3. 사물인터넷 네트워크

출처

강의 자료 : https://cp.kiot.or.kr/main/index.nx

자격검정 - 한국지능형사물인터넷협회

문제 : https://www.kinz.kr/exam/223497

IoT지식능력검정(2020. 11. 15.) - IoT지식능력검정 객관식 필기 기출문제 - 킨즈

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사물인터넷 네트워크

• 사물인터넷은 OSI 7계층 중 1계층 (물리), 2계층 (데이터링크), 3계층 (네트워크), 4계층 (전송)을 통해 통신이 이루어진다.
• WSN은 센서로 네트워크를 구성한 것으로, 대부분 IP 네트워크를 전제로 하지 않는다.
• 센서노드 사이의 1, 2 계층은 IEEE 802.15.4를 사용하고, 3계층 이상은 지그비를 일반적으로 사용한다.
• WSN에서 응용 게이트웨이 역할을 하는 노드는 단말의 기능이 없는 라우터가 된다.

 

 

사물인터넷과 IPv6

• 사물인터넷 디바이스들은 제한적 환경에서의 통신을 위해 저전력 무선 통신 기술을 적용한다.
• IEEE 802.15.4, 블루투스 LE, NFC등이 그 대표이다.
• 하지만 IPv4의 제한적 주소로 IPv6의 적용이 필요했고, 이를 위해 저전력 무선 통신기술에 IPv6를 적용하기 위해 6LoWPAN에서 127바이트의 MTU를 가지는 IEEE 802.4 프레임 안에서 IPv6 패킷을 수용하기 위한 기술을 개발했다.
• IPv6의 헤더 중 공동 사용 필드를 제거하고, 디바이스 네트워크 안에서 복수개의 홉을 통해 헤드를 압축하는 것이다.

 

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와이파이

• 사무실같은 특정한 지역에 존재하는 장치들에 무선 통신 네트워크 구성.
• 빠른 통신속도와 다양한 통신 한경 제공
• 인프라스트럭쳐 모드와 애드혹 모드로 나눌 수 있음.
• 인프라스트럭쳐는 WIFI AP를 이용하고, 애드혹은 디바이스들이 직접 연결됨

 

 

블루투스

• 가까운 거리에서 데이터를 교환할 때 사용하는 무선 기술
• 저전력의 블루투스 스마트 기술 개발과 함께 사물인터넷에 적합한 통신 기술로 주목을 받고 있다.
• 모바일 디바이스시장에서의 성공에 따라 저전력화의 필요성이 증가되었고, 이에 Bluetooth Low Energy (BLE)가 개발되었다. (버전 4.0)
• 또한 기존의 블루투스보다 2.5배 이상 빠르고 10배 이상의 데이터를 전송할 수 있는 블루투스 4.2가 블루투스 SIG에 의해 공식적으로 채택되었다.

매시 네트워크

인터넷망을 사용하지 않고 기기들을 직접 연결하여 지역적인 그물망을 형성하는 기술.

허브앤스포크

중앙 데이터 허브를 통해 연결하는 네트워크 기술로, 중앙 허브의 커버리지를 벗어나면 통신이 불가능하다.

 

블루투스 비콘

• 비콘은 신호를 주기적으로 보내는 장치를 의미한다.
• 블루투스 비콘은 비콘의 위치정보 또는 특정 목적의 신호를 전달하는 기술이다.
• 활용 사례로는 마케팅, 결제 등에서 자주 사용되는데, 애플의 아이비콘, 구글의 니어바이, 페어팔의 페어팔비콘 등이 있다.
• RFID나 NFC와의 차이점은, 보다 서비스 영역이 넓고 계층화된 서비스를 제공하기 쉬우며, UUID나 수신호세기를 이용해 계층화된 서비스 제공이 가능하다.

 

 

블루투스 5

• 전송 속도가 2배 향상되었고, 거리는 4배, 브로드캐스트 용량은 8배 확장되었다.
• 디바이스와 클라우드 간 게이트웨이 역할을 할 수 있다.
• 메시 네트워크 지원은 아직은 개선이 필요하다.

 

 

RFID

• RFID 시스템은 리더, 태그, 미들웨어로 구성되며, 에너지의 보유 및 이용법에 따라 수동형, 반능동형, 능동형으로 나뉜다.
• 수동형은 리더가 전파를 방사하면 태그가 수신한 에너지를 이용해 칩에 저장된 데이터를 리더에 반환한다.
• 반능동형은 데이터를 보낼 때 자체 배터리를 이용해 전송 거리를 늘렸다.
• 능동형은 배터리가 내장되어 있어 센서를 통한 센싱이 가능하며, 데이터 수신 요청이 없어도 능동적으로 데이터 전송이 가능하다.

