무선 메시망을 구축하려고 하는가? 무선 메시망 구축을 지원하는 기술들은 한두 가지가 아니다. 또 모든 것을 아우를 수 있는 맞춤형 기술은 존재하지 않는다. 시장에 나와 있는 메시 프로토콜들을 살펴보면서 각각의 용도에 대해 정리해 보자.
지난 수년간 메시망의 인기도는 꾸준히 상승해왔다. 이는 무선 환경에 대한 관심이 지속적으로 증가한 결과다. 다른 기술들이 그런 것처럼 메시망은 다양한 네트워킹 기술과 아키텍처를 가지고 있다. 이 기사는 메시망에 대한 어지러운 당신의 머리를 말끔히 정리하는데 목적을 두고 있다.
먼저 우리는 여러 메시망 기술들을 비교하는데 필요한 가장 핵심적인 카테고리들을 살펴볼 필요가 있다. 보안, 신뢰성, 전력 관리, 확장성, 데이터 이동, 비용이 바로 그것들이다.
보안 : 실질적인 위협만큼이나 위협을 인식하는 것이 중요하다. 우리는 업계에서 익히 알려진 전통적 요소들을 이용해 보안 환경을 평가할 수 있다. 여기에는 암호, 유저/노드 인증, 권한 부여가 포함되며 다른 요소들은 인증, 권한 부여 설정이나 원활한 배포 환경과 관련돼 있다.
신뢰성 : 복잡하게 생각할 것 없이 메시지가 제 시간에 의도한 목적지에 전달될 수 있도록 한다면 우리는 그것을 신뢰할 수 있는 환경이라고 말할 수 있다. 무선 메시망의 신뢰성을 평가하기 위한 요소들은 다음과 같다.
● 주파수 민첩성 : 잠재적 간섭을 간파하고 간섭에 대해 망을 적응시키는 것
● 잠재적 메시지 로스 : 메시지 손실 여부의 측정
● 적응성 : 메시지 로스를 방지하면서 노드 유실을 수용하도록 라우팅을 변경할 수 있는 능력
● SPOF(single point of failure) : 전체 시스템의 다운을 유발할 수 있는 취약한 포인트 및 연결고리에 대한 대응
전력 관리 : 망 아키텍처의 관점에서 전력 관리는 종단 노드, 라우터 노드, 망 코디네이터의 시각에서 분석돼야 한다. 종단 노드는 전통적인 형태의 유선 전원 공급기에서 멀리 떨어진 곳에 위치할 가능성이 높다. 때문에 저 전력, 고 효율 종단 노드를 구현하는 일은 매우 중요하다. 라우터의 경우 배터리 기반 라우터 및 일반 라우터에 대기 기능을 사용함으로써 아키텍처의 전력 관리에 대한 유연성을 향상시킬 수 있다.
확장성 : 이것은 신뢰성 메커니즘과 애플리케이션 특성과 연관돼 있다. 네트워크에서 재 라우팅을 유발하는 문제점이 일어나지 않는다면 라우팅 테이블은 바뀌지 않을 것이다. 이는 곧 캐시 라우터가 항상 동작하고 실패로 인해 재전송이나 재라우팅은 매우 드물게 발생한다는 의미가 된다.
확장성과 연관되는 또 다른 요소는 데이터의 유형과 크기와 관련되며 드리블(dribble) 데이터, 버스티(bursty) 데이터, 스트리밍 데이터로 간주된다. 트래픽이 드리블 데이터로 구성될 때 데이터 흐름은 풍부한 대역폭을 지닌 채 일관된 패턴을 가진다. 따라서 망 규모를 크게 확장할 수 있다. 확장성이라는 측면에서 휴면 네트워크는 드리블 데이터와 잘 들어맞는 반면 스트리밍 데이터와는 잘 맞지 않는다.
데이터 이동 : 데이터 이동을 가지고 망을 평가할 때 데이터 속도, 레이튼시, 패킷 크기, 단편화, 범위와 같이 다섯 가지 변수들을 조합해서 고려할 필요가 있다.
비용 : 비용은 개별적인 장비 비용과 망 전체 유지에 소요되는 비용에 의해 결정된다. 유지보수에 필요한 비용을 정량화하는 것이 어렵기 때문에 종종 구축 비용이 간과될 여지가 있다. 가장 잘 알려진 변수들을 정량화하는 것이 가장 손쉬운 방법이다.
