bluetooth나 ZigBee와같이업계의제휴에의해다뤄지고있었다. 그러나 2004년말이되면서저전력무선네트워크기술을개발하는기업들사이에서 ZigBee 대신 IEEE 802.15.4 위에직접 IP를매핑하는방안에관한새로운 WG에많은관심이집중되기시작했다. 따라서 2004년말부터저전력센서네트워크인 LoWPAN(Low power Wireless Personal Area Network) 에 IPv6을적용하기위해 IETF(Internet Engineering Task Force) 의 6LoWPAN(IPv6 over LoWPAN) WG[20] 을설립하여관련연구및표준화활동을진행중이다. 현재마이크로소프트 (Microsoft), 선마이크로시스템즈 (Sun Microsystems), 인텔, 삼성등이참여하고있다. 6LoWPAN WG은 LoWPAN 상에서 IPv6 패킷전송방안을정의하는것을목표로하고있다. 6LoWPAN(IPv6 over Low power WPAN) 은 IEEE 802.15.4 PHY/MAC 상위계층으로 IP 및 TCP/UDP 등의기존인터넷에서사용하는통신프로토콜을이용하는환경을말한다. 6LoWPAN은한정된전력과적은처리량이요구되는응용에무선연결환경을제공하는단순하고간단한저가형통신네트워크이다. 일반적으로 6LoWPAN은응용환경에물리적으로연결되기위하여무선센서장치들을포함한다. 이러한장치들은 IEEE 802.15.4-2003 표준을따르고있으며, - 33 -
활발한표준화작업을전개해나가고있다. 6LoWPAN에서는기존네트워크들에비해상당히많은수의노드가배치되어야하므로큰주소공간과자동주소설정과같은기능을내장하고있는 IPv6가적합하다. 따라서 6LoWPAN에서는 IPv4는고려하지않는다. ZigBee의경우에도 IPv6을적용하는방안이연구되고있지만, 프로세싱이힘들고비용이많이들며복잡하여 6LoWPAN의대안이되지는못할것으로내다보고있다. 6LoWPAN의작은패킷크기를보면, 일반적인전송데이터의양은적을것으로예측된다. 그러나프로토콜자체로데이터의전송을제약하지는않는다. 6LoWPAN은 IEEE 802.15.4에근거하고있으며추가사항이나요구에따라얼마든지바뀔수있다. 이러한가정들은대부분 6LoWPAN안에기기들의가용성제약에기인하고있다. 다만이러한기기들이기술의발전에따라좀더저전력, 저비용, 초소형화된다면일정부분에한하여여러가지제약들이완화될것이다. 6LoWPAN은 IEEE 802.15.4 PHY/MAC을사용하기때문에패킷전송에있어서여러제약을갖게된다. 6LoWPAN은 IEEE 802.15.4 장치들로구성되어있는네트워크로써저전력, 저가격, 저대역폭등의특징을가진다. 따라서 6LoWPAN은 PHY/MAC의상위계층으로 IP 및 TCP/UDP 등의환경을구축하는데있어서적은오버헤드, 작은라우팅테이블, 확장성등의구현을목표로한다. ( 그림 3-3) 은 6LoWPAN WG의표준화작업범위를나타낸다. - 34 -
( 그림 3-3) IETF 6LoWPAN WG 의작업범위 현재 6LoWPAN WG 에서는 6LoWPAN 의문제점및목표, IPv6 패킷 전송방법에대한 2 건의드래프트가표준으로서통과되었다. < 표 3-5> 는 6LoWPAN WG 의표준화현황을나타낸다. < 표 3-5> 6LoWPAN 표준현황 표준번호 RFC 4919 RFC 4944 표준제목 표준주제 제정일 IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks(6LoWPANs): 6LoWPAN의개요, 가설, Overview, Assumptions, Problem 문제점명세, 목적 2007.08 Statement, and Goals Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 네트워크 IEEE 802.15.4 Networks 상의 IPv6 Packet 전송 2007.09-35 -
5. Wireless Mesh Networks 무선메시네트워크 (Wireless Mesh Networks)[7][12][13]25] 는다른여러종류의네트워크와통합이가능한네트워크로메시라우터 (Mesh Router) 와메시클라이언트 (Mesh Client) 로구성되어있다. 무선메시네트워크는같은종류의네트워크뿐만아니라, WLAN, LR-WPAN 등과같은센서네트워크를메시라우터에서제공하는브리지 (bridge) 기능과게이트웨이기능등을통해서서로간의데이터전송을가능하게한다. 또한메시네트워크의백본을형성하는주체로서라우터간의네트워크접근이나클라이언트와라우터간의네트워크접근을제공하는등다양한역할을수행한다. 이러한무선메시네트워크의특징으로인해기존 WLAN이나 LR-WPAN 등의센서네트워크들이가지고있는결점을보완하고네트워크의성능향상및확장성을지원하여다양한 USN 서비스에활용될수있다. 이러한메시네트워크와관련된최근의국외표준은 WPAN 및 WLAN 그리고 WMAN(IEEE 802.11s, IEEE 802.15.5, IEEE 802.16a, IEEE 802.20) 표준화단체에서는메시네트워크관련 TG를만들어표준화작업을진행하고있다. 국내에서도 WiBEEM이라는기술에대해표준화가진행중이다. 1) IEEE 802.11s IEEE 802.11[7][12] WG은 WLAN 환경을위해서여러표준을개발하는그룹이다. 메시네트워킹과관련된패러다임이 P802.11s ESS(Extended service set) 메시네트워킹 TG 하에서개발되고있다. IEEE 802.11s 프로젝트의연구범위는자기구성 (self-configuring), 멀티홉 (multi-hop) 기술을사용하는액세스포인트간의방송 / 멀티캐스트 (multicast) 와유니캐스트 (unicast) 를지원하기위해, IEEE 802.11 PHY/MAC 계층을이용하여 IEEE 802.11 Wireless Distribution System(WDS) 에서 IEEE 802.11 ESS 메시네트워킹 (Mesh Networking) 을개발하기위한 - 36 -
것이다. IEEE 802.11-1999(2003 edition) 표준은 WDS 를생성하기위해액 세스포인트간의교환되는데이터패킷에대해 4 개의주소프레임포맷 을제공한다. 2) IEEE 802.15.5 IEEE 802.15.5[13] 프로젝트는 PC나 PDA, 휴대전화나가전제품등과같이고정되어있거나움직이면서짧은반경내에무선연결성을가지는환경을위해서물리계층과 MAC 계층을정의하는것이다. 2003년 11월, IEEE P802.15.5 메시네트워크 TG가만들어져 WPAN의물리계층과 MAC 계층에메시네트워킹을적용하기위한필요한메커니즘을정의하는작업을수행하고있다. WPAN에서의메시네트워크는모바일디바이스의파워제한때문에시작되었고, 특히메시기반의멀티홉통신이 WPAN의적용범위를증가시키고높은처리량과낮은재전송을지원하기위한비교적짧은링크를적용할수있기때문에사용되고있다. 실제로메시용량은 UWB 통신시, UWB 무선링크의대역폭이매우빠르게감소하기때문에중요하다. 이경우짧은링크를사용하게되면처리량이증가하게된다. 그러나 802.15 기반의 MAC 프로토콜에메시네트워킹의적용이어려우며, 특히 802.15.1 MAC은피코넷 (piconet) 이라고불리는클러스터기반의네트워크구조를가지고있기때문에더욱적용이쉽지않다. 이밖에도 QoS 제공과새기기의네트워크참여등여러문제점들이도출되고있지만, 실질적인문제점들을해결하기위한연구및표준화가진행중이다. 3) IEEE 802.16a IEEE 802.16a[28] 는 1999년에 802.16 WG이 WMAN에서 first-mile/last-mile" 연결을발표하기위해서만들어졌고, 광대역무선접속을위한 LMDS(local multipoint distribution system) 타입의구조를 - 37 -
향해작업을수행하고있다. 802.16 표준에서언급하고있는 WMAN 네트워크는 PMP(Point-to-Multipoint) 구조를따르고있으며이는같은중앙허브에각각의노드들을연결하는스타토폴로지형태이다. 기존 802.16의경우 LOS(line-of-sight) 를사용하여라이센스면제밴드로시스템의범위를확장하게하는, 신뢰성있는 NLOS(non-LOS) 를위한요구가 IEEE 802.16a의개발을유도하게되었다. NLOS의채택은 802.16a 표준의메시확장을가능하게하였다. 비록표준은발표되었지만, 상업적인제품은아직초창기수준이다. 이와같이 802.16 표준을기반으로하는광대역무선네트워크의확산을촉진하기위해 WiMAX 포럼이설립되었다. 4) WiBEEM WiBEEM(Wireless Beacon-enable Energy Efficient Mesh Network)[25] 기술은정보통신부가추진한 IT 839 정책중에서핵심인프라기술로인정받고있는 USN을위한최적의아키텍처로주목받고있다. WiBEEM은메시네트워크를구현시 Bluetooth나 ZigBee 기술이해결하지못하는다양한문제점들을해결하기위해여러개의 Beacon을수용하는새로운 Superframe 구조를제안하였으며, 여러개의 Beacon들이충돌없이네트워크정보를전송할수있는최적의 Beacon Scheduling 기법을채택하였다. 또한기기의이동성을제공하기위해 LAA(Last Address Assigned) 기법을이용한새로운 Short Address 할당기법을채택함으로써 16비트주소공간을낭비없이사용할수있게하였으며, 이동하는기기와의정보전송을위해 NAA(Next Address Available) 기법을이용한 Address 할당기법과고속의 Routing 기법을채택하였다. 현재 ISO/IEC JCT1/SC25에 "WiBEEM Standard for Wireless Home Network Services" 를통하여국제표준화를진행중에있다. - 38 -
제 2 절통신기술에서의식별체계분석 앞장에서는 USN 통신기술로써 IEEE 802의 WPAN과 WLAN, 6LoWPAN, ZigBee, Mesh 네트워크에관한국내외연구및표준화동향에대해살펴보았다. 본절에서는이러한센서네트워크연구와표준화동향조사를바탕으로현재센서네트워크의통신기술에대한식별체계를조사하고분석한다. 1. WLAN (IEEE 802.11) IEEE 802.11[12] 은흔히무선랜, 와이파이 (Wi-Fi) 라고부르는좁은지역 (Local Area) 을위한컴퓨터무선네트워크에사용되는기술로, IEEE의 LAN/MAN 표준위원회 (IEEE 802) 의 11번째 WG에서개발된표준기술을말한다. IEEE 802.11은현재주로사용되는유선 LAN 형태인이더넷의단점을보완하기위해고안된기술로써이더넷네트워크의말단에위치해필요없는배선작업과유지관리비용을최소화하기사용되고있다. 보통폐쇄되지않은넓은공간 ( 예를들어, 하나의사무실 ) 에하나의핫스팟을설치하며, 외부 WAN과백본스위치, 각사무실핫스팟사이를이더넷네트워크로연결하고, 핫스팟부터각사무실의컴퓨터는무선으로연결한다. 핫스팟은이더넷허브와비슷한역할을하는장비로, 인프라스트럭처 (Infrastructure) 네트워크모델에서핫스팟주변에위치한무선클라이언트들을하나의네트워크로묶어서로통신할수있게하며, 핫스팟에연결된이더넷회선을통해다른핫스팟및백본이나 WAN 망으로연결할수있도록해준다. 각핫스팟에는고유 SSID(Service Set Identifier) 와 BSSID(Basic Service Set Identifier) 가부여되어있어클라이언트가특정한핫스팟에연결할수있게도와준다. 하나의핫스팟은장애물이없는지역에서최대 100미터, 최대 20여대까지네트워크를구성할수있다. - 39 -
가. WLAN 프로토콜스택 IEEE 802.11은 WLAN의 MAC 계층과물리계층에대한표준을기술하고있다. IEEE 802의데이터링크계층은 MAC 계층과 LLC 계층으로이루어진다. LLC 계층은 IEEE 802.2에서표준화하였고, 이는 IEEE 802.11, IEEE 802.15.1, IEEE 802.15.4, IEEE 802.3에공통으로적용된다. 반면에 MAC 계층은하드웨어와밀접하며물리계층의구현에따라변화될수있다. IEEE 802.11의전체적인프로토콜스택 [12][39] 은 ( 그림 3-4) 와같다. ( 그림 3-4) IEEE 802.11 프로토콜스택 ( 출처 : IEEE 802.11) PHY 계층은세개의서로다른물리계층을가지고있다. 대역확산기술로써라디오계층에기초한 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 과 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum), 적외선이용기술로적외선에기초한 IR(Infrared Radiation) 이있다. 이처럼서로다른물리계층의특성에따라 MAC 계층이정의되며, 각각은상위의 LLC 계층에무선특성에관련된 MAC 계층서비스를제공하게된다. MAC 계층이제공하는 - 40 -
주요서비스의형태로는무선스테이션사이의교신에필요한기능을서비스하는스테이션서비스 (Station Service) 와기본적으로 AP가제공되어 MSDU(MAC Service Data Unit) 의전달분배기능을담당하는분배시스템서비스 (Distribution System Service) 가있다. 무선매체에대한접근제어모드는 CSMA/CA 모드의 DCF(distributed coordination function) 와우선순위기반접근모드의 PCF(point coordination function) 가있다. 애드혹네트워크에서는 DCF만을지원하며, 인프라스트럭처네트워크에서는 DCF를기본으로지원하고부가적으로 PCF를지원한다. PCF는 AP의 PC(point coordinator) 에서각각의노드를폴링하여데이터를전송할수있는기회를준다. 따라서충돌의위험은적지만, 구현상의복잡성과폴링오버헤드와같은문제가있다. DCF는 AP의도움이없이각각의노드들이분산적으로동작하게된다. 각각의노드들은전송을위해서경쟁을하고할당된노드가채널을통해다른노드들의방해없이데이터를전송한다. 나. WLAN 네트워크토폴로지 WLAN 은무선 LAN 카드를이용한기기들간의통신방식에따라네트 워크토폴로지 [12][39] 를인프라스트럭처네트워크 (Infrastructure Network) 와애드혹네크워크 (Ad-hoc Network) 로나뉜다. 1) 인프라스트럭처네트워크이것은무선노드들간의직접적인통신이이루어지지않고 AP(Access Point) 라는특정기기를통해서외부와통신을하는방식이다. 인프라스트럭처는외부망과연동되어하나의 AP에의해집중적으로제어되며, 여러이동단말에게서비스하는형태를의미한다. ( 그림 3-5) 는인프라스트럭처네트워크의일반적인모습을나타낸다. 여기서 BSS(Basic Service Set) 는가장기본이되는 WLAN 구성단위로하나의 AP 제어하에무선 - 41 -
스테이션들이서로논리적으로결합되어있는서비스그룹을말한다. 또 한여러 BSS 들이논리적으로집합되어 ESS(Extended Service Set) 를형성 한다. ( 그림 3-5) WLAN 인프라스트럭처네트워크 2) 애드혹네크워크이것은외부망과는독립적으로무선단말끼리만서로통신하는형태이다. 각각의노드들은수시로변하는네트워크토폴로지상에서단말과라우터의역할을동시에수행하게된다. ( 그림 3-6) 은애드혹네크워크의일반적인모습을나타낸다. 여기서 IBSS(Independent Basic Service Set) 는무선 LAN에서어떠한백본네트워크에도연결되지않는즉, 외부와단절되어무선단말끼리만독립적으로구성된 BSS(Basic Service Set) 을말한다. - 42 -
( 그림 3-6) WLAN 애드혹네트워크 다. WLAN 통신방식 WLAN 통신방식 [12][39] 은보통 AP 접속을통해통신이가능하다. AP는유무선 LAN을연결시켜주는장치이다. 대체로독립형장치로서이더넷허브나서버에연결하여사용하고스위치의역할을한다. ( 그림 3-5) 에서보는바와같이, 노트북이나 PDA는무선랜카드를이용하여 WLAN을사용한다. 각랜카드에는 MAC 주소라고불리는고유한 48비트길이의주소가저장되어있다. MAC 주소를키값으로사용하여 WLAN 사용자의정보를저장하면, AP에연결된정보를읽어와서저장된 MAC 주소와비교하여사용자의정보를확인할수있다. IP 기반 WLAN 환경에서 AP는각 AP에연결된노드들의 IP, MAC 주소, 받은패킷수, 에러패킷수, 전송속도등의정보를제공하고이벤트로그서비스, 각종초기값세팅등의서비스를제공한다. 이러한정보를웹페이지나텔넷접속을통하여정보를검색하고관리할수있다. AP를사용할수없는경우는 ( 그림 3-6) 과같이애드혹네트워크를사용한다. 애드혹네트워크는액세스지점 (AP) 이나광대역라우터를사용할수없을때사용되는임시네트워크로써사용자가다른사람의모바일장치에직접무선으로연결한다. 사용자는참여를원하는통신영역의 SSID 명을동일하게맞춰줌으로써통신참여가가능하다. SSID는무선 AP의고유이름으로 AP에설정된 SSID와동일한 SSID를가진무선랜카드만이 - 43 -
