[논문]모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 스마트 홈네트워크 시스템 구현 및 성능 분석

이보경

doi:10.15207/jkcs.2018.9.11.099

모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN 기반의 스마트 홈네트워크 시스템 구현 및 성능 분석
Implementation of Smart Home Network System based on CoAP/6LoWPAN in Mobile Environment 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.11, 2018년, pp.99 - 105

초록
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사물인터넷(Internet of Thing) 기술이 커다란 이슈로 떠오르면서 홈 네트워크 시스템을 사물인터넷 기술 과 연동하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다. 특히 가정에서 사용되는 많은 기기들을 인터넷과 연결시키고 스마트 폰을 이용하여 기기들을 제어하고 동작시키기 위한 다양한 기술들이 제안되고 있다. 그러나 기존의 인터넷 프로토콜들은 적은 양의 데이터가 송수신되는 사물 인터넷 환경에는 비효율적이다. 그래서 IETF(Internet Engineering Task Force)에서는 저전력, 저용량, 저성능 등 제한된 환경에서 인터넷과 연동하여 사물들을 동작시키기 위한 대표적인 기술로 CoAP/6LoWPAN 프로토콜을 제안하고 있다. 본 논문에서는 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 모바일 환경에서 홈네트워크 시스템을 동작시키고 제어하는 시스템을 구현하였으며 이는 향후 각 가정에 도입될 스마트홈네트워크 시스템 구축에 활용할 수 있을 것으로 전망된다. 또한 기존 인터넷 망에서 사용되는 HTTP와의 성능 분석을 수행하여 CoAP/6LoWPAN 프로토콜을 사용한 제안 시스템이 사물인터넷 환경에 적합함을 보여주고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the Internet of Thing(IoT) technology recently has become a big issue, many researches have been carried out to link the Internet of things with the home network system. Various home network systems are being implemented to connect many devices used in the home with the Internet and to control and operate the devices using a smart phone. However, existing protocols that operate on the Internet are not suitable for a limited environment such as low power, low capacity, and low performance. Therefore, the Internet Engineering Task Force (IETF) Working Group proposed the CoAP/6LoWPAN technology as a suitable protocol for internetworking IoT devices with the Internet in a limited environment and adopting it as a standard. In this paper, a smart home network system is implemented to control and operate various IoT devices in a home using CoAP/6LoWPAN in mobile environment. The performance of HTTP and CoAP such as data transmission time, data transmission rate is analyzed.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Integrated System Configuration
그림 Fig. 2. Protocol Stack
그림 Fig. 3. Home Network System
그림 Fig. 4 Action Screen of CoAP Client
표 Table 1. Sensor Tag's IPv6 Address of each rooms
표 Table 2 IPv6 address of Home Network system
표 Table 3. Communication rules between CoAP server and sensor
그림 Fig. 5 Process of CoAP GET message
그림 Fig. 6. Process of CoAP PUT message
그림 Fig. 7. Transmission Times of CoAP and HTTP

AI 본문요약
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문제 정의

그뿐 아니라 6LoWPAN을 이용하여 BLE, ZigBee, WiFi 등 물리계층, 데이터 링크계층에서 동작하는 다양한 통신 프로토콜을 채택할 수 있도록 하였다. 또한 본 논문에서는 기존 인터넷망에서 사용되는 HTTP와 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP의 전송시간을 측정하여 성능을 분석하였다. 분석 결과 CoAP 메시지가 HTTP에 비하여 IETF의 제안 취지에 맞게 보다 더 효율적인 프로토콜임을 알 수 있다.
본 논문에서는 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정에서 사용되는 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 모바일 환경의 스마트 홈네트워크 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 CoAP 클라이언트, 6LoWPAN 게이트웨이, CoAP 서버, 프록시 서버, 센서 노드로 구성된다.
본 논문에서는 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정의 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 모바일 환경의 스마트 홈네트워크 통합시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 윈도우즈 또는 안드로이드 기반의 CoAP 클라이언트, 6LoWPAN 게이트웨이, CoAP 서버, 프록시 서버, 센서 노드 등으로 구성된다.
그러나 기존의 구현된 홈 네트워크 시스템은 인터넷망에서 사용하는 웹 기반 프로토콜을 그대로 사용하는 경우가 대부분으로 많은 홈 네트워크 시스템은 HTTP웹 프로토콜을 기반으로 구현되어져 있다. 본 논문에서는 HTTP와 CoAP 두 프로토콜 간의 성능을 분석하기 위하여 구현된 스마트 홈 네트워크 시스템을 이용하여 CoAP와 HTTP 메시지의 전송 시간을 측정하고 분석하였다. 전송시간은 메시지를 보내고 응답을 받는데까지 소요되는 RTT(Round Trip Time)을 측정하였다.
본 논문에서는 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정의 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 스마트 홈 네트워크 시스템을 구현하였다. 기존에 구현된 홈 네트워크 시스템은 웹 기반 프로토콜인 HTTP를 이용하여 구현된 것이 대부분이나 본 논문에서는 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP를 이용하여 시스템을 구현하였다.