예를 들면 노드 당 트랜시버 시스템의 실제 비용을 따져보는 것도 한 방법이다. 하지만 가장 저렴한 무선 솔루션은 피하는 것이 상책이다. 무선 솔루션 비용을 판단할 때 연결된 장비의 비용과 연관해 살펴볼 필요가 있다.
이제 무선 메시망에 관여하는 프로토콜들에 대해 알아보자.
일대다(Point-to-multipoint)
특징 : 종종 혼선을 빚기도 하지만 진정한 메시망 기술이라고 보기 힘들다. 일대다 망은 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)나 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum, 802.15.4)와 같은 무선 인터페이스를 사용하며 PAN ID, 라우터, 보안에 대해 정적인 환경으로 구성된다. 모든 노드는 다른 노드를 볼 수 있으며 어떤 노드에 메시지를 전달해야 하는지 망에서 알려줘야 한다. 보안 환경은 암호화와 키를 통해 구축되며 엔드포인트는 대기 내지 활성 상태로 유지되지만 중앙 라우터는 항상 활성 상태에 있어야 한다.
장점 : 비 메시형 일대다 망의 가장 큰 장점은 단순성이다. 트래픽이 과도한 양이라고 해도 호핑이나 최소 내지 매니지드 충돌점이 존재하지 않으므로 통신 환경은 비교적 결정적이라고 말할 수 있으며 추가 라우팅이나 여분의 라우팅 경로 물색이 필요하지 않으므로 최대 성능이 보장된다. 아울러 이해와 관리가 어렵지 않기 때문에 특정 사이즈와 기능에 대해 비용 효과성이 크다는 장점이 돋보인다.
단점 : 불행히도 단순성은 몇 가지 제약을 불러일으킬 수 밖에 없다. 망 규모는 작을 수 밖에 없으며 대형망일 경우 중앙 지점에서 메시지가 제대로 전달될 때 유효한데 이를 위해 매우 특수한 형태의 메시지 관리 환경이 요구된다. 또한 SPOF가 존재하며 환경 변화에 따른 데이터 경로 변화를 모색할 수 없다. 처음에 잘 동작한다면 앞으로도 계속 잘 동작할 것이라는 신조를 따를 수 밖에 없으며 따라서 양질의 RF 환경 조건을 갖추어야 할 필요가 있다.
지그비 프로(ZigBee PRO)
특징 : 지그비는 802.15.4 규격을 기반으로 삼으며 2.4GHz 대역에서 DSSS 기술을 사용한다. 엔드포인트가 대기 상태에 있을 때 라우터는 활성화되며 망 가동과 엔드포인트가 망에 합류할 수 있도록 하기 위해서는 코디네이터가 필요하다.
지그비는 세 가지 버전을 갖고 있다. 2004와 2006, 그리고 지그비 프로라 일컫는 2007. 지그비 2004는 더 이상 사용하는 곳이 없으며 지그비 2006은 제한 사항이 너무 크다. 기존 두 버전의 단점을 강화한 지그비 프로는 주파수 민첩성, 메시지 단편화(Message fragmentation), 핵심 관리 기능과 연관한 보안성 강화와 같이 추가 기능 및 개선점들이 포함되어 있다.
메시지 라우팅의 경우 모든 점에 대한 경로들이 각 클러스터에서 유지되도록 하는 클러스 트리 기술을 채용함으로써 라우팅 시간이 단축되지만 라우터 요구량이 많아진다는 단점이 있다. 경로 발견의 경우 클러스터 사이에서 경로를 찾을 수 있는 AODV 알고리즘이 사용된다.
장점 : 엔드포인트 장비들이 부모 라우터에 종속되므로 장비의 전력 소비율이 매우 낮은 편이다. 클러스터 트리 라우팅 기술은 경로의 빠른 인식을 가능케 하므로 효율적인 라우팅 환경이 실현된다. 지그비 프로에서는 주파수 민첩성 도입으로 문제가 되는 채널이 발생할 경우 주문형 주파수 호핑에 의해 자동적으로 채널 전환이 가능하며 메시지 단편화를 통해 긴 메시지를 지원한다. 독립된 키 방식을 지원해 보안의 유연성을 개선하였고 망의 확장이 용이하다. 단점 : 가장 큰 단점은 라우터의 전력 문제다. 라우터에는 끊임없이 전력이 공급되어야 하며 결코 잠들어서는 안된다. 또한 클러스터 트리 라우팅 기술을 도입하였기 때문에 경로 발견을 위한 트래픽 요구량이 크며 트래픽 량이 늘어나면 자연스럽게 충돌과 메시지 로스의 가능성 또한 높아지기 마련이다. 마지막으로 망 가동과 관리를 위해 코디네이터가 필요하기 때문에 코디네이터가 다운될 경우 아무도 망에 접속할 수 없어 망 가동이 불가하다.