접속이가능하다. SSID가공개로설정된경우, 접속을원하는무선랜카드는모두 AP에접속할수있고, SSID가비공개로설정된경우, 개별무선랜카드의고유 MAC 어드레스가 AP에등록되어있어 SSID를미리알고있는무선랜카드만이 AP에접속할수있다. 라. WLAN MAC 프레임구조 WLAN의 MAC 프레임구조 [12] 에서나타나는여러주소필드 ( 주소 1, 2, 3, 4) 들은사용되는무선네트워크유형에따라여러형태로사용된다. 특히이러한주소필드에사용되는 48비트의 BSS Identifier(BSSID) 값은 IEEE 802의 MAC address의형태로써애드혹네트워크상에서여러 BSS 들이공존할때서로를식별가능하게한다. 따라서이번절에서는이러한 BSSID를갖는 WLAN의 MAC 프레임구조와각각의필드에대한기능및속성을살펴보고통신에사용되는 WLAN내에서의식별체계를분석한다. WLAN의일반적인 MAC 프레임형식은 ( 그림 3-7) 과같다. MAC 프레임에포함된필드들은사용용도에따라특정필드를사용하지않는다. ( 그림 3-7) IEEE 802.11 MAC 프레임구조 - 44 -
MAC 프레임을구성하는각필드들에대한역할및데이터형식은다 음과같다. Frame Control 필드 Frame Control 필드는각프레임의맨처음시작부분에있는 2바이트필드로써, 무선노드와노드간에전송되는제어정보를담고있다. 필드의구성은다음 < 표 3-6> 과같다. Duration ID 필드 Duration ID 필드는무선 LAN 표준인 802.11 에서송수신되는프레임 내에위치한 802.11 Frame Control 필드의 2 바이트를말한다. Address 필드 802.11의 MAC 프레임구조상에나타나는여러주소필드 ( 주소 1, 2, 3, 4) 들은사용되는무선네트워크의유형에따라식별체계인 BSSID나라우팅을위한주소인 SA(Source Address), DA(Destination Address), TA(Transmitting station Address), RA(Receiving station Address) 로다르게인식되어사용된다. 각주소필드들은무선노드간전송되는제어정보를담고있는 Frame Control 필드의 To DS, From DS의비트의설정에의해주소필드형태가결정된다. Sequence Control 필드 패킷에부여되는순번이다. 패킷전송시이번호순으로패킷을전송한다. Data 필드 Data 필드는전송될실제데이터를갖는필드를말한다. - 45 -
< 표 3-6> Frame Control 필드구성 필드 Protocol Version Type To DS 및 From DS Power Mgmt Subtype (WEB +Order) 설명현재버전정보는 0만사용 - 00 : 관리프레임 / 01 : 제어프레임 / 10 : 데이터프레임 - 11 : 예약 - 00 : IBSS 내에서송수신되는데이터프레임 - 01 : 인프라스트럭처네트워크의 AP로부터이동스테이션에게보냄 - 10 : 이동스테이션에서인프라스트럭처네트워크의 AP에게보냄 - 11 : 무선브리지 - 전력절감여부를나타내는필드전력절감모드 : 1 / 활성화모드 : 0 - AP의경우에는항상켜져있어야하므로항상그값이 0 으로셋팅 - 관리프레임 (00) 일때 0000 : 결합요청 0001 : 결합응답 0010 : 재결합요청, 0011 : 재결합응답, 0100 : 프로브요청 0101 : 프로브응답 1000 : 비컨, 1001 : ATIM, 1010 : 결합해제, 1011 : 인증 1100 : 인증해제 - 제어프레임 (01) 일때 1010 : 전력절감 / 1011 : RTS / 1100 : CTS / 1101 : ACK - 데이터프레임 (10) 일때 0000 : 데이터 0001 : 데이터 + CF ACK 0010 : 데이터 + CF Poll, 0011 : 데이터 + CF ACK + CF Poll 0100 : 널 (Null)(No data), 0101 : CF ACK 0110 : CF Poll 0111 : CF ACK + CF Poll, 1000~1111 : 예비 - 46 -
< 표 3-7> Frame Control 필드값에따른주소필드형태 To DS From DS 비트비트 Addr1 Addr2 Addr3 Addr4 IBSS 0 0 DA SA BSSID 사용안함 To AP 1 0 BSSID SA DA 사용안함 From AP 0 1 DA BSSID SA 사용안함 무선 Bridge 1 1 RA( 수신AP) TA( 송신AP) DA SA 마. WLAN 에서의식별체계 WLAN 통신에서의식별은 MAC 주소와 BSSID를통해이루어진다. 먼저노드에대한식별은 MAC 주소를사용한다. MAC 주소는상위 MAC 프레임구조에서살펴본바와같이 SA, DA, RA, TA로구분되지만, 송신자와수신자를구별하기위한용어적구분일뿐주소의형식이나구성에대한차이는없다. BSSID는 IEEE 802의 MAC address의형태로구성되지만주소로사용되는것이아니라임의의영역에서여러 BSS들이공존할때각 BSS는네트워크에서다른 BSS를구별하기위하여사용하는 48비트이진식별자이다. 통상공장출하시각 AP는제조사에서부여하는디폴트값이주어지나만일의충돌을방지하기위해관리툴에서자동적으로다른 BSSID 값을설정시켜준다. 인프라스트럭처 BSS에서 BSSID는 BSS를만들어내는 AP 의 MAC 주소를사용하고, 애드혹네트워크상의 IBSS 영역에서 BSSID는임의의숫자생성기에의해부여된다. 만일 BSSID 값의모든비트가 1일때이는브로드캐스트 BSSID라고한다. 2. Bluetooth (IEEE 802.15.1) IEEE 802.15.1[13][14][15] 은흔히 Bluetooth 라고부르는 10m 이내의초 - 47 -
근거리통신인 WPAN(Wireless Personal Area Network) 에서 PC 주변기기나가전기기등을무선으로손쉽게연결하여데이터를주고받을수있는무선기술로, IEEE의 WPAN 표준위원회 (IEEE 802.15) 의 1번째 WG에서개발된표준기술이다. Bluetooth는저가, 저전력, 소형, 단거리를위한무선솔루션이며, 기기간상호접속성이좋고, 음성전송이나인터넷같은데이터전송장치를지원하여응용범위가넓고다양하다. 가. Bluetooth 프로토콜스택 Bluetooth의전체적인프로토콜스택 [15] 은 ( 그림 3-8) 과같다. Bluetooth 프로토콜스택은보통 HCI(Host Controller Interface) 를기준으로호스트컨트롤러 (Host Controller) 프로토콜과호스트 (Host) 프로토콜로나뉘게된다. HCI는두개의계층으로각각 `HCI Bottom', `HCI Top' 이라고구분하며, 두개의 HCI사이에물리링크인 UART, USB, PCMCIA 등의인터페이스로연결된다. Bluetooth는하나의칩에호스트컨트롤러부분을구현하여사용하며이를 Bluetooth 모듈 (module) 이라고한다. 그리고호스트컨트롤러프로토콜은보통베이스밴드 (Baseband), 링크매니저 (Link Manager), HCI Bottom 정도가포함된다. 대부분이세개의프로토콜이펌웨어 (Firmware) 형태로모듈내부에포함된다. 호스트프로토콜은호스트컨트롤러인 Bluetooth 모듈과연결되어 Bluetooth 모듈을제어하고어플리케이션을수행하는곳으로그종류는시스템에따라달라질수있다. 보통 PC, PDA, 핸드폰등이모두호스트가될수있고, 임베디드시스템의경우마이크로프로세서가호스트가된다. 호스트에포함되는프로토콜은 HCI Top부터그상위계층프로토콜 (L2CAP, RFCOMM, SDP, TCS, OBEX) 모두가해당될수있다. 그러나항상상위계층프로토콜이모두포함되는것은아니고, 어플리케이션의종류에따라포함되는프로토콜이달라진다. - 48 -
( 그림 3-8) Bluetooth 프로토콜스택 ( 출처 : IEEE 802.15.1) 각프로토콜에대하여알아보면베이스밴드는 Bluetooth의링크컨트롤러 (Link Controller) 에해당하는프로토콜로써 Bluetooth만의고유한통신시스템을구현하는것이다. 링크매니저는링크설정, 보안, 제어를담당한다. HCI는호스트컨트롤러에포함된베이스밴드나링크매니저, 그리고하드웨어등을접근하고제어하기위해표준화된인터페이스를의미한다. 즉 HCI는호스트와호스트컨트롤러가그사이에연결된물리적버스 (Physical Bus) 를통해서로통신하기위한인터페이스이다. L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol) 은상위계층프로토콜과 HCI, 베이스밴드등의하위프로토콜사이에서중재및조정을하는역할을한다. SDP(Service Discovery Protocol) 는연결된 Bluetooth 디바이스에서어떠한서비스가가능하고, 그가능한서비스의특징에관한정보를교환하기위한프로토콜이다. RFCOMM은 RS-232 9핀시리얼포트를에뮬레이션하는역할을담당한다. TCS(Telephony Control - 49 -
Protocol Specification) 는 Bluetooth 어플리케이션의하나인 3-in-1 Phone 을구현하기위한필수적인프로토콜로, 주로전화회선 (PSTN) 이나내선 (Intercom) 을인터페이스하기위한콜컨트롤 (Call Control) 을담당한다. 나. Bluetooth 네트워크토폴로지 Bluetooth[15] 는독립된통신장비들이 1개의마스터 (Master) 와최대 7 개의슬레이브 (Slave) 로구성되어애드혹네트워크형태의피코넷 (Piconet) 을형성하여통신을한다. 피코넷은정보를교환하기위해같은채널을공유하고있는장치들의집합으로써하나의채널을공유하는 2개또는그이상의 Bluetooth 장치가하나의피코넷을형성한다. 채널상의트래픽을제어하기위하여통신에참여하는장치중의하나가피코넷의마스터가되고나머지다른장치들은슬레이브가된다. 마스터장치는채널상에서의모든트래픽을제어한다. 어떠한장치도마스터가될수있지만, 피코넷을설정한장치가마스터역할을담당하고슬레이브장치가마스터역할을넘겨받기를원하면역할을교환할수있다. 마스터장치들은슬롯을보유하여슬레이브에게패킷을전송한다. 마스터에서보내진트래픽패킷은자동적으로슬레이브를선택한다. 슬레이브로보낼정보가없다면, 마스터는슬레이브를선택하기위한패킷을사용할수있다. 이패킷은액세스코드와헤더만으로구성되어있다. 이러한중앙폴링방식은슬레이브전송간에충돌을없앨수있다. 피코넷에있는모든장치는호핑채널을따르기위하여마스터장치의주소와클럭을사용한다. 연결이설정되면슬레이브클럭과마스터클럭의동기를맞추기위하여클럭옵셋이더해진다. 자기자신의클럭을조정하지않고, 다만연결동안에는옵셋만이유효하다. Bluetooth는 Point-to-point, Point-to-multipoint를모두지원하며피코넷의어떠한유닛도다른피코넷의장치에연결되어스캐터넷 (Scatternet) 구성이가능하다. 스캐터넷 (Scatternet) 은이런피코넷들이한슬레이브유닛 - 50 -
을공유하면서통신범위를확장한형태를말한다. ( 그림 3-9) 는 4 개의장 치로구성되어있는피코넷 A 와 2 개의장치로구성되어있는피코넷 B 가 서로연결되어스캐터넷을구성하는것을나타낸다. ( 그림 3-9) Bluetooth 네트워크토폴로지 다. Bluetooth 통신방식 ( 그림3-10) 은피코넷의마스터, 슬레이브장비간의연결과정을나타낸다. 하나의피코넷이이루어지기위해서는마스터와슬레이브사이의 Inquire와 Page의단계를거쳐야한다. 이단계에서마스터노드는주변에위치하고있는모든노드에대한정보를얻고 (Inquiry), 획득한노드정보에근거해서주변노드들을자신의슬레이브로활성화시킨다 (Page). 위의과정을통하여피코넷이구성되면마스터와슬레이브, 모두연결상태로넘어간다. 이상태에서 Bluetooth 노드는다양한동작모드에서동작할수있다. - 51 -
( 그림 3-10) Bluetooth 장비간연결과정 라. Bluetooth 프레임구조 Bluetooth의일반적인프레임구조는 ( 그림 3-11) 과같다. Bluetooth 프레임은 Access Code, Header, Payload 필드로구성된다. Access Code 필드는마스터장치의주소로부터발생된 BD_ADDR(Bluetooth Device Address) 의 LAP(LAN Access Point) 주소값을포함하는필드로써채널에대해유일하다. 피코넷에서수신장치들은입력신호와액세스코드를비교하여두개가일치하지않으면수신패킷은채널상에서유효하지않은것으로간주하고그내용의나머지는무시한다. Header 필드는패킷의제어정보를담고있는필드이다. Payload 필드는전송될데이터를담고있는가변길이의필드이다. Access Code 필드 Access Code 필드는 BD_ADDR 의 LAP 주소값을포함하는필드로써 Preamble(4 비트 ), Sync Word(64 비트 ), Trailer(4 비트 ) 로구성된다. Access - 52 -
Code 필드구조와각필드의설명은각각 ( 그림 3-12) 및 < 표 3-8> 과같다. ( 그림 3-11) 피코넷전송패킷프레임구조 ( 그림 3-12) Access Code 필드구조 < 표 3-8> Access Code 필드구성 필드 Preamble Sync word 설명 Bluetooth 무선전송에서직류배상을용이하게하기위한필드뒤에오는 sync word 필드의가장앞자리비트가 1일경우, 1010 0일경우, 0101로구성 BD_ADDR의 LAP를사용하여 64비트코드길이를생성 CAC, DAC, IAC 코드종류에따라 LAP 정보를담고있는 Device 종류를달리하여식별 Trailer Access code의끝을나타내며일반적으로 CAC 패킷일경우에사용되나, 주파수및타임슬롯동기화시에는 DAC, IAC에도사용 Sync word의마지막비트가 1일경우 0101, 0일경우 1010으로구성 - 53 -
Access Code 필드는피코넷통신에서전송되는패킷의용도에따라 3가지코드타입으로분류된다. 피코넷구성장치들의발견에쓰이는 inquiry 메시지패킷은 IAC(Inquiry Access Code) 타입, 발견된장치의활성화에쓰이는 Page 메시지는 DAC(Device Access Code) 타입, 활성화된장치간의데이터통신에쓰이는메시지는 CAC(Chanel Access Code) 타입이다. 각코드타입별로 Access Code의장비 LAP 주소값이변하여노드의식별을위한키값으로사용된다. < 표 3-9> 는코드타입에따른 LAP 주소변환형태이다. < 표 3-9> 코드타입에따른 LAP 주소변환 Code Type LAP Code Length CAC Master 72 DAC Paged unit 68 or 72 GIAC Reserved 68 or 72 DIAC Dedicated 68 or 72 CAC는피코넷의채널을나타내며채널내부의패킷들의 preamble 형태를나타낸다. CAC는항상마스터노드의 LAP를사용한다. DAC는 page와 page scan, page response 상태에사용되어 Device의 ID 역할을하게된다. 마지막으로 IAC는 Inquiry 동작에사용된다. IAC는모든노드에전송을하는 General IAC(GIAC) 와지정된노드에게만보내는 Dedicate IAC(DIAC) 로구분된다. GIAC는일반적으로 Bluetooth 유닛을발견하는동작에사용되고 GIAC와더불어 DIAC는장치가속한클래스를알아내는동작을한다. Access Code 를구성하는필드중 Sync Word(64비트 ) 는 PN(pseudo-random noise) 을생성한후 LAP(24비트 ) 와 XOR 연산을통해생성된다. - 54 -
Header 필드 Header 필드는전송되는패킷의제어정보를포함하고있으며, AM_ADDR(Active Member Address), Type( 패킷형태 ), Flow( 흐름제어 ), ARQ(Automatic Retransmission Query) 방법, SEQN(Sequence Number) HEC(Head Error Check) 로구성된다. 헤더의길이는 54비트로정의하며, 이것은 1/3 FEC(Forward Error Correction) 방식을이용하여원래 18비트인것을 54비트로확장시킨것이다. FEC방식의목적은재전송의횟수를줄이는것이다. 하지만, 다소에러가없는환경에서 FEC는처리량을감소시키는불필요한오버헤더를만든다. 그러므로 Header 필드는항상 1/3 FEC를사용하지만 Payload 필드에서는패킷의정의에따라 FEC 사용여부가유동적이다. Payload 필드 실제전송될데이터를갖는필드이다. 마. Bluetooth 에서의식별체계 Bluetooth 통신의식별은각각의장비식별을위해 BD_ADDR (Bluetooth Device Address) 주소를사용한다. BD_ADDR란 48비트크기의 MAC 주소로써 Baseband 모듈의고유한주소이다. WLAN의 MAC 주소와는달리 BD_ADDR은 LAP(24비트 ), UAP(8비트s), NAP(16비트 ) 로나뉘는데, company_id 영역의 UAP, NAP 필드는 IEEE에서 OUI(Organizational Unique Identifier) 또는 Company ID를신청하여사용할수있고, company_assigned 영역의 LAP 필드는통신장비식별에사용되는고유주소로사용할수있다. BD_ADDR은 48비트전체가 Bluetooth 장치의고유번호를나타내지만실제피코넷통신에서는 LAP(24비트 ) 필드를패킷에포함시켜식별자로사용한다. ( 그림3-13) 은 BD_ADDR의형식을나타낸다. - 55 -