 

 

NFC

• 13.56MHz 대의 RFID 기술을 발전시킨 것으로 비접촉식 양방향 근접 통신 기술이다.
• 읽기, 쓰기가 모두 가능하며, 10cm 안의 근접거리 통신이 가능하다.
• 준비 과정이 없기에 빠른 통신이 가능하다.
• 동작 모드는 세 가지가 있다.
• 피어 투 피어 모드 : 두 대의 NFC 디바이스가 독자적인 RF필드를 생성하여 데이터 송수신. 전력 소모가 많다.
• 리더/라이터 모드 : RFID 태그를 인식하기 위한 리더로, 태그 인식을 위한 전력이 필요하다.
• 카드 에뮬레이터 모드 : RFID 카드처럼 동작하며, 전력 공급이 필요가 없다.

 

 

지그비

• 사물인터넷 디바이스들 사이의 통신에 필요한 요구사항들을 고려하여 발전된 모델.
• 소형, 저전력, 저비용, 근거리통신을 지향하며, IEEE 802.15.4를 기반으로 구성된다.
• 지그비의 통신기술은 아래와 같다.
• ZigBee pro : 지그비 스택에서 발전되었다.
• ZigBee RF4CD : 협력가전제품의 원격제어를 위한 규격으로, 스타토폴로지를 위한 간단한 스택을 정의하였고, AES 암호화를 적용했다.
• ZigBee IP : Smart Energy Profile 2.0을 수용하기 위해 발표되었다. IPv6 기반 완전한 무선 메쉬 네트워킹 솔루현으로 발표된 개방형 표준이며, 저전력 디바이스들을 인터넷에 직접 연결시켜준다.

 

 

Z-Wave

• Z-WAVE 얼라이언스에서 개발한 홈오토메이션의 모니터링과 컨트롤을 위한 저전력 통신 기술.
• 908.42MHz 및 주변의 주파수 밴드에서 동작한다.
• 같은 네트워크에 있으면 다른 벤더의 제품과도 호환성이 뛰어나며, 투과성이 좋아 벽이 있어도 30m 정도의 거리에서 통신이 가능하다.

 

 

WPAN

• 개인이 활동하는 영역에 있는 다양한 장비를 무선으로 연결한 네트워크
• 저가 저전력 소모에 초점을 맞춘 단거리 무선 연결이다.
• 웨어러블 디바이스에서 자주 사용한다.

 

 

UWB

• 군사용 레이더 및 원격 탐지용 주파수에 대한 상업정 이용을 허용하며 근거리 광대역 통신용 기술로 표준화 되었다.
• 매우 짧은 데이터 펄스를 극 저전력 라디오 신호로 전달한다.
• 초 광대역을 사용하나 출력이 낮다.

 

 

WSN (Wireless Sensor Network)

• 센서를 활용한 네트워크로, 자동화된 원격 정보 수집을 기본 목적으로 하며 여러 용도의 응용 개발에 활용된다.

 

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사물인터넷 전용망

• IoT서비스가 빠른 통신 속도를 갖출 필요는 없다. 이 점에서 개발된 기술이다.
• 속도를 늦추면 출력이 낮아지고, 배터리 수명이 늘어나며, 칩과 디바이스 가격도 낮아진다.
• 이를 토대로 속도를 늦춤으로써 저전력 소모, 장거리 전송, 낮은 구축 비용, 대규모 단말기 접속을 구현해냈다.
• 이에 대한 대표적인 기술은 LoRA, LTE-M, NB LTE-M이 있다.

 

 

LoRa

• 장거리 통신에 장점을 가진다.
• chirp spread spectrum 변조방식을 사용한다.
• 상위 계층에서는 배터리 수명과 용량, QoS를 결정짓는 프로토콜과 구조를 가진다.
• 기기간 동기를 맞추거나 채널에 대한 모니터링이 필요가 없다.
• 또한 Sensitivity 특성이 좋아 잡음에 잘하고 넓은 범위를 갖는다. 게다가 전력 소모가 적어 원격검친이나 화재 알림등에 응용될 수 있다.
• LoRa는 디바이스의 요구조건에 따라 A, B, C 3개의 클래스로 나뉜다.
• 각 클래스는 지연율과 배터리 수명의 트레이드오프 관계에 따라 분류된다.
• A가 가장 긴 배터리 수명을 가지나 제한적인 전송인 uplink 전송만 가능하고, C는 downlink 전송은 가능하나 배터리 수명이 짧다.

