대규모 IoT 서비스구축을위한경량네트워크스택기술 2019/04/16 김해용 (haekim@etri.re.kr)
기술의개요 멀티홉을지원하는대규모사물인터넷 (IoT) 서비스개발및운영을위한소형 IoT 디바이스용경량 IPv6 프로토콜스택 1. 경량네트워크스택기술 (ZigBee IP MAC, IEEE 802.15.4) 2. TSCH 기술 (IEEE 802.15.4e MAC) NanoQplus 운영체제를기반으로하는임베디드장치용펌웨어개발기술 PHY 에서응용까지전체계층포함 (MAC/6LoWPAN/IPv6/RPL/UDP) Cortex-M MCU 및 CC2520, CC1200 RF 트랜시버기반 IPv6 Ready Gold Level 국제인증획득 (2014.03) TSCH (Time Slotted Channel Hopping) Low-power and lossy networks (LLNs) 를위해고안된고신뢰성 MAC 프로토콜 산업용 IoT 서비스를위한 IEEE 802.15.4e 국제표준
기술응용분야및기존기술과의차별성 전원인가즉시부팅이완료되어야하는 GUI 를활용하지않는소형 IoT 디바이스 안드로이드 / 리눅스탑재가어려운소형 IoT 디바이스 수백대이상의디바이스가멀티홉으로구성되는네트워크를필요로하는소형 IoT 디바이스 WiFi 망구성이불가능한네트워크 AP 응용분야예시 스마트그리드의전력 / 수도 / 가스원격검침 국외상용화완료, 국내시범사업완료 스마트농장 / 태양열발전모니터링및자동화 통신인프라구축이어려운지역에설치가능 스마트공장의모니터링및공정자동화 스마트빌딩의에너지관리 스마트홈의가전제어 / 조명 / 보안관리 스마트교통의교통상황모니터링 스마트헬스케어 IoT 서버 ( 리눅스 / 안드로이드 ) IoT 게이트웨이 대규모 IoT 경량디바이스 인터넷 IoT 시스템구성
기술응용분야예시 ( 스마트공장 ) 클러스터내무선 IoT 디바이스 100 개 클러스터 1 무선 IoT 디바이스 Access Point 클러스터 3 클러스터 2 스마트공장 클러스터 4 클러스터 5 클러스터 6 클러스터 7 이동단말 고신뢰무선네트워크 클러스터 10 클러스터 8 클러스터 9 원격모니터링 IoT 서버시스템
기술응용분야예시 조선소환경감지및측위시스템 스마트팜통합관리시스템 환경감지및옥내외작업장측위
기술특장점 TRL 7 단계 실험실신뢰성평가완료 수요기업의활용방법에따라최적화필요 노르웨이 SORIA 프로젝트성공적수행 TSCH 기술적용 1210 억원규모 한국스마트그리드무선전력망표준화진행중 표준연, 한국전력, ETRI 기술이전기업들참여
노르웨이 SORIA 프로젝트상세 요구성능 : 15분전송주기, 1% 이내패킷손실율, 최대 250대의 IoT 디바이스로네트워크구성 경쟁력 : 비용절감을위해 AP 개수를최소화하여네트워크를구성할수있는멀티홉기술 (ETRI 보유기술 ) 누리텔레콤에기술이전하여노르웨이에 110만대 (1210억원) 원격검침기설치완료 원격검침기에는 TSCH 무선통신기술과 IPv6 기술이적용됨 노르웨이 SORIA 프로젝트구축지역원격검침기술적용부분 (Smart Meter 들과 DCU 간통신에활용 ) DCU : Data Collection Unit
6LoWPAN Protocol Stack 구성 Physical layer: PPDU 의 TX/RX (CCA) IEEE802.15.4 compatible RF chips CC2520 (2.4 GHz) CC1200 (Sub-GHz) Data link layer: Destination(1-hop Neighbor) 으로 Frame 전달 MAC layer: TSCH, ZigBee-IP MAC 표준기반의 frame들을이용한운용및관리 MAC sublayer: IEEE 802.15.4-2015 standard MLME-SAP, MCPS-SAP MPDU의 TX/RX (CSMA-CA) Network layer: Target(multi-hop) 으로 Packet 전달 6LoWPAN: 헤더압축및 Fragmentation IPv6: end-to-end 라우팅 RPL: 무선멀티홉라우팅을위한 ICMPv6 메시지의한종류 Transport: 특정 Port 로 Datagram 전달 UDP UDP RPL IPv6 Layer (6LoWPAN ND) 6LoWPAN HC/Fragmentation 6ToP ZIP MAC TSCH MAC IEEE 802.15.4 MAC sublayer PHY layer (RF driver)