( 그림 3-13) BD_ADDR 필드구조 3. LR-WPAN (IEEE 802.15.4) IEEE 802.15.4[13][16] 는 LR WPAN(Low-Rate Wireless personal area) 네트워크의 PHY와 MAC에대한표준이며저속의통신대역과저전력을목표로하는무선기술로, IEEE의 WPAN 표준위원회 (IEEE 802.15) 의 4번째 WG에서개발된표준기술을말한다. WPAN은 PC, PDA, 셀룰러폰등의무선이동기기간의통신을가능하게하며, 다른무선통신기술에비해에너지소비가낮고저가이기때문에센서네트워크에적합한통신기술로부각되고있다. 특히, IEEE 802.15.4 표준은센서네트워크에서가장적합한통신기술로인정받고있으며, 현재 ZigBee와 6LoWPAN의 PHY(Physical layer)/mac(medium Access Control) 표준으로사용되고있다. 가. LR-WPAN 프로토콜스택 IEEE 802.15.4는 WPAN의 MAC 계층과물리계층에대한표준을기술하고있다. 전체적인프로토콜스택 [16] 은 ( 그림 3-14) 와같다. 물리계층은 Multi-Band와 Multi-Rate, 두가지형태를지원하며동일한패킷구조를갖는다. 두물리계층사이의근본적인차이는주파수대역으로널리활용되는 ISM 대역인 2.4GHz와 868/915MHz 대역을사용한다. 물리계층의사용대역에따라전송속도가다르며 2.4GHz 대역에서는 - 56 -
O-QPSK 변조방식에의해 250Kbps의전송속도를제공하고, 868/915MHz 대역은 BPSK 변조방식에의해각각 20Kbps와 40Kbps 전송속도를제공한다. 데이터링크계층은물리계층의상위계층으로네트워크계층과물리계층을연결하는계층이다. 데이터링크계층은 MAC(Medium Access Control) 과 LLC(Logical Link Control) 로구성되어있다. MAC은매체접근및에러제어를담당하는계층으로데이터전송을위한통신링크의구성과한정된자원의효율적인공유를위해사용된다. LLC는상위계층 ( 네트워크계층 ) 에여러다른종류의매체접근방식들에대한일관된인터페이스를제공하기위해사용된다. ( 그림 3-14) LR-WPAN 스택구조 나. LR-WPAN 네트워크토폴로지 LR-WPAN[16] 에서는디바이스클래스를 FFD(Full Function Device) 와 RFD(Reduce Function Device), 2가지범주로분류하고있다. FFD는코디네이터 (Coordinator) 혹은디바이스 (Device) 로동작할수있는프로토콜셋이구현되어있는디바이스를말하며, RFD는 IEEE 802.15.4 프로토콜이 - 57 -
최소로구현되어동작하는디바이스를말한다. 따라서 FFD는어떠한토폴로지구성도가능하며, PAN 내에서네트워크코디네이터 (Coordinator) 역할을수행할수있고, 어떠한디바이스와도통신이가능하다. RFD는 Star 토폴로지구성만가능하며, PAN 내에서단지 FFD와통신이가능해단순한응용분야에사용된다. LR-WPAN 내에서는 Star 토폴로지, Peer-to-peer( 또는 mesh) 토폴로지를지원한다. ( 그림 3-15) 는 LR-WPAN의토폴로지구조를나타낸다. Star 토폴로지는네트워크내의코디네이터, 허브 (Hub), 노드를중간에두어노드간의연결이이뤄지고보편적으로 PC 주변장치와같은용용에쉽게적용이가능하고 Peer-to-peer 토폴로지는모든노드가통신영역내에있는노드와연결이가능하다. ( 그림 3-15) LR-WPAN 네트워크토폴로지 - 58 -
다. LR-WPAN 통신방식 LR-WPAN 통신의데이터전달모델은코디네이터로데이터전달, 코디네이터로부터데이터전달, 두 peer 디바이스간의데이터전달방식이있다. 코디네이터로데이터전달은데이터의흐름이디바이스에서코디네이터로전달하는것을말하고코디네이터로부터데이터전달은데이터의흐름이코디네이터에서디바이스로의전달을말한다. Star 토폴로지의트랜잭션을보면, 데이터는코디네이터와디바이스간에만교환되므로위의모델중두가지만필요하게된다. Peer-to-peer 토폴로지의트랜잭션을보면, 데이터는네트워크상의임의의두개의디바이스간에교환될수있으므로모든트랜잭션모델이사용될수있다. 따라서 LR-WPAN 통신에서의세가지데이터전달방법은다음과같다. 1) 코디네이터로의데이터전달코디네이터로데이터를전달하는경우는 ( 그림 3-16) 과같다. Beacon을사용하는네트워크의경우에 Beacon을위해 Listen하고 Beacon이발견되면, 디바이스는 Superframe 구조에동기화가되어적절한시점에서디바이스는 Slotted CSMA-CA를이용하여코디네이터에게 Data Frame을전송한다. 코디네이터는성공적인수신에대해선택적으로 ACK Frame을보내면서트랜잭션이완료된다. Beacon을사용하지않는네트워크의경우는 Slotted CSMA-CA를이용하여코디네이터로그냥 Data Frame을보낸다. 코디네이터는성공적인수신에대해선택적으로 ACK Frame을보내면서트랜잭션이완료된다. - 59 -
. ( 그림 3-16) 코디네이터로전달 2) 코디네이터로부터데이터전달코디네이터로부터데이터가전달되는경우는 ( 그림 3-17) 과같다. Beacon을사용하는네트워크의경우에코디네이터가데이터를디바이스에게보내려고할때, 코디네이터는데이터메시지가 pending되었다는것을 Beacon안에나타내게되면디바이스는주기적으로 Beacon에 Listen하고, Pending 데이터를확인하면, 디바이스는 Slotted CSMA-CA를이용해데이터를요구하는 MAC Command를송신하게된다. 코디네이터는성공적인수신에대해선택적으로 ACK Frame을보내고, Pending된 Data Frame은 Slotted CSMA-CA를이용해보내지게된다. 디바이스는성공적인수신에대해 ACK Frame을보내고트랜잭션을완료한다. ACK를받으면, 메시지는 Beacon안에있는 Pending Message의리스트에서제외된다. Beacon을사용하지않는네트워크인경우코디네이터가 Beacon을사용하지않는네트워크에서데이터를디바이스에게보내려고할때, 코디네이터는액세스하려고하는데이터를요청한디바이스를위해데이터를저장한다. 디바이스는 Unslotted CSMA-CA를이용해데이터를요구하는 MAC Command를송신함으로써그의코디네이터에접속할수도있다. 코디네이터는 Data Request에대한성공적인수신에대해 ACK Frame을보내고데이터가 Pending되었다면, 코디네이터는 Data Frame을디바이스에게 Unslotted CSMA-CA를이용하여송신하게된다. Data가 Pending되 - 60 -
지않았다면, 코디네이터는 Zero-length Payload 를가진 Data Format 을 Device 에 Pending 된데이터가없다는것을송신하고 Device 는 ACK 를보 내고트랜잭션은완료한다. ( 그림 3-17) 코디네이터로부터의데이터전달 3) Peer-to-Peer 데이터전달 Peer-to-Peer로데이터가전달될경우에 Peer-to-Peer PAN에서모든디바이스는그 Radio 영향이미치는범위안에서어떤디바이스와통신이가능하며, 통신을원하는디바이스는항상일정하게수신을하거나디바이스는단순히자신의데이터를동기화를위해다른측정이필요하게된다. 라. LR-WPAN MAC 프레임구조 LR_WPAN은 IEEE의 64비트와 16비트주소를사용하여노드를식별한다. 16비트주소 (Short Address) 는네트워크 ID를애드혹네트워크에부여하여관리할때사용하는주소이고, 64비트주소는 IEEE 64비트 MAC 주소로써기기마다고정된주소이다. 또한소스 PAN ID와목적노드 - 61 -
PAN ID에대한관리기능을지원하고, 다양한 PAN이어울려클러스터헤드와같은형태의네트워크를구성할수있도록고려하고있다. 이번절에서는이러한주소체계를갖는 LR_WPAN의 MAC 프레임구조와각각의필드의기능및속성을살펴보고통신에사용되는 LR_WPAN 내에서의식별체계를분석한다. LR_WPAN의일반적인 MAC 프레임구조는 ( 그림 3-18) 과같다. MAC 프레임은 MAC Header(MHR), MAC Service Data Unit(MSDU), MAC Footer(MFR) 로구성된다. MHR은무선노드간에전송되는제어정보를담당하는 Control 필드와데이터송수신시 PAN과노드를식별하는 Addressing 필드로구성된다. MSDU는장비간의통신에사용될 Frame Payload 필드로구성된다. MFR는프레임에러를체크하는 Frame Check Sequence 필드로구성된다. ( 그림 3-18) LR_WLAN 의일반적인 MAC 프레임구조 Frame Control 필드 Frame Control 필드는각프레임의맨처음시작부분에있는 2바이트필드로써, 무선노드간에전송되는제어정보를담고있다. 필드의구조는 ( 그림 3-19) 와같다. - 62 -
( 그림 3-19) Frame Control 필드구조 Destination Addressing Mode와 Source Addressing Mode는노드가가지고있는주소의유형에따라다음과같이세가지유형으로구분된다. 첫째, PAN 코디네이터로부터주소를받지못해주소가없는경우이며둘째, PAN 코디네이터로부터 16비트주소를할당받아사용하는경우이다. 마지막으로는 PAN 코디네이터로부터주소를받지못해 IEEE 802 64비트 MAC 주소인장비의고유주소를사용하는경우이다. IEEE에서관리하고있는 MAC 주소는 EUI-48비트와 EUI-64비트로두가지이다. IEEE MAC 주소는 NIC(Network Interface Card) 제조회사의고유번호와 NIC 제조번호로구성되는데, EUI-48비트는제조회사번호와제조번호가각각 24비트로구성되지만, EUI-64비트는제조회사번호가 24 비트이고제조번호가 40비트가된다. WLAN의경우 MAC 주소로 EUI-48 비트를사용하는반면, 위의마지막경우는 EUI-64비트를사용한다는것이다. 각각의모드는서로다른타입의주소정의가가능하다. 이는 PAN과 PAN뿐만아니라주소를받지못한노드까지데이터통신이가능한유연성을위한것이다. Frame Control 필드를구성하는각필드의설명은 < 표 3-10> 과같다. - 63 -
< 표 3-10> Frame Control 필드구성 필드 Frame type Security enabled Frame pending ACK request Addressing Mode Intra PAN MAC 프레임구분 000 : Beacon Frame 001 : Data Frame 010 : Acknowledge Frame 011 : MAC command Frame 설명 상호네트워크가보안기능을사용할것인지알리는필드 0 : 암호화동작사용안함 1 : 암호화동작사용 현재데이터전송후추가데이터전송여부 0: 없음 / 1: 있음 데이터또는 MAC Command Frame 을수신하는수신단말기가 1 로설정되었을때 ACK Frame 전송 00: PAN 코디네이터로주소를받지못해 PAN ID와주소필드가없는경우 01: 사용하지않음 10: IEEE 802.15.4의 16비트주소를사용하는경우 11: IEEE 802 MAC 64비트주소를사용하는경우 동일한 PAN 내에서의 MAC Frame을전송하거나또는다른 PAN 내에서의 MAC Frame을전송하는지에따라결정 Addressing 필드 LR_WPAN 네트워크에서동작하는디바이스는 64비트 Extended-address와 16비트 Short-address를갖는다. 64비트 Extended-address는 IEEE 802의 MAC 주소와같은형태로디바이스마다이미가지고있는고유한 MAC 주소로 PAN내에서디바이스간의통신을위해사용된다. 16비트 Short-address는 0x0000~0xffff 범위에서 PAN 코디네이터에의해할당되는주소로 PAN내에서디바이스간의통신을위해사용된다. star 토폴로지구조에서는 64비트주소와 16비트주소를모두사용함으로써네트워크내에서단독주소사용시발생할수있는오류를 - 64 -
방지한다. Peer-to-peer 토폴로지구조에서는디바이스간통신을위해 Source Address 와 Destination Address 필드정보를이용한다. PAN Identifier 필드 각기독립적인 PAN 에서의고유의 PAN ID 값으로 16 비트또는 64 비트 의길이를가진다. Sequence Number 필드 전송되는프레임에대한고유한순번을나타낸다. Frame Payload 필드 실제전송될데이터를갖는필드를나타낸다. LR-WPAN 에서 MAC Frame 은 Beacon Frame, Data Frame, Acknowledge Frame, MAC Command Frame 으로 4 개의 Frame 을정의한 다. 다음은각프레임의기능및구조를설명한것이다. 1) Beacon Frame Beacon Frame은 Beacon을사용하는네트워크내에서코디네이터에의해송신된다. Beacon Frame은상대방디바이스를깨우며그들의주소가있는지 Listen하고, 수신된주소가없으면다시 Sleep 상태가된다. 따라서 Beacon Frame은 Mesh나 Cluster-tree 네트워크에서소량의배터리를소모하면서모든노드가계속동기화되기때문에중요하다. ( 그림 3-20) 은 LR-WPAN의 Beacon Frame 구조이다. - 65 -
( 그림 3-20) LR-WPAN 의 Beacon Frame 구조 2) Data Frame Data Frame은 LR-WPAN의 Frame에서가장기본저인구조를갖는다. 이구조는데이터송수신에이용된다. ( 그림 3-21) 은 LR-WPAN의 Data Frame 구조이다. ( 그림 3-21) LR-WPAN 의 Data Frame 구조 3) Acknowledge Frame Acknowledge frame 패킷이에러없이수신되었다는것을송신자에게확인시켜주기위해수신자로부터제공되는프레임이다. Frame Control 필드와 Data Sequence 필드는원래패킷에서그대로가져온다. 전송의성공여부는 Acknowledge Frame에전송한프레임의순번과동일한순번을포함하고있는지여부로써알수있다. ( 그림 3-22) 는 LR-WPAN의 Acknowledge Frame 구조이다. - 66 -
( 그림 3-22) LR-WPAN 의 Acknowledge Frame 구조 4) MAC Command Frame MAC Command Frame은상대방노드의원격제어에사용된다. Data Payload 부분에 command type과 command를넣는다. ( 그림 3-23) 은 LR-WPAN의 MAC Command Frame 구조이다. ( 그림 3-23) LR-WPAN 의 MAC Command Frame 구조 마. LR-WPAN 에서의식별체계 LR_WPAN 네트워크에동작하는디바이스는 64비트 Extended-address 와 16비트 Short-address를사용하여노드를식별한다. 64비트 Extended-address는 IEEE 802의 EUI-64비트 MAC 주소와같은형태로디바이스마다이미가지고있는고유한 MAC 주소이며 PAN내에서디바이스간의통신을위해사용된다. 16비트 Short-address는 0x0000~0xffff 범위에서 PAN 코디네이터에의해할당되는주소로 PAN내에서네트워크 ID를애드혹네트워크에부여하여관리할때사용된다. PAN 코디네이터로 - 67 -
