최근 사물인터넷 기술의 등장과 함께 소형 장치를 이용한 스마트 홈 및 헬스케어 서비스 등의 다양한 연구가 진행되고 있다. 기존 사물 간 통신은 인터넷 통신을 사용하지 않고 Machine to Machine (M2M) 기반의 블루투스 및 ZigBee와 같이 하위 계층의 Personal AreaNetwork (PAN) 기술을 이용하므로 네트워크 장치간의 통신만 지원할 뿐, PAN 네트워크에 속하지 않은 장치와의 통신에 어려움이 많았다. 본 논문에서는 기존의 M2M 통신인 Bluetooth Low Energy (BLE) 네트워크에서 사물인터넷 서비스 제공을 위해 IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)을 구현하여 저사양 장치에서 인터넷 통신을 가능하도록 하였다. 이를 위해 사물인터넷의 핵심 프로토콜인 Constrained Application Protocol (CoAP)을 구현하였다. 테스트베드 구현 및 성능분석 실험을 통해 기존 Hypertext Transfer Protocol (HTTP)과 통신 성능을 비교한 결과, CoAP이 HTTP보다 약 2배 우수한 처리량, 약 21% 빠른 평균 전송시간 및 22% 적은 패킷 전송량을 보여줌을 알 수 있었다.
최근 사물인터넷 기술의 등장과 함께 소형 장치를 이용한 스마트 홈 및 헬스케어 서비스 등의 다양한 연구가 진행되고 있다. 기존 사물 간 통신은 인터넷 통신을 사용하지 않고 Machine to Machine (M2M) 기반의 블루투스 및 ZigBee와 같이 하위 계층의 Personal Area Network (PAN) 기술을 이용하므로 네트워크 장치간의 통신만 지원할 뿐, PAN 네트워크에 속하지 않은 장치와의 통신에 어려움이 많았다. 본 논문에서는 기존의 M2M 통신인 Bluetooth Low Energy (BLE) 네트워크에서 사물인터넷 서비스 제공을 위해 IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)을 구현하여 저사양 장치에서 인터넷 통신을 가능하도록 하였다. 이를 위해 사물인터넷의 핵심 프로토콜인 Constrained Application Protocol (CoAP)을 구현하였다. 테스트베드 구현 및 성능분석 실험을 통해 기존 Hypertext Transfer Protocol (HTTP)과 통신 성능을 비교한 결과, CoAP이 HTTP보다 약 2배 우수한 처리량, 약 21% 빠른 평균 전송시간 및 22% 적은 패킷 전송량을 보여줌을 알 수 있었다.
With the advent of Internet of Things (IoT) technology that allows the communications between things and devices over the Internet, a lot of researches on the IoT services, such as smart home or healthcare, have been progressed. In the existing machine-to-machine (M2M) communications, however, since...
With the advent of Internet of Things (IoT) technology that allows the communications between things and devices over the Internet, a lot of researches on the IoT services, such as smart home or healthcare, have been progressed. In the existing machine-to-machine (M2M) communications, however, since the underlying link-layer technologies, such as Bluetooth or ZigBee, do not use the Internet Protocol (IP) communication, those technologies are not suitable to provide the IoT services. Accordingly, this paper discusses how to provide the Internet services in the M2M communication, and propose an implementation of the Constrained Application Protocol (CoAP) over 6LoWPAN for providing IoT services in the BLE networks. Based on the implementation, we compared the performance between HTTP and CoAP for IoT communications. From the experimental results, we can see that the CoAP protocol gives better performance than the HTTP protocol with two times higher throughput, 21% faster transmission time, and 22% smaller amount of generated packets.
With the advent of Internet of Things (IoT) technology that allows the communications between things and devices over the Internet, a lot of researches on the IoT services, such as smart home or healthcare, have been progressed. In the existing machine-to-machine (M2M) communications, however, since the underlying link-layer technologies, such as Bluetooth or ZigBee, do not use the Internet Protocol (IP) communication, those technologies are not suitable to provide the IoT services. Accordingly, this paper discusses how to provide the Internet services in the M2M communication, and propose an implementation of the Constrained Application Protocol (CoAP) over 6LoWPAN for providing IoT services in the BLE networks. Based on the implementation, we compared the performance between HTTP and CoAP for IoT communications. From the experimental results, we can see that the CoAP protocol gives better performance than the HTTP protocol with two times higher throughput, 21% faster transmission time, and 22% smaller amount of generated packets.