NanoQplus IPv6 Protocol Suite ICMPv6 6LoWPAN ND RPL UDP IPv6 6LoWPAN Interface IEEE 802.15.4-2015 TSCH ZIP MAC(non-beacon) WPAN devices CC1200 CC2520 SLIP interface SLIP protocol UART
대규모 IoT 서비스구축을위한경량네트워크스택기술
경량네트워크스택기술이전내용및범위 6LoWPAN 적응계층및 INET 추상화계층 컨텍스트 ID 를통한 IPv6 주소의헤더 (header) 압축기능 Fragmentation 기능강화 이웃노드블랙리스트관리 경량 ICMPv6 프로토콜및 6LoWPAN ND 표준프로토콜 경량화를통한메모리사용최소화 DAD(Duplicate Address Detention) 기능지원 RA(Routing Advertisement) 에 nos_custom 옵션지원 경량 IPv6 프로토콜 경량화를통한메모리사용최소화 임의의개수의 IPv6 주소설정가능 라우팅테이블설정을통한데이터경로의수동설정가능
경량네트워크스택기술이전내용및범위 RPL(IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) Storing 모드지원으로제어메시지최소화 6LoWPAN ND와의 cross-layer 설계로메모리사용최소화 LLN 노드용경량네트워크스택관리및제어 능동적채널스캔 (active channel scan) 채널블랙리스트 (channel blacklist) 지원 참여 (join) 승인 / 거절기능지원
경량네트워크스택기술상세 경량네트워크스택기술관련 IEEE, IETF 국제표준 MAC 계층 IEEE 802.15.4-2011 (CSMA-CA, ZigBee IP MAC) 6LoWPAN Adaptation 계층 [RFC 4944] Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks [RFC 6282] Compression Format for IPv6 Datagrams over IEEE 802.15.4-Based Networks [RFC 6775] Neighbor Discovery Optimization for IPv6 over Low-Power Wireless Personal Are a Networks (6LoWPANs) 6lowpan (IPv6 over Low power WPAN) Low power and lossy networks (LLNs) 를특징으로하는 IEEE 802.15.4 MAC 에 IPv6 표준프로토콜을적용하기위해추가로필요한표준들을제정하는 IETF Working Group
경량네트워크스택기술상세 경량네트워크스택기술관련 IEEE, IETF 국제표준 RPL 계층 [RFC 6550] RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks CoAP 계층 draft 상태의표준문서를기반으로개발되었으나, 현재최종 RFC 표준문서와크게달라져제외됨 RPL LLNs 를위한 Routing Protocol 로, IPv6 에의한라우팅을 LLN 에적용할수없었던문제점을해결하여디바이스간멀티홉연결이가능 IETF ROLL Working Group 에서제정한대표표준
경량네트워크스택기술료 중소기업 착수기본료 : 50,000 천 매출정률사용료 : 1.25% 중견기업 착수기본료 : 100,000 천 매출정률사용료 : 3.75% 대기업 착수기본료 : 100,000 천 매출정률사용료 : 5.00%
대규모고신뢰 IoT 서비스를구축을위한 TSCH 기술
TSCH 기술의장점 특정채널점유에의한위법사항회피 대규모네트워크에서단일채널만사용할경우 Root 디바이스근처에서는채널을쉬지않고점유하게됨 LBT 와같은기술을적용해회피할수있으나, 현저히낮아지는 Duty Cycle 로인해대규모네트워크의데이터양을처리불가 채널호핑을통해멀티채널을활용 멀티패스페이딩및간섭문제해결 특정채널에서발생하는노이즈회피 슬롯기반의시간동기화 패킷간충돌을줄여재전송을최소화하고안정성확보 소규모네트워크에서 Deterministic 통신가능하여산업용시설에사용가능