부터주소를할당받아사용하는경우는 16비트 Short-address를사용하지만, 그렇지못한경우엔장비의고유 MAC 주소인 64비트 Extended-address 를사용한다. 이러한주소는 LR-WPAN 네트워크토폴로지구조에따라사용하는형태가달라진다. 우선 star 토폴로지구조에서는 64비트주소와 16비트주소를모두사용함으로써네트워크내에서단독주소사용시발생할수있는오류를방지한다. Peer-to-peer 토폴로지구조에서는디바이스간통신을위해 Source Address와 Destination Address 필드정보를이용한다. 또한 LR_WPAN에서는소스 PAN ID와목적노드 PAN ID에대한관리기능을지원하고다양한 PAN이어울려클러스터헤드와같은형태의네트워크를구성할수있도록고려하고있다. 4. UWB (IEEE 802.15.4a) 미국의 FCC( 연방통신협회 ) 는 UWB를 중심주파수의 20% 이상점유대역폭을가지거나 500MHz 이상의점유대역폭을차지하는무선전송기술 로정의한바있다. 따라서대역폭만 500MHz 이상확보한기존캐리어변조기술도 UWB 기술로구분이가능해진다. 일반적으로는 3.1~10.6GHz 대역에서 100Mbps 이상속도로, 기존의스펙트럼에비해매우넓은대역에걸쳐낮은전력으로초고속통신을실현하는근거리무선통신기술로규정된다 [13][16][39]. UWB의가장큰특징은초광대역을활용하면서동시에출력이상대적으로낮다는점이다. ( 그림 3-24) 에서보는바와같이다른시스템과함께비교해보면, UWB 시스템의경우, 기존협대역시스템이나광대역 CDMA 시스템에비해매우넓은주파수대역에걸쳐상대적으로낮은스펙트럼전력밀도를바탕으로구성됨을확인할수있다. 다른통신시스템에간섭을방지하기위해신호에너지를여러 GHz 대역폭에걸쳐스펙트럼으로분산, 송신함으로써다른협대역신호에간섭을주지않고주파 - 68 -
수에크게구애받지않으며통신을할수있도록하는것이다. 이러한속 성은주파수를공유, 사용할수있으면서동시에매우적은전력만을필 요로한다. ( 그림 3-24) UWB 의정의 기술방식스펙과관련하여 < 표 3-11> 은 UWB와 WLAN, Bluetooth, ZigBee와의비교를보여주고있다. UWB는특히기존의 WLAN이나 Bluetooth 등에비해높은전송속도와낮은전력소모등에서월등히앞서기때문에고성능휴대용기기간의접속기술방식으로각광받을수있으며, 낮은전력소모는휴대용기기의배터리문제를해소시킨다. 특히수백 Mbps에이르는높은전송속도는고화질영상데이터를포함한거의모든현존하는데이터를무리없이송수신이가능하다. 다만낮은출력은좁은커버리지로인해공중망을통한서비스솔루션이개발되기에는부적절한것으로분석된다. 따라서이러한면을종합적으로고려할때, UWB 는다른어떤형태보다도근거리개인통신망 (WPAN; Wireless Personal Area Network) 으로서의가치평가가가능하며, 혁명적인차세대무선통신기술이다. - 69 -
< 표 3-11> UWB 와여타통신기술과의비교 WLAN 11g WLAN 11n Bluetooth ZigBee UWB Freq. 868/915M/2.4 2.4GHz 5GHz 2.4GHz Band G 3.1~10.6GHz Mbps 54Mbps 500Mbps 1Mbps 20/40/250Kbp s 500Mbps Coverage 1km 1km 10m 30m 2~10m 다중접속 MB OFDM 방식 OFDM/DSSS MIMO-OFDM Freq. Hopping CSMA-CA DS-CDMA 특징 - - 다양한통신지원 ( 음성, 팩스, AV) - - 고속Data전송장수명저전력 - 간섭에 - 전송안정성강함 응용분야 Hotspot [Note PC] Hotspot [PC Mobile] 근거리유선대체 저전력저가의기기제어 근거리고속통신 가. UWB 주파수대역 IEEE 802.15.4a는 FCC에서통신용으로허가한 3.1~10.6GHz 주파수대역및 1GHz 아래주파수대역을 ( 그림3-24) 와같이크게 sub-ghz band, low-band, high-band 3개의대역으로나누었으며, 모두 16개의채널을할당하였다. 그리고채널 0번, 3번, 9번을각대역의 mandatory 채널로정하고반드시이중하나를구현하도록하고있다 [42]. ( 그림 3-24) 와같이채널을운용하였을경우여러가지장점이있다. 그중하나는향후간섭문제를피할필요가생겨났을때이에유연하게대응할수있다는것이다. 특정일부대역이어느나라에서는문제없이 UWB 를사용할수있으나다른나라에서는다른통신과의간섭이심각한상황일수있다. 이러한경우간섭을피하기위해어느지역에서는특정대역을사용하지않도록할필요가있다. 이때그대역을포함하고있는대역을사용하지않음으로써이문제에대응할수있다. 또한 ( 그림 3-25) 에서채널 4번, 7번, 11번, 15번을제외하고 mandatory 채널을포함한나머지 - 70 -
채널의주파수대역폭이같으므로기본이되는무선기술은수정하지않아도된다. 즉기존주파수대역과같은기술을적용할수있다. 우리나라에서도 3.1~4.8GHz 및 7.2~10.2GHz의주파수대역을 UWB용으로사용하도록허가하였다. 그러나 3.1~4.8GHz 대역에서는간섭회피기술 (Detection And Avoid:DAA) 을적용하여야하며, 단 4.2~4.8GHz 대역에서는 DAA 적용을 2010년 6월까지유예하기로하였다. 따라서 IEEE 802.15.4a 표준에부합하는 WPAN 시스템개발시, 주파수대역현황을잘파악하여야한다. ( 그림 3-25) IEEE 802.15.4a 주파수운용상황 나. UWB PHY 시스템규격 UWB PHY는임펄스 (impulse) 방식에기반을두고있으며, 각각의주파수대역에서고유의획득코드를이용하여 2개의 PAN을구성할수있다. ( 그림 3-25) 에서 0, 3, 9번주파수대역중한개의대역에서 2개의 PAN 을반드시구현하도록되어있다. 그리고칩레이트 (chip rate) 는위세가지 mandatory 주파수대역에대해모두 499.2MHz로동일하다. UWB PHY를위한변조방식은동기수신과비동기수신을모두지원하기위해서 BPM과 BPSK를결합한형태를취하고있으며, 각신호는 UWB 펄스여러개를모아놓은 burst로구성되어있다. 여기서 burst의길이를조절함으로써다양한데이터서비스를제공한다. - 71 -
다. UWB 프레임구조 UWB 프레임구조 [40] 는 ( 그림 3-26) 과같이 SHR 프리앰블, PHY 헤더, 페이로드로구성된다. SHR 프리앰블은신호획득, 동기, 채널추정, ranging 을위한 leading edge detection 등의수신단알고리듬을수행하기위한것이고, PHY 헤더에는프리앰블모드, 데이터전송률, 페이로드길이정보등이포함되어있다. 그리고페이로드는전송해야할 MAC 데이터를포함한다. ( 그림 3-26) UWB 프레임형태 SHR Preamble 필드 SHR Preamble 필드는신호가반복되는구간인 SYNC필드와 Preamble 이끝났음을알리는 SFD 필드로구성되며, 신호획득, 주파수옵셋추정, 채널추정등수신단알고리즘을위해사용된다. ( 그림 3-27) 는 SHR 프리앰블구조이다. Preamble 신호는 31 또는 127비트 ternary 코드 (+1, -1, 0으로이루어진코드 ) 로이루어져있으며, 각채널마다두개의 ternary 코드가할당된다. lowband에대한채널 1, 2, 3번에할당되는 ternary 코드예는 < 표 3-12> 와같다. 이 ternary 코드는 periodic correlation 특성이자신의코드가곱해졌을때 peak값을가지고나머지부분에서는모두 0이기때문에서로다른 PAN을구분하는코드로도사용된다. - 72 -
( 그림 3-27) SHR 프리앰블구조 < 표 3-12> Ternary 코드 Ch.# Code 1-0000+0-0+++0+-000+-+++00-+0-00 1 +0+0-0+0+000-++0-+---00+00++000 2 -+0++000-+-++00++0+00-0000-0+0-2 0000+-00-00-++++0+-+000+0-0++0-3 -0+-00+++-+000-+0+++0-0+0000-00 3 ++00+00---+-0++-000+0+0-+0+0000 PHY Header 필드 PHY header 필드는데이터전송률, 프리앰블구간길이, ranging을알리는플래그 (flag) 정보를가지고있는 8비트길이의 rate 필드와전송해야할페이로드의길이정보를가지고있는 8비트길이의 length 필드로구성되어있다. Payload (MAC Data) 필드 IEEE 802.15.4a MAC은기본적으로 IEEE 802.15.4 MAC을따른다. IEEE 802.15.4 MAC의특징인슈퍼프레임구조를이용함으로써저전력기능을수행할수있다. 채널접근을위하여기본적으로 CSMA-CA 방식을사용하며, 데이터전송률및적용거리의유동성을증가시키기위해 UWB PHY에 ALOHA 방식을사용한다. - 73 -
5. ZigBee ZigBee란 IEEE 802.15.4 기반으로저전력과저가격을목표하는저속근거리개인무선통신의국제표준스펙이다 [18][19]. ZigBee는 IEEE 802.15.4 표준의물리계층 (PHY) 과매체접근제어계층 (MAC) 위에상위프로토콜표준을정의하는것을목표로한다. ZigBee는전력소모가적고칩가격이저렴하며통신의안정성으로원격제어, 원격관리, 원격모니터링에적합하여가정, 공장, 산업자동화에활발하게적용되고있다. 가. ZigBee 프로토콜스택 ZigBee 프로토콜스택 [16][19] 은여러개의계층으로구성되는데각계 층은상위계층에특정서비스들을제공한다. 전체적인프로토콜스택은 ( 그림 3-28) 과같다. ( 그림 3-28) ZigBee 프로토콜스택 ZigBee 에대한하위계층은 IEEE 802.15.4 표준에서정의된물리계층 (PHY) 과데이터링크계층 (MAC) 을그대로활용하고상위계층은 ZigBee - 74 -
Alliance에서네트워크계층 (NWK) 과응용지원계층 (APS) 으로나누어정의한다. 네트워크계층과응용지원계층은보안서비스제공자 (security service provider) 의도움으로보안서비스를제공한다. Zigbee 보안서비스는대칭키암호방식을이용하여두노드간의비밀키설정과상호인증과정을수행하고, 이키를이용하여 MAC 계층, 네트워크계층, 응용지원계층에대한데이터프레임의보안기능을제공한다. 나. ZigBee 네트워크토폴로지 ZigBee 네트워크 [19] 는 ZigBee 코디네이터 (Coordinator), ZigBee 라우터 (Router), ZigBee 엔드디바이스 (End Device) 라는세가지유형의디바이스로구성된다. ZigBee 코디네이터는네트워크당한개만존재하며전체네트워크를중심으로네트워크설정, 유지, 관리, 네트워크주소할당등의기능을한다. ZigBee 라우터는네트워크에서라우터역할을담당하며 Multi-hop 라우팅메시지를전달하는기능을한다. ZigBee 엔드디바이스는간단한기능만을가지고제한적인프로토콜기능을지원한다. ZigBee 토폴로지는이러한장비의구성형태에따라 Star 토폴로지, Tree 토폴로지, Mesh 토폴로지로구분된다. Star 토폴로지에서는 ZigBee 코디네이터가네트워크의시작과유지를담당하며, 모든노드들은 ZigBee 코디네이터를통해서통신한다. Mesh및 Tree 토폴로지에서 ZigBee 코디네이터는몇개의중요한네트워크파라미터 (parameter) 만을결정하고 ZigBee 라우터들에의해서네트워크확장이가능하다. 또한 Tree 토폴로지에서는라우터가계층적인라우팅전략에따라서데이터와제어메시지 (control message) 를전송한다. Mesh 네트워크에서는모든노드들이 peer-to-peer 방식의통신이가능하다. 이같은토폴로지는응용서비스분야에따라다르게설계되어진다. ( 그림 3-29) 는 ZigBee 네트워크토폴로지를나타낸다. - 75 -
( 그림 3-29) ZigBee 네트워크토폴로지 다. ZigBee 통신방식 ZigBee가메시네트워크에서는네트워크코디네이터와디바이스가 FFD 와 RFD의역할을하면서노드당최대 255대의기기연결이가능하며, 최대 65000개의노드확장연결이가능하다. 이러한모든디바이스들은트랜시버와 8비트 MCU(Micro Controler Unit) 및두개의 AAA 배터리만으로도구성할수있다. 중복된진로를통과하는동안에하나의센서또는네트워크의노드로부터생긴신호는데이터의라우팅을위해가장근접한경로를찾거나마스터로부터직접연결또는다단계의호핑을통하여데이터연결을완료한다. ( 그림 3-30) 은 ZigBee의통신방식을나타낸다. 라. ZigBee 에서의식별체계 ZigBee는 IEEE 802.15.4 표준을기반으로하고있으며 PHY, MAC 계층에서사용하는주소체계를그대로가져와활용한다. 그러나 IEEE 802.15.4에서는 MAC 계층에서사용되는 16비트주소를하나의 PAN 코디네이터가할당하는것과는달리, ZigBee에서는특정노드가새롭게 ZigBee 네트워크에참여하려할때자신의부모노드에있는 ZigBee 코 - 76 -
디네이터혹은 ZigBee 라우터가자신의자식이될노드에게주소를부여한다. 이때부여되는주소는하나의 ZigBee 네트워크내에서는유일한값이다. 자신만의주소를부여받은노드들은이주소를통해네트워크내에서독립적인개체로존재한다. ZigBee 네트워크의각노드들은네트워크내의다른노드들과 1:1 통신이가능하며, 싱크노드혹은게이트웨이의추가적인기능이갖추어진다면다른네트워크의기기들과 1:1 통신도가능해진다. 그러나 ZigBee의주소는 ZigBee 네트워크단위로부여되기때문에다른 ZigBee 네트워크의주소와겹칠가능성이있고같은 PAN(Personal Area Network) ID를부여받는 ZigBee 네트워크가여러개존재할가능성도있다. ( 그림 3-30) ZigBee 통신방식 ZigBee 네트워크안의모든노드들은 ZigBee 계층구조라우팅에의해주소할당이이루어진다. 따라서어떤노드가새롭게 ZigBee 네트워크에참여할때이노드의부모가되는코디네이터혹은라우터노드가정해진식에따라분산주소할당메커니즘 (Distributed Address Assignment Mechanism) 을이용하여 16비트주소를부여한다. 분산주소할당메커니즘에의한주소할당은 ZigBee 코디네이터나라우터가자신의자식노드 - 77 -
의주소만을할당하고관리하기때문에기존에하나의코디네이터가모든노드의주소를관리함으로써발생될수있는네트워크트래픽을감소시키는데효과적이다. 이때부여되는주소가하나의 ZigBee 네트워크내에서노드들을구분하는유일한주소가된다. 다음은 ZigBee에서정의된분산주소할당메커니즘을나타낸다. -Cn : 최대자식의개수 -Ln : 네트워크트리의최대깊이 -Rn : 자식으로가질수있는최대 ZigBee 라우터개수 -d : 현재노드깊이 -Cskip(d) : 깊이 d 노드가가질수있는주소의부분크기 -n : djejs 부모노드를통해네트워크참여한노드의순서 -A : parent : 부모노드의수 -An : n번째자식의주소 1+Cn ( Ln-d -1) if(rn =1) Cskip( Ln -d -1 d)={ 1+Cn- Rn- Cn Rn,otherwise 1-Rn [ 수식 1] < 표 3-13> 은위에서정의된분산주소할당메커니즘을이용하여 Cn = 3, Ln = 2, Rn = 3 값을가지는경우의네트워크깊이에따른오프셋값, Cskip(d) 의예이다. < 표 3-13> 네트워크깊이에따른오프셋값 (Cn = 3, Ln = 2, Rn = 3) 네트워크깊이오프셋값, Cskip(d) 0 4 1 1 2 1-78 -
Cn = 3, Ln = 2, Rn = 3인네트워크에서코디네이터에처음으로한노드가참여를하면자신의주소에 1 을증가시킨즉, 짧은주소 1 을그노드에게할당하게된다. 두번째로참여하는노드에게는자신의 Cskip(d) 가 4 이므로첫번째노드주소에 4 를더한 5 를짧은주소로할당한다. 세번째로참여하는노드에게는자신의 Cskip(d) 가 4 이므로두번째노드주소에 4 를더한 9 를짧은주소로할당한다. ( 그림 3-31) 은 ZigBee 네트워크의 16비트주소를할당하는예를나타낸다. ( 그림 3-31) ZigBee 네트워크 16비트주소할당 (Cn = 3, Ln = 2, Rn = 3) A < D < A+Cskip(d 1) [ 수식 2] 위에서살펴보았듯이 ZigBee 계층구조라우팅에서는 16비트주소가논리적인수식을통해부여되기때문에 [ 수식2] 를데이터프레임의목적지 16비트주소를통해목적지가자신의주소블록내에존재하는지를알수있다. 만약목적지의주소 A가자신의주소와자신의주소에 Cskip(d-1) 값을더한것보다작다면목적지는자신의자손들중에하나라는의미이다. 노드는이러한계산을자식들에게적용시켜자신의자식들중목적지를 - 79 -
자손으로가진다고계산된노드에게데이터프레임을포워딩한다. 6. 6LoWPAN IETF 6LoWPAN WG[20] 은센서네트워크의 IEEE 802.15.4 기반 Low-Rate WPAN과 IPv6 네트워크를직접연동하는기술로 6LowPAN(IPv6 over Low power WPAN) 에대한연구및표준화를진행중이다. 현재진행되고있는센서네트워크프로젝트대다수는자체프로토콜을사용하는 Non-IP 기술로, 인터넷과직접연동되지않는다. 이러한단점을보완하고자 6LoWPAN에서는개별센서노드까지 IPv6 스택을보유하는형태를취한다. 가. IPv6 의식별체계 6LowPAN의각노드들이가지는 IPv6 주소는 EUI-64 식별자를이용해생성한다. 이주소는 6LowPAN 네트워크내에서뿐만아니라전세계적으로유일한주소값이다. 이러한 IPv6 주소생성방식은기존 IPv4 주소와유사하게수동생성 (Manual Configuration), 주소할당에의한자동생성 (Stateful Address Auto configuration) 그리고임의의자동생성 (Stateless Auto configuration) 으로구분된다. 다음 < 표 3-14> 는 IPv6 주소생성방식을나타낸다. 표에서보는바와같이, 자동생성 방식은 IPv6 주소체계의새로운기능중의하나로써각종단말에 IPv6 주소가자동적으로생성되도록한다. 따라서일반 PC뿐만아니라콘솔이나디스플레이가없는 Embedded OS 및 non-pc 장치까지 IPv6 주소를부여하고자한다. IP 주소자동설정기능을이용함으로써사용자는별도의 IPv6 주소를설정할필요가없으며, 관리자또한사용자별로 IP 주소를할당해야하는관리상의불편함을줄일수있다. - 80 -