본 논문에서는 BLE 네트워크상에서 사물인터넷 서비스 제공을 위한 CoAP과 6LoWPAN을 활용한 통신기법을 제안하였다. 기존의 PAN 네트워크인 BLE 통신 기반 장치들은 링크 계층 기술을 사용하기 때문에, 사물인터넷처럼 인터넷을 이용한 서비스를 제공하기에 부적합하였지만, 본 논문에서 제안 된 통신기술은 6LoWPAN을 활용한 IP 통신을 제공함으로써 이를 기반으로 한 다양한 서비스를 제공할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 M2M 통신인 BLE 통신에서 6LoWPAN과 CoAP의 구현을 통해 사물인터넷 서비스 제공을 위한 통신기술을 구현하고 그 성능을 분석해보고자 한다. 6LoWPAN을 사용함으로써 장치는 IP 프로토콜을 이용할 수 있고 인터넷에 직접 연결될 수 있다[5].
제안 방법
마지막으로 세 번째 실험은 네트워크 A의 CoAP 서버에 추가로 HTTP 서버를 구성한다. 그리고 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 간 HTTP와 CoAP 프로토콜의 성능분석을 수행 하였다.
두 번째 실험은 CoAP 클라이언트가 CoAP 서버의 온도 센서의 측정값을 받아오는 시나리오를 구성했다. CoAP 서버는 아두이노와 UART 통신을 수행하며, 아두이노가 전송하는 최근 측정된 온도를 수신하고 자신의 리소스를 업데이트한다.
첫 번째 실험은 네트워크 A의 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 간 통신 가능 여부를 확인하고, 네트워크 B의 CoAP 클라이언트와 네트워크 A의 CoAP 서버 간 통신 가능 여부를 확인하였다. 두 번째 실험은 네트워크 B의 CoAP 클라이언트와 네트워크 A의 CoAP 서버 간의 CoAP 통신을 수행하였다. 마지막으로 세 번째 실험은 BLE 네트워크에 구현한 6LoWPAN 기반의 CoAP과 기존에 활용되고 있는 통신기술인 HTTP 간 성능분석을 수행하였다.
또한, 본 논문에서는 제안된 통신기술의 성능을 확인하기 위해 6LoWPAN 기술을 활용한 CoAP 프로토콜을 구현하여 기존의 HTTP를 이용한 통신과 성능을 비교·분석했다. 그 결과 CoAP이 HTTP보다 약 2배의 우수한 처리량을 보이며 평균 전송시간도 약 21% 빠름을 알 수 있었다.
두 번째 실험은 네트워크 B의 CoAP 클라이언트와 네트워크 A의 CoAP 서버 간의 CoAP 통신을 수행하였다. 마지막으로 세 번째 실험은 BLE 네트워크에 구현한 6LoWPAN 기반의 CoAP과 기존에 활용되고 있는 통신기술인 HTTP 간 성능분석을 수행하였다.
첫 번째 실험은 네트워크 A의 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 간 Internet Control Message Protocol version 6 (ICMPv6) 패킷을 주고받으며 네트워크 구성이 잘 되었는지 확인하였다. 이후, 네트워크 A의 CoAP 서버와 네트워크 B의 CoAP 클라이언트 간 ICMPv6 패킷을 주고받으며 인터넷망을 통한 통신이 이루어짐을 확인하였다.
본 논문에서는 3가지 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험은 네트워크 A의 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 간 통신 가능 여부를 확인하고, 네트워크 B의 CoAP 클라이언트와 네트워크 A의 CoAP 서버 간 통신 가능 여부를 확인하였다. 두 번째 실험은 네트워크 B의 CoAP 클라이언트와 네트워크 A의 CoAP 서버 간의 CoAP 통신을 수행하였다.