무선 HART(Wireless HART)
특징 : 무선 HART는 더스트 네트워크가 개발한 TSMP(the time synchronized mesh protocol)을 사용한다. 다른 망과는 달리 시간(time) 기반의 망은 액세스 양식으로 TDMA(타임 슬롯)를 사용하며 저 전력 환경에 최적화되어 있다. 모든 노드를 대기 상태로 만들 수 있으며 모든 노드가 라우터가 될 수 있으며 대기 및 활성 기능의 크리티컬 타임 동기화 때문에 망 동기화에 게이트웨이가 필요하다. 지그비와 마찬가지로 무선 HART는 802.15.4 DSSS에 기반하지만 보다 세밀한 주파수 호핑 알고리즘이 추가되었으며 보안에는 암호화와 인증 기술이 사용된다.
장점 : 모든 노드는 전력 소비율이 매우 낮은 라우터로 동작하며 대부분의 시간을 듣는 데 할애한다. 전송은 오직 할당된 시간 슬롯(time slot) 안에서만 발생하므로 재전송의 빈도는 자연스럽게 줄어드며 모든 메시지의 인식이 가능한 가운데 통신 환경은 매우 안정적으로 유지된다. 망은 1,000노드에 가깝게 확장이 가능하며 주파수 호핑을 통해 간섭의 빈도를 줄일 수 있다. 암호화와 적정 인증 기술로 이중 보안 체제를 제공한다.
단점 : 시간 슬롯을 이용하기 때문에 레이튼시는 길며 비결정적이며 모든 노드들이 경로를 형성하고 시간 슬롯의 교섭을 완료하기까지 시간이 많이 걸린다. 시간 슬롯 때문에 통신은 철저히 슬롯화되며 가용 802.15.4 대역폭을 분리해서 사용하게 되는데 이는 곧 버스티 트래픽에 대한 처리 속도는 최소화된다는 의미가 된다. 망이 제 기능을 유지하기 위해서는 게이트웨이(코디네이터)가 요구되므로 연장된 시간 동안 게이트웨이를 사용하지 못할 경우 SPOF가 발생하게 된다. 또 다른 솔루션에 비교할 때 비용이 많이 든다.
6LoWPAN
특징 : 6LoWPAN은 IPv6 over low-power wireless personal area network의 약자로서 IETF RCF 4944에 기반한 제안 규격으로 802.15.4 칩과 라디오에서 사용하도록 설계되었다. 전통적인 IPv6와는 달리 6LoWPAN은 호환되지 않는 패킷 사이즈를 메시지 전송 영역에서 다루며 일대다 메모리가 작은 시스템에 맞도록 설계되었다. 기본적으로 일대다 아키텍처며 메시 라우팅 기술을 통해 확장이 가능하다.
장점 : 가장 큰 장점은 기존 TCP/IP 인터넷 프로토콜 셋의 기능을 고스란히 이용할 수 있다는 것이다. 모든 기능은 인터넷의 대규모 보급에 의해 익히 알려져 있는 상태다. 이런 이유로 기존 프로토콜, 기존 서비스 품질 요구사항과 기능, IETF 지원 보안 프레임워크를 활용할 수 있으며 메시지 페이로드의 심리스한 라우팅이 가능하다.
단점 : 초기 단계에 있으며 제안 규격이라는 한계를 벗어나기 힘들다. 즉, 검토 단계에 있기 때문에 앞으로도 얼마든지 변화를 거치게 될 가능성이 많다. 메시 라우팅 워킹 그룹은 채 구성되지 않은 상태다. 이점만 봐도 대량 보급은 아직 요원한 일이다. 가장 크게 내세우는 상호운용성은 훌륭한 아이디어지만 아직까지 검증되지는 않았다. 또 신형 규격이라는 멍에 때문에 칩셋 그룹에 대한 대규모 포팅도 희망사항이다.
디지 메시(Digi Mesh)
특징 : 무선 HART와 마찬가지로 디지 메시(Digi Mesh)는 배터리 구동 라우터가 요구하는 전력 소비율이 극히 낮은 전력 센서망을 위해 개발된 것으로 2.4GHz DSSS와 900MHz FHSS를 지원하며 내부적으로 일부 기능들이 지원되므로 802.15.4에 대한 의존성이 절대적이지 않다.