< 표 3-14> IPv6 주소생성방식 주소생성방식수동생성자동생성임의의자동생성 설명 관리자또는사용자가직접자신이사용할 IPv6 주소를수동으로입력하는방식 IPv6 주소를할당하는별도의서버가존재하고시스템이주소할당시스템으로부터적절한주소를할당받는방식이다. 기존 IPv4의 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 와유사한개념 별도의주소관리시스템없이, 단말이스스로자신이이용할 IPv6 주소를생성하는방식으로, 각단말간중복되지않는고유의구분자 ( 예 : MAC 어드레스 ) 를이용하여주소를생성 일반적으로 IPv6 단말이이용하는주소에는 Link Local 주소와 Global 주소가있다. Link Local 주소는단일네트워크내에서이용되는주소이고주로관리및내부통신목적으로활용된다. 반면에 Global 주소는외부의 IPv6 네트워크와데이터통신을하기위해이용된다. Link Local 주소와 Global 주소, 모두 IP 주소자동설정에의해생성된다. IPv6 주소의자동생성은네트워크에할당된 64비트 Prefix와인터페이스의 64비트 Interface ID의조합으로이루어진다. 즉라우터에할당된 64비트 Prefix와인터페이스 ( 랜카드 ) 에부여되어있는 MAC 어드레스의조합을통해총 128비트의 IPv6 주소가자동으로생성되는것이다. 다음은 자동생성 방식의 IPv6 주소생성절차를나타낸다. - 81 -
1) IPv6 - Prefix 생성절차 [Step 1] 네트워크의새로운단말은 Link Local 주소를생성하고인터페이 스에할당을한다. Link Local 주소는 fe80:0000:0000:0000:0000 형태를취한다. [Step 2] Step1 에서생성한 Link Local 주소가같은네트워크내에존재하 는지확인 (DAD: Duplicate Address Detection) 한다. 가. 새로운단말이 Neighbor Solicitation(NS) 메시지를네트워크에전송한다. 나. 만약다른단말이동일한주소를사용하고있으면, 그단말이 Neighbor Advertisement(NA) 메시지를전송한다. 다. 만약일정기간동안 NS 메시지를받지못하면, NS 메시지를보낸새로운단말이 Link Local 주소를이용한다. 라. 만약 NS 메시지를보낸단말이 NA 메시지를통해자신이생성한 Link Local 주소가다른단말과중복됨을확인하면, Link Local 주소를네트워크인터페이스에할당하지않는다. [Step 3] 새로운단말은라우터로부터네트워크정보를얻기위해새로생성한 Link Local 주소를이용하여 Router Solicitation 메시지를네트워크에전송한다. RS 메시지를전송하는것은필수는아니며, RA 메시지가올때까지기다릴수도있다. - 82 -
[Step 4] RS 메시지를받은단말 ( 주로라우터 ) 은 Router Advertisement(RA) 메시지를전송한다. RA 메시지는주기적으로네트워크에브로드캐 스트하기때문에반드시 RS 메시지가필요한것은아니다. [Step 5] RA 메시지를받은단말은 IPv6 Prefix( 상위 64 비트 ) 정보를얻게 된다. [Step 6] 단말은 Link Local 주소생성때와유사하게 Prefix 정보와인터 페이스 ID( 하위 64 비트 ) 를조합하여 128 비트 Global Address 를 생성한다. 2) IPv6 - Interface ID 생성절차인터페이스 ID가생성되는방식은인터페이스의종류에따라다르다. 일반적인 Ethernet 인터페이스의경우, IEEE EUI-64(Extended Unique Identifier-64) 주소가생성된다. [Step 1] 우선 48 비트의 Ethernet 인터페이스 (MAC) 를각각 24 비트로구분 하여, Company ID( 제조사 ID) 와 extension ID( 제품 ID) 로분류 한다. [Step 2] 각각 24 비트의중앙에 "ff fe" 를삽입한다. - 83 -
[Step 3] Company ID 의 8 비트중 7 번째비트에 Universal/Local" 비트 임을나타내는수치가더해진다. 1 이면 Universal 관리주소, 0 이면 Locally 관리주소이다. [Step 4] Company ID 의 8 비트중 8 번째비트에 Individual/Group" 비 트임을나타내는수치가더해진다. 0 이면유니캐스트주소, 1 이 면멀티캐스트주소이다. - 84 -
다음은위과정을통해생성된주소의예이다. 2001:2b8:80:12:209:6bff:fee3:f8be IPv6 주소중 Interface ID 부분은 209:6bff:fee3:f8be 이며 16 진수를 2 진수로변경하면아래와같다. 0000001000001001 : 0110101111111111 : 1111111011100011 : 1111100010111110 위 2진수중 7번째비트가 1로되어있으므로 Universal administrated address 이고, 8번째비트가 0이므로유니캐스트주소이며, 주소생성절차에의해 25번째비트에서 40번째비트까지가 11111111 11111110(16진수 ff fe) 로채워진것을확인할수있다. 나. 6LowPAN 에서 IPv6 식별체계적용방법 IEEE 802.15.4에서 IPv6의패킷을전송하기위해서는해결해야할문제가존재한다. IPv6 패킷의 MTU(Maximum Transmit Unit) 크기가 1280 바이트인데반해 802.15.4에서전송할수있는최대크기가 127바이트로크게차이가난다는것이다. 여기에 MAC 프레임오버헤드를위해 25바이트, 보안을위한 AEC-CCM-128이사용된다면 21바이트가사용되므로, 오버헤드의크기가최대가된다면페이로드크기는 81바이트만남게된다. 즉, IPv6 패킷을 802.15.4 환경에서전송가능하도록하기위해서는 1280바이트를 81바이트로분할처리하기위한패킷단편화와재결합기능이요구된다. 그러나 IPv6는 RFC 2460에따라 1280바이트이하의패킷단편화를지원하지않는다. 더욱이 IPv6의헤더가 40바이트이기때문에 - 85 -
UDP와같은상위계층프로토콜의경우 41바이트만이여유공간으로사용할수있으며, 다시헤더에서 8바이트가사용되기때문에, 최종적으로애플리케이션데이터를위한공간은 33바이트밖에되지않는다. IETF의표준인 RFC 4944는이러한문제를해결하기위해단편화와재결합및헤더압축기능을제공하는 LoWPAN Adaptation Layer를제안하고있다 [21][22]. 1) LoWPAN Adaptation Layer와프레임형식 LoWPAN Adaptation Layer는 802.15.4 MAC 계층에서전송을위해 LoWPAN encapsulation 형식을정의하고있다. LoWPAN encapsulation 형식은 Dispatch, Mesh Addressing, Fragmentation의 3가지유형을제안하고있다. 이 3가지유형중 Dispatch와 Mesh Addressing은단편화가발생하지않았을경우에대한프레임유형이다. Dispatch 유형과헤더 Dispatch 유형은첫번째비트를 0 으로두번째비트를 1 로지정하는 방식으로구조는다음과같다. Dispatch는 6비트의선택자 (selector) 로서 Dispatch 헤더의뒤에나오는헤더유형을식별하게되며, type-specific header는 Dispatch 헤더에의해결정되는헤더를나타낸다. 6LoWPAN의패킷을표시하는 dispatch 코드패턴은 < 표 3-15> 와같다. - 86 -
< 표 3-15> 6LoWPAN Dispatch 코드패턴 패턴 헤더타입 설명 00 xxxxxx NALP LoWPAN 프레임아님 01 000001 IPv6 Uncompressed IPv6 주소 01 000010 LoWPAN_HCI LoWPAN_HCI compressed IPv6... Reserved 현재미사용 01 010000 LoWPAN_BC0 LoWPAN_BC0 broadcast... Reserved 현재미사용 01 111111 ESC 추가 dispatch, 바이트가따라옴 Mesh Addressing 유형과헤더 두번째 Mesh Addressing 유형은첫번째비트를 1 로두번째비트를 0 으로지정하는방식으로구조는다음과같다. Mesh Addressing 유형은 V, F, HopsLft의 3가지필드를정의하고있으며, V 필드는근원지 (Originator) 의주소가 64비트나 16비트에따라 0과 1 을설정하게된다. F 필드는목적지주소에따라설정되며, HopsLft는 4 비트필드로다음홉에패킷을전달하기전에각전송노드가감소시키는값이저장되며, 값이 0이되면패킷은더이상전달되지않게된다. Fragmentation 유형과헤더 Fragmentation 유형은 IPv6 패킷의단편화가발생했을경우를위해제 시되었으며, 첫번째단편과두번째이후의헤더형식은다음과같다. - 87 -
Fragmentation 유형은 datagram_size, datagram_tag, datagram_offset의세가지필드를정의하고있다. datagram_size는전체 IP 패킷의크기를부호화한 11비트의필드이다. 이필드의값은한 IP 패킷으로부터분할될모든단편들에서동일하게나타나야한다. datagram_tag는각단편들의식별을위해송신자가 1씩연속적으로증가시키는값이며, 0부터 65535 사이의값을지정할수있고초기값은정해져있지않다. datagram_offset 필드는두번째이후의단편에서만나타나는필드로, 전체패킷의시작위치에서부터계산한단편의위치를나타낸다. 단편화된패킷의재결합은 datagram_tag와 datagram_offset 필드의값으로수행된다. datagram_tag 필드는단편화된패킷을순서대로배치할수있도록하며, datagram_offset을통해해당위치에맞게연결된다. datagram_size는생략될수있으나, 있을경우보다효율적으로재결합수행이가능해진다. 2) 헤더압축헤더압축에사용되는패킷형식은 Dispatch 값을재사용하는것으로정의하고있다. RFC 4944에서는네트워크계층의 IPv6와전송계층의 UDP 헤더에대한압축기법만을정의하고있다. IPv6 헤더필드의인코딩 다음의 IPv6 헤더값들은 6LoWPAN 망에서일반적으로예측이가능하 - 88 -
므로, 압축하여 HC1 헤더로만들수있다. - Version : 모든패킷을 IPv6로가정 - IPv6 송신자와수신자주소 : link local 주소 - 송신자나수신자의 IPv6 인터페이스식별자 ( 하위 64비트 ) : 802.15.4 MAC 주소로추출 - 패킷길이 : IEEE 802.15.4 PPDU의프레임길이나단편헤드의 datagram_size 필드로추출 - 트래픽클래스와플로우레이블 : 0으로대체 - Next 헤더 : UDP, ICMP, TCP IPv6 헤더필드에서 Hop Limit 필드는압축되지않고항상완전하게전송되어야한다. 일반적인 40바이트의 IPv6 헤더는 HC1 인코딩을위한 1바이트와 Hop Limit를위한 1바이트로압축할수있다. 압축된헤더의형식은다음과같다. HC1 인코딩의 7번비트이후에는 HC2 인코딩이올수있는데, 이경우압축할수없는필드는 HC2 인코딩뒤에붙게된다. HC1 인코딩에의해부호화되는주소필드에대한해석은 < 표 3-16> 과같다. - 89 -
< 표 3-16> HCI 인코딩에의한주소필드해석 약어 PI(Prefix carried in-line) PC(Prefix Compressed) II(Interface identifie Carried in-line) IC(Interface identifie Compressed) 의미 Prefix가압축되지않음 ( 인코딩의뒤에붙음 ) Prefix가압축됨 Interface Identifier가압축되지않음 Interface Identifier가압축됨 ( 링크계층주소사용 ) HC1 인코딩필드의 0번비트부터 3번비트까지 4개의비트는주소에대한압축을나타낸다. 0번과 1번은 IPv6 소스주소의압축상태를나타내고 2번과 3번비트는목적지주소의압축상태를알려주게되며, 다음 < 표 3-17> 과같은 4가지경우로조합되어사용될수있다. < 표 3-17> 주소압축상태 소스 / 목적지주소 의미 내용 00 PI, II Prefix와 Interface Identifier 모두압축되지않음 01 PI, IC Interface Identifier만압축됨 10 PC, II Prefix만압축됨 11 PC, IC Prefix와 Interface Identifier 모두압축됨 4번비트는트래픽클래스와플로우레이블의압축상태를의미한다. 값이 0인경우는압축되지않았음을알리며, 값이 1인경우는트래픽클래스와플로우레이블의값이 0임을알린다. 5번과 6번비트는 Next 헤더필드의압축상태를표시한다. 값이 00이면 IPv6 헤더내의 Next 헤더필드의값이그대로전달되며, 01인경우 UDP, 10인경우 ICMP, 11인경우 TCP를의미한다. 7번비트는 HC2 encoding 필드의존재유무를알린다. 값이 0이면더 - 90 -
이상의인코딩필드가없음을으미하며, 값이 1 이면 HC2 인코딩필드가 존재함을의미한다. 5 번, 6 번비트의값을바탕으로 HC2 인코딩필드의 종류를구분할수있다. UDP 헤더필드의인코딩 HC1 인코딩의 5번과 6번비트가 01로설정되게되면 Next 헤더가 UDP임을의미하고이경우 UDP 헤더에대한압축이가능하게된다. UDP 헤더내부의소스포트, 목적지포트, 길이는다음과같이 HC_UDP 인코딩으로압축할수있지만, UDP 헤더의체크섬은압축할수없다. HC_UDP 인코딩을위한 8개의비트는 < 표 3-18> 과같이구성된다. 3번부터 7번비트는아직까지그용도가정의되지않았다. 원래 16비트인 UDP 소스포트와목적지포트는번호 61616인 P와 short_port 값의합에의해계산해서복구할수있다. short_port 값은전송될수있는 4비트값으로표현된다. 2번비트에서표현되는길이는 IPv6 헤더길이에대한정보로부터계산하여얻을수있다. - 91 -
< 표 3-18> HC_UDP 인코딩필드 비트번호값의미 0번비트 (UDP 소스포트 ) 1번비트 (UDP 목적지포트 ) 2번비트 ( 길이 ) 0 압축되지않음 1 16비트소스포트가 4비트로압축됨 0 압축되지않음 1 16비트소스포트가 4비트로압축됨 0 압축되지않음 1 압축됨 7. WiBEEM WiBEEM[25][26][27] 기술의가장큰특징은비컨모드에서도메시 (Mesh) 네트워크가안정적으로동작하여낮은전력을소모하는효율적인무선네트워크라는것이다. 무선메시네트워크가안정적으로동작한다는것은기존의무선통신이유선통신기술을백본네트워크로사용하여통신을하는것에서한단계올라선기술이다. 따라서통신범위내에있는모든센서네트워크기기는물론 RF 범위바깥에있는기기도중간의기기들이존재하면직접적으로통신이가능함을의미한다. 이와같이 WiBEEM 기술은 WPAN 응용을위해효율적인통신방법을제공하고유비쿼터스환경에맞도록이동성을지원하는무선프로토콜이다. WiBEEM의통신모드는마스터-슬레이브방식을기본으로하고있지만비컨을사용한메시네트워크방식도가능하다. 메시네트워크방식의경우하나의디바이스를코디네이터로지정하고, 코디네이터를제외한다른모든디바이스는코디네이터와직접통신하는최종디바이스가된다. 코디네이터는비콘을사용해통신이필요한경우에만해당노드를활성화시킴으로써전력소모를극소화하였다. - 92 -
또한, 메시네트워크상의특정노드가다른모든노드들을인식하지못할 때네트워크를스스로구성할수있다. ( 그림 3-32) 는 WiBEEM 의프로토콜스택을나타낸것이다. ( 그림 3-32) WiBEEM 프로토콜스택 WiBEEM 프로토콜의 MAC은다른 IEEE 802.11이나 IEEE 802.15.3 기반의무선네트워크에서와마찬가지로채널접근방식에따라 CSMA/CA 방식을사용한다. 또한 WiBEEM 노드들은코디네이터혹은디바이스로서동작이가능하며통신에있어서필요한모든부하를코디네이터에집중시킴으로써슬레이브노드의부하를상대적으로줄일수있다. 새로운메시센서네트워크를위해서는슈퍼프레임구조의변화가필요하다. WiBEEM 기술과비교되는 IEEE 802.15.4 기술은하나의슈퍼프레임의초기에한번만비컨을전송하며, 멀티홉통신을할경우비컨충돌을피할수없으므로부모장비의활성화구간에자신의비컨을전송하는방법을 IEEE 802.15.4b에서채택하였다. - 93 -