대상 데이터
CoAP 서버 및 6LoWPAN 게이트웨이는 Raspbian OS가 설치된 라즈베리 파이를 이용하였다. 네트워크 B는 IPv6를 이용하는 이더넷 (Ethernet) 네트워크이며 CoAP 클라이언트가 존재한다.
CoAP 클라이언트는 Windows OS를 사용하는 PC를 사용하였고, IPv6를 사용하는 인터넷망에 연결되어있다. CoAP 클라이언트, 서버 두 장치 모두 JAVA 기반의 오픈소스인 Californium CoAP Framework를 사용하였다.
네트워크 B는 IPv6를 이용하는 이더넷 (Ethernet) 네트워크이며 CoAP 클라이언트가 존재한다. CoAP 클라이언트는 Windows OS를 사용하는 PC를 사용하였고, IPv6를 사용하는 인터넷망에 연결되어있다. CoAP 클라이언트, 서버 두 장치 모두 JAVA 기반의 오픈소스인 Californium CoAP Framework를 사용하였다.
그림 4는 구현된 테스트베드 구조도를 보여준다. 네트워크 A는 6LoWPAN을 사용하는 BLE 네트워크이다. 이 네트워크는 라즈베리 파이로 구현된 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 및 아두이노로 구성되어 있다.
이 네트워크는 라즈베리 파이로 구현된 CoAP 서버와 6LoWPAN 게이트웨이 및 아두이노로 구성되어 있다. 아두이노는 Arduino Uno 제품을 사용했으며 온도 센서와 연결했다. 아두이노에서 실시간으로 센서가 보내주는 아날로그 측정값을 받아 디지털 온도로 변환하는 작업을 수행하고, 시리얼 통신 (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)으로 CoAP 서버와 통신한다.
이론/모형
이 프로토콜은 하위 계층으로 UDP를 사용하며 6LoWPAN 환경에서 동작한다는 차이점 이외에는 HTTP와 유사하다[9][10]. CoAP은 서버-클라이언트 (Server – Client) 통신 모델을 사용한다. 이것은 클라이언트가 서버에게 자원 (resource) 요청 메시지를 보내면, 서버에서 이를 수신하고 자원을 응답 메시지로 응답한다.
성능/효과
그림 10은 같은 요청을 100번 처리하는 데 사용 된 누적 패킷 수를 나타낸 결과이다. CoAP을 이용한 구현이 HTTP를 이용한 구현보다 약 22% 더 적은 패킷 수를 사용한다는 것을 보여준다. 이는 HTTP를 이용하여 통신할 때 TCP를 사용하므로, HTTP 통신 전후의 연결 수립과 연결 해제 작업에서 많은 오버헤드가 존재한다.
그림 9는 BLE 네트워크에 구현한 6LoWPAN 환경에서 0바이트의 페이로드 (Payload)를 가지는 메시지를 100회 전송할 때 HTTP와 CoAP의 평균 전송시간을 비교한 결과이다. 같은 응용을 구현했을 때 CoAP을 이용한 구현이 HTTP보다 약 21% 빠른 전송시간을 보이는 것을 알 수 있다.
또한, 본 논문에서는 제안된 통신기술의 성능을 확인하기 위해 6LoWPAN 기술을 활용한 CoAP 프로토콜을 구현하여 기존의 HTTP를 이용한 통신과 성능을 비교·분석했다. 그 결과 CoAP이 HTTP보다 약 2배의 우수한 처리량을 보이며 평균 전송시간도 약 21% 빠름을 알 수 있었다. 그뿐만 아니라 전송되는 패킷의 수도 CoAP이 HTTP보다 약 22% 적음을 알 수 있었다.