메시지 라우팅과 경로 발견을 위해 AODV 변종 기법을 사용하므로 라우팅 테이블은 오직 필요한 목적지에 대해서만 구성된다. 이런 점 때문에 클러스터 트리가 아닌 P2P 메시 기술로서 간주된다. 동등한 참여 객체로서 취급되는 모든 노드는 라우터로 동작하며 몽땅 대기 상태에 돌입할 수 있다. 채널 액세스는 CSMA 방식에 기반하며 버스티 트래픽을 지원하지만 다소 충돌이 예상되며 풀 보안 셋을 지원한다.
장점 : 모든 노드는 전력 소비가 매우 낮은 라우터로 동작한다. 모든 메시지는 인식이 가능하며 라우터는 필요한 기반 위에서만 결정적으로 동작하므로 불필요한 경로 검색 트래픽으로 인한 망의 과부하는 일어나지 않는다. 라우터가 배터리 충전 형태며 대기 상태에 있을 경우 이 점은 매우 중요하다.
효율적인 경로 검색과 라우팅 환경을 실현함으로써 망은 실질적으로 사용되는 경로만을 인식한다. 주파수 민첩성이 지원되며 보안 환경 구축을 위해 암호화와 인증 기술이 사용된다. 신뢰성은 대략 99.99%로 추정되며 메시지 단편화 지원으로 대형 페이로드 환경을 실현한다.
단점 : 불행히도 효율적인 전력 관리를 위해 레이튼시는 길어지며 비결정적 특성을 지니게 된다. 시간 슬롯에 의해 처리 속도가 제한 받는 일은 없지만 로딩과 경로 검색에 따라 여전히 한계가 존재한다. 망의 확장성은 500+ 노드 수준으로 제한되며 트래픽 크기가 작고 메시지 흐름이 변동이 크지 않을 경우에 한해서만 대규모 확장이 가능하다.
네트워킹 아키텍처 상세 비교
<표 1>은 앞서 살펴본 5개의 네트워킹 아키텍처 기술을 비교해본 것이다. 먼저 보안 영역에서는 5개 규격 모두 적절한 암호화, 인증, 권한 부여 기술을 채용, 골고루 후한 점수를 줄 수 있다. 특히 지그비와 6LoWPAN의 경우 키 시스템 구현이 다른 규격들보다 수월하고 확장성이 좋다는 점에서 점수가 높은 편이다.
신뢰성의 경우 태생상 SPOF로부터 자유로울 수 없는 일대다 규격이 점수가 낮다. 또한 신뢰성에 영향을 미치는 큰 요소로서 주파수 민첩성의 유무를 생각하지 않을 수 없다. 지그비의 경우 프로 이전의 버전들에서는 주파수 민첩 부분에서 취약했지만 프로 버전에서 이 문제가 해결되고 메시지 단편화와 같은 기능들이 포함되면서 신뢰성이 강화되었다.
약어 해설
DSSS(direct sequence spread spectrum) : 의사난수 코드를 이용해 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 정보를 배포하는 신호 인코딩 기법
FHSS(frequency hopping spread spectrum) : DSSS와 흡사하지만 보다 제한된 확산 알고리즘을 사용하며 수신기는 송신기와 동일한 호킹 코드를 사용함으로써 이론상 간섭에 대한 재전송의 면역력이 높다.
TSMP(time synchronized mesh protocol) : 시간 슬롯을 이용해 두 노드 간 통신에 스펙트럼을 할당한다.
AODV(ad-hoc on-demand distance vector) : 순수한 주문형 경로 획득 알고리즘으로 액티브 경로에 존재하지 않는 노드는 라우팅 정보를 유지하지 않거나 라우팅 테이블 교환에 참여하지 않는다.
클러스터 트리(Cluster-tree) : 노드 클러스터 사이에 경로가 형성 유지되는 지역 기반 매시 망 라우팅 알고리즘.
PAN ID(Personal Area Network Identifier) : 개인용도 네트워크에 할당된 네트워크 명
CSMA(carrier sense multiple access) : 이더넷, 와이파이, 버스 지향 네트워크에서 사용되는 채널 액세스를 규정하고 충돌 감지 방법을 제공하며 통신 채널 확보를 위해 패킷을 재전송한다. |
무선 HART는 메시지 로스와 무관한 관계로 점수가 가장 높으며 6LoWPAN의 경우 기존 TCP/IP 프로토콜 셋이 CoS(class-of-service)를 내장한다는 전제 하에 점수를 높게 줄 수 있다. 디지 메시는 무선 HART와 동일한 어프로치로 신뢰성이 높다고 평가되지만 아직까지 대규모 보급이 되지 않은 관계라는 점을 감안해 별 한 개를 차감했다. 전력 관리는 의심의 여지 없이 논쟁의 여지가 많은 부분이지만 라우터를 포함해서 망 안에 존재하는 모든 노드들을 대기 상태로 만들 수 있는 시스템을 규정하고 있는 무선 HART와 디지 메시에 많은 점수를 줄 수 밖에 없다.