가. WiBEEM Addressing 기법 ZigBee가채택한블럭주소할당방법은 16비트주소공간의비효율적사용으로인하여최대자식노드의수에따라전체메시네트워크의구조에한계가있다. 또한최대자식노드의수를제한하므로 USN 서비스의동적네트워크토폴로지를지원할수없다. 이문제를해결하기위해 WiBEEM에서는새로운주소할당방법을연구하고있다 [26][27]. 현재연구중인주소할당메커니즘은 16비트주소공간의효율적사용을위해 LAA(Last Address Assigned) 메커니즘을이용한새로운 Short Address 할당기법과이동하는기기와의정보전송을위한 NAA(Next Address Available) 메커니즘을이용한 Address 할당기법이있다. - 94 -
제 3 절식별체계비교및분석 3절에서는센서네트워크에적합한통신기술로주목받고있는 IEEE 802 위원회의 WLAN 및 WPAN, ZigBee와 IETF의 6LoWPAN 그리고무선메시네트워크기술에대한식별체계를살펴보았다. < 표3-19> 는위에서살펴본통신기술에서의식별체계를요약한표이다. < 표 3-19> 통신기술에서의식별체계 구분 WLAN Bluetooth LR-WPAN UWB ZigBee 6LoWPAN 표준화단체 IEEE 802.11 WG IEEE 802.15.1 WG IEEE 802.15.4 WG IEEE 802.15.3a 802.15.4a WG ZigBee Alliance IETF 6LoWPAN WG 식별체계 48 비트 BSSID, MAC 주소 48 비트 Bluetooth MAC 주소 PAN ID, 16 비트 or 64 비트 MAC 주소 alternate PHY 만정의 PAN ID, 16 비트 or 64 비트 MAC 주소 IPv6 주소할당방법 각 AP 제조사에서부여코디네이터가 IBSS 영역에서각 AP 제조 PAN 에참여하는임의숫자생사에서부여노드에게 16비트성기에의해주소할당부여 - 코디네이터 EUI-64 또는라우터가식별자를 PAN에참여이용한자신이하는노드에게만든 IPv6 16비트주소주소할당할당 위에서살펴본통신기술들은공통적으로센서네트워크에서개별호스트를구별하기위한방법으로 MAC(Media Access Control) 주소를사용한다. MAC 주소는 NIC(Network Interface Card) 마다제조시에할당되는주소로로컬네트워크상에서서로다른값을갖기때문에각각의호스트를식별할수있는주소이다. 이러한 MAC 주소는로컬네트워크내에서의통신에사용되는주소이기때문에이기종센서네트워크에놓인노드들간의자유로운통신에는사용할수없다. 따라서서비스의이용확산과 - 95 -
센서네트워크를보다효율적으로관리하기위해서는글로벌하게사용할수있는주소체계가필요하다. 위에서언급한 MAC 주소나 IPv6 주소는기존의 USN 기술인 WLAN, WPAN 등에서메시지통신을위한주소 (Address) 로사용될수있지만개개의노드나네트워크, 서비스등을식별 (Identification) 할수있는식별체계에대한기능은제공하지못한다. 예를들어 WPAN에서사용하는 16 비트 short-address는 PAN을형성하는코디네이터에의해주소를할당받아사용한다. 그러나망을형성하는토폴로지의변형이나신규노드추가에의한재결합 (Association) 시주소가달라질수있기때문에처음할당받았던주소가노드를유일하게식별할수있는식별체계가되지는못한다. 따라서센서네트워크에서는내부망에서사용하는 MAC 주소와같은 Local 주소의기능과외부망에서사용하는 Global 주소의기능뿐아니라기존프로토콜에독립적이면서, 동시에센서노드와네트워크에서유일하게식별가능한새로운식별체계의개발이필요하다. - 96 -
제 4 장 USN 운영체제에서의식별체계 제 1 절 USN 운영체제연구및표준화동향 센서노드는마이크로컨트롤러를내장한소형컴퓨터시스템으로센싱응용처리와노드간통신을위한운영체제를포함하고있다. 그러나이러한운영체제는센서노드의하드웨어적한계로인해크기가작고전력소모가작은형태로설계되어야한다. 센서노드는병렬처리능력과하드웨어제어구조를가지며, 센서와같은하드웨어 I/O 장치를직접접근방식에의해제어하므로 I/O 제약사항역시운영체제설계에고려되어야한다. 그리고센서네트워크에서는범용하드웨어와소프트웨어가응용분야에따라효과적으로사용할수있도록유연성과모듈성을갖추고있어야한다. 또한센서노드는한번배치가이루어지면유지보수가어렵고운용환경을고려하여설계되어야한다. 마지막으로센서네트워크의핵심프로토콜인애드혹라우팅프로토콜과프로그래밍용이성도고려되어야한다. 이절에서는해외사례로미국버클리대 (UC Berkeley) 에서개발한 TinyOS에대해서알아보고, 국내사례로한국전자통신연구원 (ETRI) 에서개발한나노 Qplus에대해서알아보고자한다. 1. TinyOS TinyOS[29] 는현재가장널리쓰이고있는센서네트워크운영체제로써제한된자원을가진작은크기의센서노드에서효율적인자원의사용과프로세싱을지원해준다. 센서네트워크의제약사항과새로운요구사항을만족시키기위해서 TinyOS는다음 5가지큰특징들을가지고있다. 첫째, 하드웨어의추상화 (Hardware Abstraction) 부터고수준 (High Level) - 97 -
소프트웨어까지모두재사용가능한컴포넌트들로구성되어있다. 둘째, 각각의상태머신프로그래밍모델을기반으로함으로써전체시스템은여러상태머신들로구성되어있다. 따라서각각의컴포넌트가해당상태를나타내며, 컴포넌트의커맨드또는이벤트핸들러들은한상태에서다른상태로빠르고논-블럭킹 (Non-Blocking) 의특성을가지며전이시킨다. 셋째, 제한된자원만을가진노드들로구성된센서네트워크의가장큰문제인저전력소모를위해서 TinyOS는 CPU가사용되지않는동안은휴지상태로들어가게함으로써불필요한전력소모를줄인다. 넷째, nesc 라는동적메모리를할당하지않는정적인언어를통하여센서 네트워크용응용프로그램을작성할수있으며, 소프트웨어가필요 로하는동작의효율적인코드를만든다. 다섯째, TinyOS 는멀티홉라우팅기술을제공함으로써거리제한을해 결하였으며, 여러가지그외에필요한엔진인 TinyDB, 그리고 보안을위하여 Tiny-Sec 과같은모듈을지원한다. TinyDB[31] 는여러나라에서연구가진행중이고미국버클리대학을중심으로많은사이트가개설되어있으며상용화도진척되고있다. TinyDB는 TinyOS에서구동되는센서네트워크로부터정보를얻어내기위한질의시스템이다. 즉 TinyDB는모트 (mote: 아주작은감지센서노드 ) 들로부터데이터를모아필터링하고취합하여외부의 PC로전송한다. 최초의 TinyDB는센서네트워크에서센서가감지한사용자가원하는정보를추출하기위하여이용되는 BaseStation과각센서노드의질의처리 - 98 -
기를의미한다. TinyDB 프로젝트에서는 SQL과유사한센서기반질의언어로정의하고있으며, 질의를효율적으로처리하기위한분산질의처리방법을제안하고있다. 또한 TinyDB는센서노드에서발생하는데이터를처리하기위해데이터베이스의 SQL과매우유사한인터페이스를제공한다. 2. 나노 Qplus 나노 Qplus[33][34] 운영체제는한국전자통신연구원에서개발된센서네 트워크용운영체제로써다음의특징을가진다. 첫째, 에너지소모를최소화하기위하여센서네트워크를구성하는노드 들간의시간동기화기법을제공하고슬립모드와활성모드를반 복함으로써저전력을지원한다. 둘째, 제한된메모리의사용을최소화하기위하여멀티쓰레드간의스택 을공유한다. 셋째, 멀티쓰레드스케줄러방식 (FIFO, 시간기반라운드로빈방식, 우 선순위에따른쓰레드선점형방식 ) 으로실시간운영체제의특성을 지원한다. 넷째, 응용프로그래머들이손쉽게센서프로그램을개발할수있도록 C 기반의프로그램작성기법을제공한다. - 99 -
제 2 절운영체제에서의식별체계분석 1. TinyOS 가. TinyOS 구성요소 1) 컴포넌트 TinyOS에서사용하는모든컴포넌트는인터페이스를상속받아사용하는데이는운영환경을구성할경우프로그램부에서사용자스타일에맞게지정해사용한다. 컴포넌트는모듈 (module) 과형상 (configuration) 이라는두개의타입이있다. 일반적으로실질적인동작을담당하는모듈은하나또는그이상의인터페이스를갖는애플리케이션코드를제공하며무선환경을구성하는형상은여러컴포넌트들의인터페이스들의연결을통해컴포넌트들을결합하는역할을한다. 형상의이러한기능을 wiring이라한다. 따라서모든애플리케이션은사용되는컴포넌트들을함께연결하는최상위형상에의해기술된다. ( 그림 4-1) 은 TinyOS 컴포넌트구조이다. 메시징컴포넌트의각컴포넌트는입 / 출력커맨드 (Command) 와입 / 출력이벤트 (Event) 로구성된인터페이스 (Interface) 를통해다른컴포넌트들과상호작용한다. 컴포넌터는상위컴포넌트와하위컴포넌트로구성되며하위컴포넌트가제공하는서비스를이용하기위해상위컴포넌트는자신의출력커맨드를통해서해당함수를호출하면, 하위컴포넌트는자신의입력커맨드를통해호출된함수의기능을수행한다. 하위컴포넌트는자신의출력이벤트를통해신호를전달하면, 상위컴포넌트는자신의입력이벤트를통해신호를전달받는다. 또는입력이벤트를통해서특정이벤트의발생이알려지면해당컴포넌트의이벤트핸들러에의해처리된다. 이러한컴포넌트들의인터페이스를연결함으로써하나의응용프로그램을구현할수있다. - 100 -
( 그림 4-1) TinyOS 컴포넌트구조 이때, 이미구현된컴포넌트는재사용가능하며기존에없는새로운컴포 넌트들만구현하게되는데, 경우에따라서는기존의컴포넌트들만을사용 해서손쉽게새로운응용프로그램을구현할수도있다. 2) 쓰레드모듈쓰레드 (Thread) 모듈은크게작업 (task) 과이벤트 (event) 로구성된다. OS 를적용할경우, 프로그램부에서이벤트를오버로드 (overload) 해서사용하고이벤트는컴포넌트를호출한다. 즉작업은간단한컴퓨팅연산이나함수호출에사용되는프로세스로써큐를통해차례로실행된다. 실행된모든작업이끝난후, 큐가비어있을경우에는다른작업이생성되기전까지 CPU의전원을최소화하여 CPU의소모에너지를낮춘다. 작업은다른작업에의해선점되지않지만, 이벤트에의해서는선점된다. 이벤트는특정하드웨어인터럽트나특정조건을만족했을경우호출되는프로세스로써다른작업보다먼저실행되는특징이있다. 일반적으로인터럽트에의해 - 101 -
어떤이벤트가발생되면연결된컴포넌트들에따라연속적으로상위컴포 넌트들의특정함수가호출되며, 동시에그에따른여러처리함수들이 작업형태로만들어져큐에저장된다. 나. TinyOS 의 UART( 시리얼 ) 통신메시지구조 TinyOS 에서구동되는프로그램들은일반적으로일정한메시지형식에 따라통신을한다. TinyOS 에서사용하는메시지구조와메시지를구성하 는필드의기능은각각 ( 그림 4-2) 와 < 표 4-1> 에서나타낸다. ( 그림 4-2) TinyOS 로우 (raw) 메시지구조 Sync Byte 필드 메시지시작을알리는필드로항상 0x7E 를사용한다. Packet Type 필드로우메시지패킷타입을지정하는필드이다. 패킷타입에따라 ack가필요없는패킷 (0x42), ack가필요한패킷 (0x41), ack에대한응답패킷 (0x41), 특별한형식이없는패킷 (0xFF) 으로나뉜다. Payload 필드 Payload 필드는실제전송될데이터를갖는필드이다. 전송데이터는 - 102 -
TinyOS에서사용하는메시지 (TOS_MSG) 형식에따른사용자정의데이터로구성된다. TOS_MSG는 ( 그림 4-2) 와같이 Address, Message Type, Group ID, Data Length, Data, CRC 필드로구성된다. < 표 4-1> 은 TOS_MSG를구성하는각필드에대한설명이다. < 표 4-1> TinyOS의메시지 (TOS_Msg) 구성필드 Byte # 필드명 설명 0-1 Address 직렬포트인경우 : 0x007e RF(broadcasting) 인경우 : 0xffff AMTYPE_XUART=0x00 AMTYPE_MHOP_DEBUG=0x03 2 Message AMTYPE_SRGE_MSG=0x11 Type AMTYPE_XSENSOR=0x32 AMTYPE_XMULTIHOP=0x33 AMTYPE_MHOP_MSG=0xFA 3 GROUP ID 그룹의유일한 ID, 애플리케이션의 Makefile을통해정의된다. 기본값은 125(0x7D) 4 Data Length 데이터를담고있는 Payload 필드의길이 5...n-2 Payload 전송될데이터를갖는필드 n-1, n CRC 메시지의무결성을나타내는 2 바이트코드 Address 필드는 TinyOS 내에서모드간통신인터페이스를위해사용자에의해임의적으로부여되는주소값을갖는필드이다. Address 필드에포함되는주소값은 0x0001~0xffff(1~65535) 범위내에서컴파일 (make) 과정을통해생성된다. 만약지정하지않으면기본으로 0x0001의값을가진다. 사용되는주소형태는크게 Reserved address와 Local address로구분되고 Reserved address는브로드캐스팅을하기위한목적지주소인 TOS_UART_ADDR나시리얼포트주소인 TOS_BCAST_ADDR 값이올수있다. Local address에는모트에서노드 ID값으로사용되는 TOS_LOCAL_ADDR 값이올수있다. 각각의세부주소에대한설명은 - 103 -
< 표 4-2> 와같다. ( 그림 4-3) 은위에서살펴본 TinyOS의로우 (raw) 메시지형태에따른전송데이터의예이다. Payload 필드는 TinyOS에서사용하는메시지 (TOS_MSG) 형식에따라 Address, message Type, data length, data, CRC 필드를포함하고있다. < 표 4-2> TinyOS 의주소구분 주소구분 TOS_BCAST_ADDR TOS_UART_ADDR TOS_LOCAL_ADDRES S 설명브로드캐스팅을하기위한목적지주소시리얼포트주소이며자신이 sink( 수집 ) 노드인경우메시지의목적지주소를 UART(Serial) 로변경 OS를설치하면 make를통해 mote의프로그램메모리에저장되는값으로통신시, TOS_BCAST_ADDR로사용되는노드 ID값 ( 그림 4-3) TinyOS 메시지구조예 다. 노드간통신을위한 TinyOS 식별체계 TinyOS의 PHY/MAC 계층은 IEEE 802.15.4를기반으로 64비트와 16비트주소를사용하여노드를식별한다. 16비트주소 (Short Address) 는네트워크 ID를애드혹네트워크에부여하여관리할때사용하는주소이고, 64 비트주소는 IEEE 64비트 MAC 주소로써기기마다고정된주소를사용하는방식이다. 현재구현되어쓰이고있는 USN 응용프로그램은 - 104 -
TinyOS 에구현된것이대표적이며, 여러업체들에의해 ZigBee 기반네 트워크스택을구현하여상용화하고있다. 2. 나노 Qplus 가. 나노 Qplus 구조 나노 Qplus[33][35] 의구조는 ( 그림 4-4) 와같은계층구조를보여준다. 이그림과같이센서노드에는크게 3개의계층인하드웨어계층, 나노 Qplus System S/W 계층및응용서비스계층으로표현가능하며각각의계층마다고유의기능에따른분류가가능하다. 핵심이되는나노 Qplus System S/W에는커널, 네트워크계층및링크계층, 센서드라이브, HAL로구성되어있다. User API Kernel Network Layer (Routing) Sensor Driver Scheduler IPC RENO ZigBee LED IR Timer Memory Manager Link Layer(MAC) Temp Humidity N-MAC 802.15.4 Light Ultrasonic Hardware Abstraction Layer(HAL) MCU RF transceiver Sensors ( 그림 4-4) 나노 Qplus 계층구조도 나노 Qplus 커널 Nano Qplus 커널의첫번째특징은멀티쓰레드를지원한다는점이다. - 105 -
이벤트드리븐 (Event-driven) 형식으로동작하는다른센서운영체제와는다르게나노 Qplus는 POSIX(Portable Operating System Interface) 기반의표준인터페이스중에서멀티쓰레드와관련된 POSIX.4a 규격의서브셋을지원하고있다. 또한실시간지원의핵심이라할수있는태스크간의선점 (preemption) 을지원하고응답성을높여실시간운영체제로써의면모도갖추고있다. 무엇보다도나노 Qplus 커널의특징은센서노드용운영체제로써제한된에너지문제를해결하기위하여저전력지원을고려해작성되었다는점에있다. 각태스크들은일단생성되면태스크가종료되기전까지대기-준비-실행, 세가지중한가지상태에놓이게된다. 여기까지는전통적인 LINUX 스타일의태스크스케줄러와유사하나, 나노 Qplus는준비상태의태스크가없을경우에새로운태스크가준비리스트에들어오기전까지 sleep mode로하드웨어를조절하여전력소모를최소화할수있도록한다. 또한나노 Qplus 운영체제는센서노드의하드웨어적인제약, 즉적은메모리와낮은 CPU 성능도고려하여제작되었다. 적은메모리제약을극복하기위해선택적으로커널의모듈들을선택하여각각의응용에최적화된커널이미지를생성할수있도록하였다. 이러한과정은사용자편의를위해 menuconfig을이용해구성함으로써가시적인환경에서쉽게선택적으로각각의모듈을더하고뺄수있다. 그리고 CPU 성능과관련하여나노 Qplus 커널부분에서자주사용되는함수의경우는직접어셈블러를이용해매크로로작성하였다. Hardware Abstraction Layer(HAL) 나노 Qplus는센서노드에사용되는하드웨어를제어하고이를추상화하여사용자에게 API(Application Program Interface) 의형태로제공함으로써, 사용자는나노 Qplus에서제공하는간단한 API를이용하는것만으로도센서노드의모든하드웨어를제어할수있다. 이러한기능을제공하는부분이 HAL 부분이다. 기본적으로는 ETRI-SSN(ETRI Smart Sensor Node) 보드에서지원하는가스센서, 초음파센서, 온도센서, 습도센서, - 106 -