 

 

LTE-M

• IoT를 위한 LTE 기술로, 3GPP에서 표준화했다.
• 좁은 대역을 위한 150 kbps 이하의 데이터 전송 속도와 8km 이상의 장거리 서비스를 지원하기 위한 협대역전파전송기술이다.
• 이동통신사가 구축한 LTE망을 그대로 활용할 수 있다.
• LTE를 사용하기에 짧은 시간에 저용량 데이터를 송수신할 수 있어 기존 트래픽 처리에 거의 영향을 미치지 않는다.

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HTTP

• 서버와 클라이언트가 정보를 주고받을 수 있는 방식

 

 

CoAP

• 전송지연과 패킷 손실률이 높은 네트워크에서 저사양의 하드웨어로 동작되는 센서 디바이스의 RESTful 웹 서비스를 지원하기 위한 경량 프로토콜이다.
• 기존 HTTP 프로토콜과 쉽게 변환 및 연동이 가능하다.
• 메시지 단편화 가능성이 낮다.
• UDP 환경에서 유니캐스트와 멀티캐스트를 지원한다.
• 메시지 전달 환경은 확인형, 비확인형, 승인, 리셋으로 구성된다.

 

 

MQTT

• 지연 및 손실이 심한 네트워크 환경에서 신뢰성 있는 메시지를 전달하기 위한 프로토콜이다.
• 단순한 메시지 포맷을 바탕으로 하기에 네트워크 대역 및 배터리 소비가 적다.
• 저전력으로 동작되며 데이터 전송 지연 및 손실이 발생하는 네트워크 환경을 고려한다.
• QoS 레벨이라는 것이 있는다.
• QoS 0 : 메시지 최대 1번 전달, 유실 가능성 존재
• QoS 1 : 메시지 최소 1번 전달, 중복 가능성 존재
• QoS 2 : 메시지를 정확하게 한 번만 전달

 

 

XMPP

• XML기반 메신저 프로토콜로, IETF를 통해 표준화된 프로토콜이다.
• 이메일 주소와 같은 형식을 가진 Jabber ID를 이용한다.
• Publish/Subscribe, Request/Response 방식 모두를 지원한다.

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다음 중 사물인터넷 네트워크에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

1) 사물인터넷에서는 대부분의 디바이스들 사이의 네트워크는 IP 통신을 수용하는 흐름으로 진행하고 있다.
2) 사설주소와 NAT(Network Address Translation)를 통해 IP 네트워크를 통한 사물인터넷 통신 문제는 완전히 해결된 상태이다.
3) 사물인터넷의 디바이스들은 제한적인 환경에서 통신을 수행해야하기 때문에 저전력 무선 근거리 통신 기술이 적용된다.
4) 사물인터넷 발전으로 인터넷 연결기기는 늘어날 전망이므로 IPv6 프로토콜은 사물인터넷의 필수 조건이라 할 수 있다.

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다음 중 사물인터넷을 위한 저전력 무선 근거리 통신기술인 6LoWPAN에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

1) MAC Layer는 IEEE 802.15.4 표준을 사용한다.
2) IPv6 주소 체계를 사용한다.
3) IPv6 헤더를 압축하여 사용한다.
4) 대역폭이 크고 고속 통신이 가능하다.

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블루투스 기술이 다른 무선 WPAN 기술보다 널리 보급되고 전력 소모량이 적은 것 등 사물인터넷 환경에 적합한 여러 특성을 제공하고 있지만 서비스 커버리지 측면에서는 한계성을 갖고 있다. 다음 중 이러한 한계를 극복할 수 있는 기술로 적절한 것은?

1) 허브앤스포크 (Hub-and-Spoke)
2) 메시 네트워크 (Mesh Network)
3) 스위치 네트워크 (Switch Network)
4) 브리지 네트워크 (Bridge Network)

2

다음 중 지그비(ZigBee)에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

1) 대형, 고전력, 저비용 및 원거리 무선통신을 지향한다.
2) ZigBee Pro는 처음 개발된 지그비 스택을 발전시킨 것이다.
3) 지그비 얼라이언스는 용도에 따라 ZigBee Pro, ZigBee RF4CE, ZigBee IP의 3가지 통신기술을 공개하고 있다.
4) IEEE 802.15.4 기반으로 구성된다.