TSCH 기술이전내용및범위 시간동기화기반채널호핑 MAC 통신기술 (TSCH) Enhanced Beacon Frame-based MAC 시간동기화기술 대규모네트워크지원을위한 Enhanced Beacon 설정및전송주기제어기술 의도된홉단위지연시간을활용한 Robust 네트워크 ( 멀티홉 ) 시간동기화기술 노이즈에의한통신저하문제회피를위한채널호핑기술 6LoWPAN 계층과의 Cross-layer 기술을활용한 MAC Queuing 관리및버퍼제어기술 TSCH 표준기반 CSMA-CA 기술 동적링크셋할당기반확정적네트어크기술 (6TOP) Legacy RF 트랜시버의대규모네트워크지원을위한 Linkset 기반링크정보교환기술 Dedicated linkset 할당및해제를활용한확정적 MAC 통신기술 Shared linkset 을활용한긴급 MAC 통신기술 Linkset 기반 RPL Objective Function 을활용한멀티홉네트워크형성, 유지, 관리기술
TSCH 기술상세 TSCH 기술관련 IEEE, IETF 국제표준 MAC 계층 IEEE 802.15.4-2015 의 TSCH mode IEEE 802.15.4e (2012) 6ToP 계층 [RFC 7554] Using TSCH in the IoT: Problem Statement [RFC 8180] Minimal 6TiSCH Configuration [RFC 8480] 6TiSCH Operation Sublayer (6top) Protocol (6P) 6tisch (IPv6 over the TSCH mode of IEEE 802.15.4e) 6lowpan 과비슷하게 TSCH MAC 을 IPv6 표준프로토콜에적용하기위한표준들을제정하는 IETF WG
TSCH 기술성능평가 (Static scheduling) STM32F412RG + CC1200 조합의보드사용 2 홉으로구성된 100 개의노드테스트 MAC 계층재전송없이 99.98% 성공률 분당 1 회데이터전송, 15 시간이상 ( 노드별 1000 회이상 ) 테스트를통해인증서획득
TSCH 기술료 중소기업 착수기본료 : 125,000 천 매출정률사용료 : 1.25% 중견기업 착수기본료 : 250,000 천 매출정률사용료 : 3.75% 대기업 착수기본료 : 250,000 천 매출정률사용료 : 5.00%
참고자료
IEEE 802.15.4 표준개정역사 IEEE 802.15.4-2003: Frame Version 0 IEEE 802.15.4-2006(2011): Frame Version 1 Security Header 가추가됨 가장널리알려진버전. 802.15.4 compatible RF Transceiver 의다수가이버전을따름 IEEE 802.15.4-2015: Frame Version 2 PAN ID compression 이완전히달라져기존버전과호환되지않음 IEEE 802.15.4e(2012) MAC 내용반영 : TSCH, EB, Enhanced Ack, IE field 등 IEEE 802.15.4g PHY 내용반영 : long frame 전송
IEEE 802.15.4 (CSMA-CA) Nonbeacon PAN Superframe 개념이없음 Random access method: Unslotted CSMA-CA Beacon PAN(superframe) Beacon + Active period (CAP+CFP) + Inactive period Random access method for Contention Access Period (CAP) : Slotted CSMA-CA SD: Superframe Duration BI: Beacon Interval
IEEE 802.15.4e (TSCH mode) TSCH PAN (Slotframes) Channel hopping: to minimize the negative effects of multipath fading and interference Timeslotted: to avoid collisions, minimizing the need for retransmissions Random access method for shared slots: TSCH-CA CH = machoppingsequencelist [(macasn + macchanneloffset) % machoppingsequencelength] Multiple slotframes of different sizes