그 결과 CoAP이 HTTP보다 약 2배의 우수한 처리량을 보이며 평균 전송시간도 약 21% 빠름을 알 수 있었다. 그뿐만 아니라 전송되는 패킷의 수도 CoAP이 HTTP보다 약 22% 적음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 BLE 네트워크상에서 사물인터넷 서비스 제공을 위한 CoAP과 6LoWPAN을 활용한 통신기법을 제안하였다. 기존의 PAN 네트워크인 BLE 통신 기반 장치들은 링크 계층 기술을 사용하기 때문에, 사물인터넷처럼 인터넷을 이용한 서비스를 제공하기에 부적합하였지만, 본 논문에서 제안 된 통신기술은 6LoWPAN을 활용한 IP 통신을 제공함으로써 이를 기반으로 한 다양한 서비스를 제공할 수 있다.
후속연구
최근 방송통신 융합서비스가 주목을 받고 있다. 이러한 융합서비스 제공을 위해 DMB, 스마트폰 등의 방송수신 장치와 소형 센서 등의 사물인터넷 장치간에 통신이 활발히 이루어질 것으로 기대된다. 이에 본 논문에서 제시하는 사물인터넷 통신기능 구현 사례가 참조모델로 활용될 수 있으며, 사회 안전, 의료, 학습 등의 다양한 융합 서비스 창출에 기여를 할 수 있을 것이라 사료된다.
이러한 융합서비스 제공을 위해 DMB, 스마트폰 등의 방송수신 장치와 소형 센서 등의 사물인터넷 장치간에 통신이 활발히 이루어질 것으로 기대된다. 이에 본 논문에서 제시하는 사물인터넷 통신기능 구현 사례가 참조모델로 활용될 수 있으며, 사회 안전, 의료, 학습 등의 다양한 융합 서비스 창출에 기여를 할 수 있을 것이라 사료된다.
참고문헌 (12)
W. Andrew and A. Anurag, The Internet of Things –A survey of topics and trends, Information Systems Frontiers, Volume 17, Issue 2, pp. 261-274, April, 2015
A. Aamir, S. Mohamed, S. Neelam and T. Anurag, An Internet of Things approach for motion detection using Raspberry pi, Intelligent Computing and Internet of Things (ICIT), 2014 International Conference on, pp 131-134, Jan. 2015.
W. Jiafu, L. Di, Z. Caifeng and Z. Keliang, M2M Communications for Smart City: An Event-Based Architecture, Computer and Information Technology (CIT), 2012 IEEE 12th International Conference on, pp. 895-900, Oct. 2012.
H. Stephan, S. Alexandru, B. Martin and C. Francois, A Domain Model for the Internet of Things, Green Computing and Communications (GreenCom), 2013 IEEE and Internet of Things (iThings/CPSCom), IEEE International Conference on and IEEE Cyber, Physical and Social Computing. pp. 411-417, Aug. 2013.
M. Geoff, The 6LoWPAN Architecture, EmNets '07 Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors, pp. 78-82, June, 2007
K. Seok-gap, P. Il-kyun, S. Seung-cheol and L. Byeong-tak, Trends of IETF CoAP Based Sensor Connection Protocol Technology, 2013 Electronics and Telecommunications Trends, ETRI, pp. 133-140, Dec. 2013
N. Kushalnagar, G. Montenegro and C. Schumacher, IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview, Assumptions, Problem Statement, And Goals, Internet Engineering Task Force (IETF) Request for Comments: 4919, Oct. 2015
Z. Shelby, K. Hartke and C. Bormann, The Constrained Application Protocol, Internet Engineering Task Force (IETF) Request for Comments: 7252, June, 2014
M. Kovatsch, S. Duquennoy and A. Dunkels, A Low-Power CoAP for Contiki, Mobile Adhoc and Sensor Systems (MASS), 2011 IEEE 8th International Conference on, pp. 855 -860, Oct. 2011
L. Alessandro, M. Pol and Anna Calveras, TinyCoAP: A Novel Constrained Application Protocol (CoAP) Implementation for Embedding RESTful Web Services in Wireless Sensor Networks Based on TinyOS, Journal of Sensor and Actuator Networks, pp. 288–315, 2013
T. Fielding, T. Richard, Principled Design of the Modern Web Architecture, ACM Transactions on Internet Technology (TOIT), Vol. 2, Issue 2, pp. 115-150, May, 2002
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