적외선센서, LED 등의동작을제어할수있는드라이버가작성되어있다. 이러한드라이버는나노 Qplus에서추상화되어사용자에겐 API의형태로제공된다. 따라서사용자는간단한 API를통해, 각센서들을간단하게응용프로그램내에서제어할수있다. 물론각각의센서는모듈화가되어커널이미지를생성할경우에포함된모듈의센서에대해서만조작이가능하다. HAL 부분에도센서노드의에너지소비를최소화시킬수있도록하기위하여저전력모드와관련한사용자 API를제공한다. ETRI-SSN 보드의경우 32KHz로동작하는비동기적인클럭을추가하여설계함으로써, 최대 8 초까지사용자가원하는시간동안에 sleep mode로센서노드의에너지소모를최소화하여동작시킬수있도록하는 API를지원한다. 각하드웨어모듈로부터데이터를수집할때는가능한한폴링 (polling) 방식을지양하고인터럽트방식을사용하여 CPU가 busy-waiting 상태로실행되지않고대기모드로들어가게하였다. 이러한방식을통해각태스크가가능한한 CPU를적게사용하게하고준비상태의태스크수를최소화함으로써, 낮은성능의 CPU하에서도나노 Qplus의강점인멀티스레드기능이활용가능하고이벤트에대한응답도빠른시간에이루어질수있게하였다. 또한준비상태의태스크수를최소화하는것은 CPU가가능한많은시간을 sleep mode로동작하게함으로써에너지측면에서도많은이득을볼수있다. 예를들어 UART를통한시리얼통신의경우사용자로부터키보드입력을인터럽트로처리하여인터럽트서비스루틴내에서사용자입력플래그비트를이용하여사용자입력요청의유무를판단하고입력을받을수있는상황일경우그에맞는적절한실행이이루어지도록처리했다. Network Layer & Link Layer 일반범용운영체제의경우엔통신프로토콜스택을운영체제에관계 없이 IEEE, IETF 에의해정해진 Ethernet, 802.11 의 MAC 프로토콜과 - 107 -
TCP/IP, UDP의네트워크프로토콜을사용하고있다. 그러나나노 Q-plus의경우엔센서네트워크통신을위한프로토콜과관련하여정해진표준을따르지않고, 독립적인네트워크구성을가지게된다. 센서노드가필요에의해기존인터넷망에연결된다하더라도일반적으로센서노드용운영체제에서지원하지않고, 별개의하드웨어와소프트웨어를두게된다. 따라서센서노드용운영체제는각운영체제마다고유한 MAC 프로토콜, 라우팅프로토콜을지니게되며이러한통신프로토콜스택자체가각운영체제의고유한특성이된다. 현재센서네트워크를위한라우팅프로토콜은고유 ID를지니지않은노드들로이루어져 flooding 방식의통신을기반으로하고, 기존 Ad-hoc 네트워크와비슷하게적게는수십에서많게는수백개의각각고유한 ID 를지닌노드들이점대점방식으로통신하는모델의프로토콜도있다. 나노 Qplus의센서네트워크모델은노드수가수천개까지이르는것이아니기때문에후자의방법으로통신하는프로토콜을탑재하고있다. 나. 나노 Qplus 식별체계 나노 Qplus 운영체제의식별체계는 IEEE의 64비트와 16비트주소를사용하여노드를식별한다. 16비트주소 (Short Address) 는네트워크 ID를애드혹네트워크에부여하여관리할때사용하는주소이고, 64비트주소는 IEEE 64비트 MAC 주소로서기기마다고정된주소를사용하는방식으로 2.3절의 IEEE 802.15.4를기반으로한다. - 108 -
제 3 절식별체계비교및분석 TinyOS와나노 Qplus는 IEEE 802.15.4를기반으로 64비트와 16비트주소를사용하여노드를식별한다. 16비트주소 (Short Address) 는네트워크 ID를애드혹네트워크에부여하여관리할때사용하는주소이고, 64비트주소는 IEEE 64비트 MAC 주소로써기기마다고정된주소를사용하는방식은동일하다. 참고로 TinyOS는 TinyOS 내에서모드간통신인터페이스를위해사용자가임의적으로브로드캐스팅주소 (TOS_BCAST_ADDR), 시리얼포트주소 (TOS_UART_ADDR), 통신시사용되는노드 ID값 (TOS_LOCAL_ADDR) 값을부여해사용하고있다. - 109 -
제 5 장 USN 데이터관리기술 센서네트워크는센서노드의에너지, 컴퓨팅파워, 메모리그리고통신대역폭과같은자원의제한으로인하여센싱데이터를다른시스템 ( 데이터시스템 ) 에서관리한다. 또한센싱된데이터는사용자에게서비스를제공하기위한데이터로사용할수있도록응용서비스에전달되어야한다. 그러나각종센서에대한메타데이터 (Metadata) 및인터페이스에대한정의가불분명하여응용서비스에서데이터의이용을위한접근이어렵고, 서로다른플랫폼과프로토콜에서오는제약으로응용서비스로의센싱데이터전달에제약이있으므로데이터관리가필요하다. 따라서 SensorML과같은센서서비스기술언어가센싱된데이터나자원관리및데이터포맷에관한표준으로센서정보의표준화를통하여센서생성정보의공동활용을목적으로탄생했다. 이번장에서는 USN 데이터관리기술인 sensorml에대해살펴보도록한다. 1. sensorml SensorML(Sensor Model Language)[36][37][38] 은서로다른센서네트워크환경에서기능을일괄적으로표현하기위해 OGC(Open Geospatial Consortium) 의워킹그룹인 SWE(Sensor Web Enablement) 에서표준화를추진중인기술이다. SensorML은센서로부터측정한데이터뿐만아니라센서와관련된특정정보를얻을수있는명령을 XML 인코딩형태로명세화한다. 다음 ( 그림 5-1) 은 SensorML의스키마를표현한것이다. SensorML은프로세스 (Process) 라는명칭을가진엘리먼트 (Element) 를사용하여파라미터, 메타데이터, 입출력및메소드들을정의하며, 프로세스를통해액츄에이터 (Actuator) 와디텍터 (Detector) 등을모델링한다. Sensor 엘리먼트에서는식별자, 제약사항, 입 / 출력, 시스템위치등센서를위한기능적인모델을제공함으로써 USN에서메타데이터역할을수 - 110 -
행한다. ( 그림 5-1) 에서보는바와같이 Sensor 엘리먼트는다음과같은 정보를명세화한다. ( 그림 5-1) SensorML 의스키마 센서를식별하는 identifiedas 필드와 SensorML 문서의데이터유효시간범위를명세할수있는 documentconstrainedby 필드, 센서관리에대한플랫폼을기술한 attachedto 필드, Coordinate의정보를담고있는 hascrs 필드, 센서또는 Object의위치를담고있는 locatedusing 필드, 측정가능한객체의측정값에대한 measures 필드, 센서를운영하는운영체제와서비스업체정보를담고있는 operatedby 필드, 센서의제조사이름및모델명, Serial 번호등을담고있는 describedby 필드, sml 문서의작성자및작성일자등을담고있는 documentedby 필드가있다. 앞에서언급한바와같이 USN에서사용되는센서나이를관리하는 USN 플랫폼은다양한하드웨어나소프트웨어를이용해구성될수있는장점이있지만플랫폼의다양성으로인해상호연동의어려움을가져온다. - 111 -
SensorML 은이러한이기종센서네트워크간의통신을위한공통된메시 지형태를제공함으로써시스템간의상호연계가가능하도록한다. - 112 -
제 6 장 USN 식별체계관리방안 3장과 4장에서는 USN 식별체계분석을통해각 USN에서센서를식별하기위해서로다른방법으로식별자를부여하여사용하고있음을알아보았다. 이렇게부여된식별자들은각각의 USN 내부에서통신및데이터전송을위한수단으로사용될뿐이종 USN 간연동시개별노드나네트워크를식별하기위한식별자역할은하지못하고있다. 여기서말하는이종 USN 간연동은각 USN에속하는개별센서들이수집한데이터를사용하는서비스간의연동으로볼수있다. 이러한 USN 서비스를상호연동함으로써서비스제공자나사용자는 USN의내부구조나통신프로토콜에독립적으로 USN 서비스를공동으로활용할수있다. 따라서본장에서는이러한이종 USN 서비스간상호연동을위한방안으로 USN 식별체계관리시스템의요구사항및기능을살펴보고, 이를적용한시나리오를통해 USN 식별체계관리방안및참조모델을제시하도록한다. 제 1 절 USN 식별체계필요성 1. 센서네트워크식별체계표준화미비 기존의국지적센서네트워크환경에서광역의 USN로발전됨에따라센서노드나센서네트워크의식별, 관리, 센싱데이터관리방안과 USN 기반서비스간연동을위한 USN 식별체계의필요성이증가하고있다. 그러나 3장에서살펴보았듯이, 센서네트워크내에서센서노드간의통신수단으로사용하는 MAC, IP 또는임의의할당주소 (Address) 등은통신을위한기능 ( 주소기능 ) 으로식별 (Identification) 을위한기능은제공하지않는다. 따라서광역의 USN에서사용할수있는이종 USN 서비스간노드, - 113 -
네트워크, 서비스식별방안과수집된정보를검색, 관리할수있는표준 화된식별체계가필요하다. 2. USN 기반서비스간의상호연동을위한표준화된식별체계필요 센서네트워크기술은 USN 환경구축을위한기반기술분야로써유통, 물류, 환경제어, 홈네트워크, 교통, 국방등의다양한형태의서비스에활용되고있다. 이러한환경에서센서를통해수집된데이터들은체계적인분석과서비스간의상호연동을통해다양한 USN 서비스분야에활용될수있다. 그러나각서비스마다프로토콜및통신기술이달라정보공유가어려운실정이다. 또한센서에대한메타데이터및인터페이스를다르게정의하고있고, 응용서비스에대한데이터전달이원활히이루어지지못하고있다. 이렇게서비스마다서로다른정보교환방법을사용하는것은사용자들에게불편함과 USN 기반의서비스활성화에장애요인이된다. 따라서이종 USN 서비스간의센서데이터를교환하는데있어원활한정보를공유하고, USN의하부통신구조와관계없이 USN 네트워크, 서비스등을연계하기위해서는기존프로토콜에독립적인표준화된식별체계에대한확립이필요하다. 3. 서비스간연계를위한중복투자방지 현재까지진행된 USN 추진사업은서로다른요구사항에따라다양한형태의개발및관리가이루어지고있어상호정보공유가어려운실정이다. 이와같이개별적으로 USN을구축ㆍ운영하는것은 USN 인프라공동활용을함에있어심각한장애요인이될뿐만아니라, 향후서비스간연계를위한중복투자의문제점을야기시킬수있다. 이러한문제점을해결하기위해서는각서비스를구성하는자원과수집된정보를검색, 관 - 114 -
리할수있는표준화된식별체계를마련하고공동구축이가능한구간에대해효율적으로활용할수있어야한다. 또한식별체계관리및정보공유를통해서비스확산을위한기반을사전에조성하고중복투자및무분별한서비스구축방지하고효율적인통합을추진하는것이필요하다. - 115 -
제 2 절 USN 식별체계관리시스템 국지적인센서네트워크에서광역의 USN으로적용범주가확대됨에따라이종 USN 서비스간의상호연동및 USN에서발생하는다양한정보의공동활용이요구된다. 이러한요구사항을만족시키기위해서는우선 USN 서비스를구성하는구성노드, 네트워크, 서비스등을식별할수있는공통된식별체계가존재해야한다. 또한공통된식별체계를이종 USN 서비스간에활용하기위해서는각서비스들이공통된프로세스절차에의해식별체계를등록ㆍ검색할수있어야하고이를관리할수있는식별체계관리시스템이마련되어야한다. 끝으로관리되는정보자원의효율적관리및공동활용을위한공통메타데이터와이를관리할수있는시스템이갖추어져야한다. 본절에서는이러한요구사항을기반으로 USN 서비스간의상호연동을위한식별관리대상및메타데이터구조를제시하고식별체계를관리할수있는 USN 식별체계관리시스템을제시한다. 1. 시스템구성도 USN 식별체계관리를위한시스템은크게메타데이터관리시스템 (Metadata Management System), USN 검색시스템 (USN Object Directory System), 센싱데이터시스템 (Sensing Data System) 으로구성되며전체구조는 ( 그림 6-1) 과같다. 메타데이터관리시스템 (Metadata Management System): USN 식별체계및 USN 식별체계관리대상이되는노드나서비스의소유자, 센싱유형, 설치위치등의메타데이터를등록ㆍ조회ㆍ관리를위한시스템이다. 이시스템을통해만들어진식별체계는 USN 검색시스템및센싱데이터시스템에의해활용된다. - 116 -
USN 검색시스템 (USN Object Directory System): 식별체계를입력받아원하는센서, 센싱정보, 메타데이터정보및 USN 서비스의위치정보를제공함으로써, 서로다른센서네트워크및응용서비스의접근을돕는다. 센싱데이터시스템 (Sensing Data System): USN 식별체계관리대상이되는센서로부터센싱정보를수집하고, 수집된정보를메타데이터관리시스템으로부터전송된메타데이터포맷에따라필터링하여저장하는역할을한다. ( 그림 6-1) USN 식별체계관리시스템구성도 - 117 -
2. 시스템흐름도 ( 그림 6-1) 과관련하여사용자로부터요청된서비스는식별체계관리를위 한사전데이터등록단계, 식별체계를이용한서비스위치요청 / 응답단계, 서비스사용및정보검색단계를거쳐제공된다. 각단계는다음과같다. 가. 식별체계관리를위한사전데이터등록단계 식별체계관리를위한사전데이터등록은 ( 그림 6-1) 과같이관리대상이되는식별체계및관련메타데이터정보를관리자로부터입력받아정보를제공하는형태이다. 관리자는메타데이터관리시스템에관리대상장비나서비스의식별체계및외부에서접근가능한센싱데이터시스템의 URI를주어진프로파일형태로메타데이터관리시스템에등록한다 (1). 등록된메타데이터포맷은센싱되는데이터의일관된포맷제공을위해센싱데이터시스템에전송한다 (2). 센싱데이터시스템은 USN 서비스로부터수집된데이터를정의된메타데이터포맷에맞게필터링하여센싱데이터저장소에저장한다 (3). 이때제공되는메타데이터포맷은등록되는다양한 USN 서비스간의상호연계를위한데이터규격을통일화시기키기위해필요한것으로그형태는다음장에서자세히다룬다. 나. 식별체계를이용한서비스위치질의 / 응답단계 사용자는식별체계를이용해 USN 검색시스템에메타데이터구조를따르는노드및네트워크, 서비스, 센싱데이터등의정보를얻기위한질의를수행하고 (4), USN 검색시스템은사용자로부터입력된식별체계를이용해메타데이터저장소와센싱데이터저장소에검색을한다. 메타데이터저장소에선메타데이터및센싱데이터시스템의 URI를, 센싱데이터저장소에선식별대상센서가수집한센싱정보를가져온다 (5). - 118 -
다. 정보검색및서비스사용단계 사용자는 USN 검색시스템을통한질의에따라메타데이터, 센싱데이터시스템의 URI, 센싱데이터정보를획득한다 (6). USN 검색시스템이센싱데이터저장소에직접접근해센싱정보를가져올수없는경우획득한센싱데이터시스템의 URI를이용해해당센싱데이터시스템에접근을시도하고 (7) 센싱데이터시스템을통해수집및저장된센싱정보를획득한다 (8). 사용자는센싱데이터시스템으로부터요청한서비스정보를획득함으로써서비스를제공받는다. ( 그림 6-2) 는앞서설명한시스템의전체흐름을나타낸것이다. 주목해서보아야할부분은사용자는제공되는서비스환경에따라센싱데이터를직접반환받을수도있고 USN 검색시스템이제공하는센싱데이터시스템의 URI를이용해해당시스템으로접근해센싱데이터를반환받을수도있다. 센싱데이터를직접반환받는경우는 USN 검색시스템과센싱데이터시스템이같은서비스내에있어데이터저장소로의접근이자유로운경우에활용될수있다. 센싱데이터시스템의 URI를이용해해당시스템으로접근해센싱데이터를반환받는경우는 USN 검색시스템과센싱데이터시스템이서로다른서비스범위에있고보안상의이유로센싱데이터저장소로의접근이자유롭지못한경우해당 USN 센싱데이터시스템을통해센싱정보를획득하는경우에활용될수있다. ( 그림 6-2) 와 ( 그림6-3) 은앞서말한센싱데이터취득방법에따른 USN 식별체계관리시스템전체흐름도를나타낸다. - 119 -
( 그림 6-2) USN 식별체계관리시스템전체흐름도 ( 센싱데이터직접획득 ) ( 그림 6-3) USN 식별체계관리시스템전체흐름도 (URI 를통한데이터획득 ) - 120 -