물론 대기 기능을 지원하는 지그비의 종단 장비들도 전력 소비가 낮은 편이지만 라우터는 대기 상태에서 제외된다는 이유 때문에 두 기술보다 점수가 낮다. 6LoWPAN의 경우 메시 및 전력 관리 전략에 완전히 정착하기 전까지는 판단 보류다.
확장성의 경우 망이 기능이 온전히 유지될 수 있는 한도 내에서 망의 규모가 얼마나 커질 수 있는가라는 질문으로 대변된다고 말할 수 있다. 클러스터 트리 아키텍처로 확장성이 뛰어난 계층적 구조 덕택에 지그비 프로에 높은 점수를 매길 수 있다. 디지 메시와 무선 HART 또한 확장성이 좋은 편이다.
특히 대부분의 통신이 로컬 상태로 유지될 경우 탁월한 확장성을 기대할 수 있으나 규모가 너무 커질 경우 속도가 대폭 느려진다는 단점이 있다. 한편 일대다 규격은 중앙 지점에 부착할 수 있는 노드 수에 한계가 있어 가장 점수가 낮다.
최상의 데이터 이동성은 두말할 것 없이 단순성의 정점에 있는 일대다 규격이다. 단순한 망 설계는 곧 결정적 레이튼시와 높은 데이터 처리 속도를 의미한다. 성능과 전력 간에 트레이드오프가 존재한다.
전력 최소화와 신뢰성 극대화를 목표로 하는 무선 HART와 디지 메시는 당연히 비결정적 레이튼시와 상대적으로 낮은 처리 속도를 가질 수 밖에 없다. 지그비는 라우터 백본으로 데이터를 매우 효과적으로 전달할 수 있지만 필요한 경로 검색 수가 너무 많아질 경우 성능이 대폭 떨어진다는 단점이 있다.
가장 많은 논의의 쟁점이 된 것은 바로 비용이다. <표 1>에 나타난 점수는 기본적으로 용도에 맞는 아키텍처를 선택한다는 전제 하에 현 칩셋 솔루션 비용에 따라 매겨진 것이다. 이 전제를 무시한다면 양상은 달라지게 될 것이다.
이런 기본 요건에 비추어볼 때 일대다, 지그비, 디지 메시는 동일한 칩셋을 사용하므로 비용에 있어 공통 분모를 가진다. 6LoWPAN의 경우 리소스 요구사항에 따라 달라지기 때문에 평가를 내리기 힘들다.
기능 저하 없이 현 칩셋과 유사한 칩셋이 사용된다는 전제 하에 소수의 공급업체들이 칩셋 가격을 여타 솔루션보다 5~10배 높게 책정하고 있는 무선 HART야말로 경제성이 가장 떨어진다고 본다. 하지만 앞으로 경쟁 업체들의 수가 늘어나면서 양상은 달라질 것이다.
애플리케이션 니드 먼저 파악해야
각각의 무선 메시 아키텍처 기술들은 각기 다른 특성과 기능에 맞게 최적화되어 있기 때문에 분명한 장단점이 존재한다. 데이터 처리 속도는 전력 효율 및 신뢰성과 보조를 맞춰야 하기 때문에 모든 것을 아우르는 맞춤형 솔루션은 존재하지 않는다.
따라서 애플리케이션의 니드와 망의 특성과 기능을 맞추는 일이 중요하다. 또한 시장에 면면히 퍼지고 있는 거품이나 일시적 유행에 눈이 멀어 잘못된 판단을 하지 않는 것도 중요하다. 아울러 본 기사의 내용들은 보편적인 관점에서 작성된 것들이며 결론을 내리기에 모호한 부분들이 얼마든지 존재한다.
마지막으로 기사가 작성된 시점을 유념할 필요가 있다. 만일 이 기사가 1년 전에 작성된 것이라면 그 때와 지금의 결과는 판이하게 다를 수도 있으며 앞으로 1년 후에도 달라질 수 있다.
■ 조엘 K. 영(Joel K. Young)
디지 인터내셔널 CTO
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