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사물인터넷 통신기술 중 Z-Wave에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1) 2005년 만들어진 Z-Wave 얼라이언스에서 개발한 홈오토메이션의 모니터링과 컨트롤을 위한 저전력 통신 기술이다.
2) Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee처럼 혼잡한 2.4GHz 주파수 기반의 통신 기술로, 간섭에서 자유롭지 못하다.
3) 소스 라우팅 기반의 메시 네트워크 토폴로지가 적용되어 네트워크를 구성한다.
4) 투과성이 좋으므로 벽이 하나 있어도 통신이 가능하다.

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저전력 블루투스(BLE, Bluetooth Low Energy)에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

1) 블루투스 스마트는 싱글모드로 구현된 제품을 상업적으로 구분하기 위해 사용하는 일종의 브랜드네임이다.
2) 블루투스 스마트 지원 제품은 BLE 기능만을 구현하고 있어서 블루투스 클래식이라 불리는 기존의 블루투스 프로토콜과 호환되지 않는다.
3) BLE만을 지원하는 블루투스 스마트 지원 디바이스들의 신호 전달거리는 100m 이상이다.
4) 블루투스 스마트 지원 디바이스들은 전력 소모를 줄이기 위해 최대 전력 소모량을 15mA로 제한한다.

3

NFC(Near Field Communication) 통신 기술에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1) 13.56 MHz대의 RFID(Radio Frequency IDentification) 기술을 발전시킨 접촉식 단방향 근접 통신 기술이다.
2) 기존의 RFID와 달리 읽기와 쓰기가 가능하다.
3) 10 cm안의 근접거리 통신기술이며 통신을 위한 준비 설정 시간이 거의 없다.
4) 표준에서는 최대 424Kbps 전송속도를 가진다.

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ZigBee 네트워크 구성으로 옳지 않은 것은?

1) ZigBee 코디네이터(Coordinator)
2) ZigBee 백본(Backbone)
3) ZigBee 종단 장치(End Device)
4) ZigBee 라우터(Router)

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RFID 주파수 대역에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

1) 135kHz 이하 대역 : 수동형 RFID 대역으로 이력관리, 보안, 동물관리 분야에서 활용
2) 13.56MHz 대역 : 수동형 RFID 대역으로 교통카드,도서관리, 재고관리 분야에서 활용
3) 433MHz 대역 : 수동형 RFID 대역으로 유통, 물류관련 분야에서 활용
4) 2.45GHz 대역 : 수동형 및 능동형 RFID 대역으로 여권 및 ID 카드 분야에서 활용

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아래 내용이 설명하는 사물인터넷 근거리 통신 기술은?
(정답률: 76.92%, 20/26)

홈오토메이션과 센서 네트워크를 위해 설계되었다.
900MHz 대역의 주파수를 사용하며, 100Kbps의 전송속도를 자랑한다.
투과율이 높아 벽 같은 장애물이 있어도 통신이 가능하다.

1) Z-Wave
2) UWB (Ultra WideBand)
3) WirelessHART
4) NFC (Near Field Communication)

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아래 내용에 해당하는 ZigBee 통신기술은?
(정답률: 56%, 14/25)

-에너지 관리용 응용 프로파일인 Smart Energy Pofile 2.0을 수용하기 위해 2013년에 발표된 규격이다.
-저전력 디바이스들을 인터넷에 직접 연결시킬 수 있다.
-6LoWPAN과 RPL 라우팅 메터니즘을 포함한다.

1) ZigBee Pro
2) ZigBee IP
3) ZigBee TCP
4) ZigBee RF4CE

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다음 중 사물인터넷 통신 기술로 와이파이가 많이 사용되는 이유로 가장 거리가 먼 것은?

1) 저전력으로 동작하므로 전력공급이 어려운 장소에 설치되는 비콘 등에 널리 사용될 수 있다.
2) 여러 표준 제공을 통해 다양한 통신 환경을 지원한다.
3) 다양한 개인 휴대장치에서 기본으로 지원하여 디바이스들이 인터넷에 접속하는데 필요한 AP가 널리 퍼져 있다.
4) 다른 근거리 무선 통신 기술들보다 더 빠른 통신속도를 제공한다.

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다음 중 BLE 비콘에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?

1) RFID나 NFC와 비교하여 서비스 영역은 짧지만 계층화된 서비스 제공이 용이하다.
2) UUID, major, minor 값을 이용하거나 수신신호세기(RSSI)를 이용하여 계층화된 서비스가 가능하다.
3) 애플의 아이비콘의 경우 안드로이드 5.0(Lollipop)을 지원하는 스마트폰부터는 아이비콘 신호 수신과 송신이 가능하다.
4) 용량이 620mAh인 CR2450 수은전지 하나만으로 최대 2년 이상 동작할 수 있다.

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