3. 메타데이터관리시스템설계 메타데이터관리시스템 (Metadata Management System) 이란 USN 식별체계및 USN 식별체계관리대상이되는노드나서비스의소유자, 센싱유형, 설치위치등의메타데이터에대한등록ㆍ조회ㆍ관리를위한시스템이다. 관리자는메타데이터관리시스템을통해식별체계및메타데이터, 외부에서접근가능한센싱데이터시스템의 URI 등을등록한다. 등록된식별체계및메타데이터는센싱데이터시스템에의해관리되는정보에대한공통데이터구조에활용되고, 식별체계및센싱데이터시스템 URI는 USN 검색시스템에서센싱정보획득을위한외부사용자접근에활용된다. 등록된데이터들이 USN 서비스간의상호연동을위해사용되기위해서는우선, 입력되는데이터들이각서비스에서접근가능한메타데이터저장소에저장되어야한다. 이때저장되는데이터는각각의정보를구분할수있는공통된식별체계를반드시포함해야하고, 저장된식별체계를통해원하는데이터를조회할수있어야한다. 이러한식별체계는각센서및센서네트워크, USN 서비스등을구분할수있는유일한값이어야한다. 또한다양한 USN 응용서비스에활용가능한공통의프로파일을제공함으로써센싱데이터및자원정보에대한효율적관리가가능해야한다. 이러한메타데이터관리시스템은다음과같은요구사항을만족해야한다. 등록되는식별체계는각센서및센서네트워크, USN 서비스, 센싱정보등을구분할수있는유일한값이어야한다. 등록되는메타데이터는공통의프로파일형태로서다양한 USN 응용서비스에활용할될수있어야한다. 외부에서접근가능한센싱데이터시스템의 URI를등록할수있어야한다. - 121 -
등록되는데이터들은각각의데이터를구분할수있는공통된식별 체계를반드시포함해야한다. 이번절에서는위요구사항을만족하는식별체계및공통메타데이터구조 를제시하고, 이러한데이터를등록ㆍ조회ㆍ관리하는방법에대해설명한다. 가. USN 식별체계구조 USN 식별체계는 USN에서각종물리적개체, 네트워크, 서비스유형등을구별할수있도록부여된유일한식별자로서객체관리, 위치결정과접근에필요한정보, 상호연동을위한서비스관리방안등이모두포함된다. 초기 USN 식별체계는단일환경하에서개별서비스식별을위한식별체계개발및연구가이루어졌다. 그러나점차 USN 서비스의활용범위가넓어지면서이질적이고복잡한센서환경에서획득한정보를체계적으로유지ㆍ관리할수있는식별체계기술에대한연구및표준화, 식별체계관리방안이요구되고있다. 따라서광역 USN 환경의식별체계는단일 USN 서비스를구성하는개별센서노드에대한식별뿐만아니라, 서비스연계를위한센서네트워크및 USN 서비스, 센싱정보까지식별할수있어야한다. USN 응용서비스나사용자는이러한식별체계를이용함으로써자신이원하는정보만을손쉽게추출하여획득할수있게된다. 식별체계등록은수동등록형태와자동등록형태가있을수있다. 수동등록형태는 ( 그림 6-1) 과같이관리대상이되는식별체계를관리자로부터입력받아등록하는형태이다. 자동등록형태는메타데이터관리시스템에서식별체계생성메커니즘을통해개별노드의식별체계를자동으로등록하는형태이다. 그러나본연구에서제안하는식별체계등록형태는식별체계관리를위한초기연구단계로관리자에의한수동등록형태만을지원할뿐자동등록형태는고려하지않는다. - 122 -
나. USN 메타데이터구조 USN 메타데이터는 USN 정보자원을관리하기위한각종데이터로써 USN 서비스를구성하는각자원에대한관리정보와센서에서수집된데이터관리를위한정보를포함한다. 이러한메타데이터를사용함으로써얻을수있는이점은다음과같다. 첫째, 다양한 USN 응용서비스개발의모델링에서표준데이터형태의가이드라인을제공할수있으며, 자원정보의효율적관리및공동활용에활용될수있다. 둘째, 데이터생성자, 변경자, 속성등의체계적인관리가가능하다. 셋째, 수집되는정보들이표준화된메타데이터구조를따름으로써관리되는정보에대한접근및검색의효율성을향상시킬수있다. 끝으로, 같은메타데이터를사용하는단위시스템간의데이터교환을통해표준화된데이터의통합관리가가능하다. USN 메타데이터는 < 표 6-1> 과같이사용형태에따라정적메타데이터와동적메타데이터로나뉜다. 정적메타데이터는관리대상이되는센서자체에관한정보로써센서노드 ID, 센서네트워크를구성하는노드의개수, 센서네트워크 ID, 센싱타입 ID 등과같이시간흐름에따라변화가없는형태의데이터이다. 이러한정적메타데이터의데이터들은초기시스템구축시관리자에의해메타데이터시스템에등록되어져손쉽게관리될수있다. 동적메타데이터는센서로부터취득되는정보로써온도, 습도, 진동등의센싱데이터및전원잔량, 센싱일자정보를서술하는데이터등과같이시간흐름에따라변화가발생하는형태의데이터이다. 메타데이터시스템은이러한동적메타데이터구조를정의하고이를센싱데이터시스템으로전송한다. 센싱데이터시스템은관리대상노드와주기적인통신을통해실시간으로센싱정보를수집하고수집된센싱정보는동적메타데이터구조에따라필터링된후센싱데이터저장소에저장되어사용될수있다. - 123 -
< 표 6-1> 사용형태에따른메타데이터구분 구분정적메타데이터동적메타데이터 관리대상 관리대상센서자체에관한정보센서로부터취득되는정보 정보속성 시간흐름에따라변화가없는데이터 시간흐름에따라변화가발생하는데이터 등록방법 메타데이터시스템관리자등록메타데이터시스템과관리대상객체간의주기적인통신을통한실시간등록 사용예 센서노드 ID, 센서네트워크 ID, 센싱타입 ID 등 센싱데이터및전원잔량, 센싱일자정보등 다. 메타데이터관리시스템구조 본연구에서설계한메타데이터시스템구조는 ( 그림 6-4) 와같이관리 자인터페이스, 데이터파서, 명령어처리, 데이터베이스인터페이스, 센싱 데이터시스템인터페이스, 메타데이터저장소로구성되어있다. ( 그림 6-4) 메타데이터관리시스템구조 - 124 -
각각의기능에대해살펴보면다음과같다. 관리자인터페이스는식별체계나메타데이터를입력할수있는관리화면을제공한다. 데이터파서기는사용자인터페이스를통해읽은데이터나명령에대한키워드검사, 데이터검사, 구조의정확성등의문법검사를한뒤명령어처리기에넘겨주는역할을한다. 명령어처리기는데이터파서기를통해들어온데이터에대한해당명령 ( 입력ㆍ저장ㆍ조회 ) 을수행하는역할을한다. 데이터베이스인터페이스는데이터를저장하고있는메타데이터저장소에접근가능한인터페이스를제공하며해당시스템이서비스를수행하기위한질의처리를담당한다. 센싱데이터시스템인터페이스는정의된동적메타데이터구조를센싱데이터시스템에전송하기위해센싱데이터서버로접근하기위한인터페이스를제공한다. 메타데이터저장소는식별체계관련테이블, 메타데이터관련테이블, URI 관련테이블등으로구성되어있다. 식별체계관련테이블은개별 USN 자원을유일하게식별할수있는식별자정보가저장된다. 메타데이터관련테이블은 USN 정보자원을관리하기위한각종데이터로써 USN 서비스를구성하는각자원에대한관리정보와센서에서수집된데이터관리를위한메타데이터정보가저장된다. URI 관련테이블은사용자가입력한식별체계에해당하는센싱데이터시스템에접근가능한 URI 정보가저장된다. 따라서저장되는모든정보들은식별체계를기본키값으로사용하며식별체계를이용해각각의정보를구분할수있다. 4. USN 검색시스템설계 USN 검색시스템 (USN Object Directory System) 은 USN 식별체계를입력받아메타데이터저장소와센싱데이터저장소에접근해식별체계에해당하는정보를검색해사용자에게반환해주거나센싱데이터시스템의 URI를제공함으로써, 서로다른센서네트워크및응용서비스의접근을돕는역할을한다. USN 검색시스템은해당센서, 네트워크, 서비스정보 - 125 -
및센싱데이터정보를관리하는메타데이터정보와센싱데이터시스템의 URI를획득하기위해메타데이터저장소에접근한다. 또한각센서들이수집한센싱데이터를획득하기위해센싱데이터저장소에접근한다. 센싱데이터를직접반환받을수도있지만경우에따라선해당센싱데이터시스템의 URI를이용해해당시스템으로접근해센싱데이터를반환받을수도있다. 이러한 USN 검색시스템에서요구되는기능은다음과같다. 사용자로부터식별체계를입력받아센서, 센싱정보또는해당정보를관리하는센싱데이터시스템의 URI를제공할수있어야한다. 제공되는 URI 정보는식별체계를통해구분되어야한다. 제공되는 URI 정보로센싱데이터시스템에접근할수있어야한다. 이번절에서는이러한 USN 검색시스템의구조와식별체계를이용한 URI 획득과정에대해설명한다. 가. USN 검색시스템구조 본연구에서설계한 USN 검색시스템구조는 ( 그림 6-5) 와같이사용자인터페이스, 질의처리기, 시스템분배기, 메타데이터저장소인터페이스, 센싱데이터저장소인터페이스, 상위검색시스템인터페이스로구성되어있다. 사용자인터페이스는식별체계를입력해원하는데이터를획득할수있는사용자인터페이스를제공한다. 질의처리기는사용자인터페이스에서전달된질의에대한키워드검사, 데이터검사, 구조의정확성등의문법검사를한뒤시스템분배기에해당식별체계를넘겨주는역할을한다. 시스템분배기는메타데이터저장소와센싱데이터저장소에접근해식별체계에해당하는정보를반환하는역할을한다. 상위검색시스템인 - 126 -
터페이스는 USN 식별체계를이용해검색한결과해당 URI를찾지못할경우상위검색시스템에게질의를하기위한접근을돕는다. 메타데이터저장소인터페이스는메타데이터저장소의접근을도와해당센서, 네트워크, 서비스정보및센싱데이터정보를관리하는메타데이터정보와센싱데이터시스템의 URI를가져온다. USN 검색시스템이센싱데이터저장소에직접접근하지못할경우센싱데이터시스템의 URI를제공함으로써, 서로다른센서네트워크및응용서비스의접근을돕는역할을한다. 센싱데이터저장소인터페이스는센싱데이터저장소의접근을도와해당센서노드에서수집한센싱정보를반환한다. 이러한 USN 검색시스템은최상위검색시스템과하위에다수의로컬검색시스템으로이루어진계층적구조를갖는다. 사용자가 USN 식별체계를이용해해당서비스가등록되어있는로컬검색시스템에질의를하면, 로컬검색시스템은먼저질의에해당하는센싱데이터시스템의 URI 를검색하기위해자신과연결된메타데이터저장소에접근한다. 만약해당하는 URI를찾지못하면최상위검색시스템에질의를전달한다. 최상위검색시스템은질의에대한 URI를가지고있는로컬검색시스템에질의를전달하고, 해당로컬검색시스템은자신과연결된메타데이터저장소를검색해해당 URI를반환한다. ( 그림 6-5) USN 검색시스템구조 - 127 -
나. URI 획득과정 메타데이터저장소에서가져온센싱데이터시스템의 URI는 USN 검색시스템이센싱데이터저장소에직접접근하지못할경우사용자가해당센싱데이터시스템에접근해센싱정보를가져오는데사용된다. ( 그림 6-6) 은사용자가 USN 검색시스템에식별체계를이용하여센싱데이터시스템의 URI를획득하는과정을나타낸것이다. ( 그림 6-6) USN 검색시스템 URI 획득과정 사용자는센싱데이터시스템의 URI를획득하기위하여 USN 식별체계를이용해하위검색시스템 A에질의를한다 (1). 하위검색시스템 A 는질의에해당하는센싱데이터시스템의 URI가있는지자신이접근가능한메타데이터저장소에접근해검색한다. 만약해당하는 URI가없을경우, 상위검색시스템에질의를전달한다 (2). 상위검색시스템은자신이접근가능한메타데이터저장소에접근해 USN 식별체계에해당하는센싱데이터시스템의 URI를가지고있는하위검색시스템을검색해해당하위검색시스템 B의 URI를반환한다 (3). 하위검색시스템 A는획득한하위검색시스템 B의 URI를이용해해 - 128 -
당검색시스템 B에질의를전달한다 (4). 하위검색시스템 B는자신이접근가능한메타데이터저장소에접근해센싱데이터시스템의 URI를검색하고검색결과를하위검색시스템 A에게반환한다 (5). 하위검색시스템 A는하위검색시스템 B로부터받은센싱데이터시스템의 URI를이용해해당센싱데이터시스템에접근한다 (6). 센싱데이터시스템은자신과연결된센싱데이터저장소에식별체계를이용한검색을수행하고해당결과를사용자에게반환한다. 5. 센싱데이터시스템설계 센싱데이터시스템은 USN 식별체계관리대상이되는노드나서비스의정보를관리하고서비스요청자에게센서로부터수집된정보를제공하는시스템이다. 이러한센싱데이터시스템에서요구되는기능은다음과같다. 다양한 USN 응용서비스에활용되는정보에대해관리가가능해야한다. USN 서비스에서발생된센싱정보를수집하여서비스를요청하는사용자에게해당정보를표준화된메시지형태로제공할수있어야한다. 센서에서수집된데이터는정의된메타데이터표준에따라관리되어야한다. 이번절에서는이러한요구사항을만족하는센싱데이터시스템의구 조와통신방법, 정보관리를위한통신메시지구조에대해설명한다. - 129 -
가. 메시지구조 다양한 USN 응용서비스에활용되는정보를관리하기위해서는각서비스에사용되는데이터들이표준화된형태를갖춰야한다. 또한이용자는관련센서정보요청메시지를표준에맞춰전송하고, 제공자역시요청에대한응답메시지를표준에맞춰제공해야한다. ( 그림 6-7) 은센싱데이터시스템에서센서제공자와이용자사이에통신을위해사용되는메시지스키마구조를정의한것으로, 요청메시지와응답메시지로구성되어있다. 요청메시지는서비스이용자가서비스제공자에게센서측정데이터값을제공받기위한목적으로사용된다. 응답메시지는서비스제공자가서비스이용자에게요청한센서측정데이터를전달하기위한목적으로사용된다. 센싱데이터시스템에서통신을위한메시지구조는 ( 그림 6-7) 과같다. ( 그림 6-7) 센싱데이터시스템메시지스키마구조 - 130 -
구성필드중 Identify Info는사용자가 USN 검색시스템에질의하는 USN 식별체계정보를담고있다. 질의에대한응답은 Identify Info와 DataGroup으로구성된다. DataGroup은메타데이터시스템에서정의한메타데이터포맷에맞춰데이터를담고있다. 센싱데이터시스템의 URI 나센서ID값등은메타데이터구조중정적메타데이터에해당되며, 센싱데이터및기타장비관련정보는동적메타데이터에해당된다. 나. 센싱데이터시스템구조 센싱데이터시스템은 ( 그림 6-8) 과같이메타데이터시스템인터페이스, 센싱정보수집기, 센싱정보필터링, 데이터베이스인터페이스, 센싱데이터저장소로구성된다. 센서노드로부터수집된데이터는센싱정보를수집하는컬렉터역할의센싱정보수집기에데이터를전달한다. 센싱정보필터링은센싱정보수집기에서수집된센싱정보를메타데이터시스템에서전송된동적메타데이터구조에따라데이터를가공하고데이터베이스인터페이스를통해데이터저장소에저장한다. 센싱정보가센싱데이터시스템에전달되는방법은센서노드를통해직접전달될수도있고게이트웨이를통해전달될수도있으며전달된센싱정보는식별체계를통해구분되어질수있다. - 131 -
( 그림 6-8) 센싱데이터시스템구조 - 132 -
제 3 절적용시나리오 이번절에서는위에서제시한 USN 식별체계관리시스템을사용해실제 USN 응용서비스를연계할수있는시나리오를살펴본다. 사용된시나리오는현재 USN 서비스로널리알려져있는 u-health를대상으로한다. U-health는홈네트워크상의장치나휴대용장치등을통해생체정보를실시간으로모니터링하고자동으로병원및의사와연결되어언제어디서나진료및치료가가능한시스템을말한다. U-health는신속한의료서비스, 질병예방, 생체데이터관리중앙처리화, 진료분산화등의특징을가지며노약자, 장애인, 독거인관리에활용될수있다. 아래시나리오는이런 U-health 센서네트워크에대한이용패턴의일례를보여준다. A씨는예전부터노인성고혈압을앓고있다. 어느날 A씨는집안에서청소를하던중평소앓고있던고혈압으로쓰러지는긴급사태가발생하였다. A씨의몸에부착된센서는심장박동의이상을감지하고, 집안에설치된 AP를통해외부관리센타시스템에게이상황을전달한다. 상황을보고받은센터는인근지역의구급차나앰블런스를찾기위해해당기관의검색시스템에접근해실시간으로수집되는구급차와앰블런스의위치정보를검색한후가장가까운엘블런스를 A씨에게보낸다. 위시나리오에서 USN 식별체계관리시스템을통한서비스관리형태는다음과같다. 식별체계를관리하는인증기관에서는관리대상이되는센서노드들에게메타데이터관리시스템을이용해개별노드들을구별할수있는식별체계및데이터관리를위한메타데이터를등록한다. A씨의이상징후를감지하기위한 A씨의몸에부착된센서나집안곳곳의센서및긴급상황발생시인근지역의구급차나소방차들의긴급출동을위해차량에부착한센서등이관리대상이된다. A씨의몸에부착된센서는 A씨의심장박동상태를주기적으로감지 - 133 -
하고, 감지된데이터를센싱데이터관리시스템으로보낸다. 센싱데이터를위한무선전송기술은안테나, RF와모뎀을포함하는물리계층및 MAC 기술로이루어진다. 현재가장널리사용되는센서네트워크무선통신규격은 IEEE 802.15.4이다. 센싱데이터시스템은수집된정보를메타데이터포맷에맞게가공하여센싱데이터저장소에저장한다. 일상시에는단순한데이터만을전송하지만환자의이상징후를감지하게되면발생되는전체데이터를보내고경고메시지를알린다 (1). 어느날고혈압으로쓰러진 A씨로부터이상심장박동을감지한센서는 A씨의몸에부착된센서ID 값을포함한경고메시지를관리센터에전송한다. 상황을보고받은관리센터는전송된센서ID가관리되고있는인근지역의기관을찾기위해센서ID를이용해 USN 검색시스템을조회한다. 조회된기관의검색시스템에인근구급차위치검색을위해해당센서 ID를전송하고 (2) 해당기관의센싱데이터를관리하는센싱데이터시스템의 URI를반환받는다 (3). 관리센터는 URI를이용해실시간으로추적되고있는엠블런스의위치를조회한후 (4) 가장가까운차량을환자에게보낸다 (5). 엠블런스의차량에탑재된센서들은메타데이터관리시스템의식별체계관리기능을통해사전에관리자에의해등록됨으로써조회가가능하다. 위시나리오를통해알수있듯이 USN 식별체계관리시스템은 USN 응용서비스간의상호연계를가능하게하고, 원활한서비스연동을통해필요한정보를효율적으로사용할수있도록한다. 또한단일체계를통해편의성을강화하고, 정보공유를통한업무의효율성과수많은정보시스템들을사용자가마치하나의시스템으로인식할수있도록표준화된분류체계및표현방식을제공한다. - 134 -
( 그림 6-9) USN 식별체계관리시스템적용시나리오 - 135 -