제안 방법

CoAP 클라이언트와 6LoWPAN 기반의 센서 네트워크를 연동하기 위하여 6LoWPAN 게이트웨이는 WiFi 통신을 통하여 데이터의 송수신이 이루어지도록 하였다. 6LoWPAN 게이트웨이와 CoAP 서버 간에는 블루투스 통하여 연결을 수행하였으며 이를 위하여bluetooth_6lowpan 모듈을 활성화시켜 데이터의 송수신이 수행되도록 하였다. 또한 6LoWPAN 게이트웨이는 CoAP 서버에 IPv6 주소를 할당하기 위하여 stateless auto-configuration 방법을 사용하여 자동적으로 주소를 생성할 수 있도록 하였다.
CoAP 서버는 CoAP 클라이언트와 데이터를 송수신하기 위해 UDP 전송프로토콜 상에 CoAP를 동작시킨다. CoAP 서버 역시 라즈베리 파이에서 동작되며 Californium CoAP 라이브러리를 이용하여 구현하였다.
CoAP 클라이언트는 6LoWPAN 게이트웨이와 WiFi로 연결되어 동작한다. CoAP 클라이언트는 윈도우즈 또는 안드로이드 모바일 환경에서 동작되며 Californium CoAP framework으로 구현하였다.
전송시간은 메시지를 보내고 응답을 받는데까지 소요되는 RTT(Round Trip Time)을 측정하였다. CoAP 클라이언트에서 87바이트 길이의 GET 메시지를 전송하고 96바이트의 메시지를 정상적으로 수신하는 과정을 반복하여 실험을 하였다. 구현된 시스템 상에서 CoAP와 HTTP를 이용하여 전송된 메시지의 전송시간을 비교한결과 CoAP가 HTTP에 비하여 29% 전송시간이 더 효율적인 것을 알 수 있다.
CoAP 클라이언트와 6LoWPAN 기반의 센서 네트워크를 연동하기 위하여 6LoWPAN 게이트웨이는 WiFi 통신을 통하여 데이터의 송수신이 이루어지도록 하였다. 6LoWPAN 게이트웨이와 CoAP 서버 간에는 블루투스 통하여 연결을 수행하였으며 이를 위하여bluetooth_6lowpan 모듈을 활성화시켜 데이터의 송수신이 수행되도록 하였다.
각 시스템에는 6LoWPAN 프로토콜이 동작되며 이를 통하여 IPv6와 물리계층, 데이터 링크계층의 WiFi, BLE, ZigBee 등과 연동하여 센서 노드들과 통신할 수 있도록 하였다.
기존에 구현된 홈 네트워크 시스템은 웹 기반 프로토콜인 HTTP를 이용하여 구현된 것이 대부분이나 본 논문에서는 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP를 이용하여 시스템을 구현하였다. 그뿐 아니라 6LoWPAN을 이용하여 BLE, ZigBee, WiFi 등 물리계층, 데이터 링크계층에서 동작하는 다양한 통신 프로토콜을 채택할 수 있도록 하였다. 또한 본 논문에서는 기존 인터넷망에서 사용되는 HTTP와 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP의 전송시간을 측정하여 성능을 분석하였다.
본 논문에서는 모바일 환경에서 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정의 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 스마트 홈 네트워크 시스템을 구현하였다. 기존에 구현된 홈 네트워크 시스템은 웹 기반 프로토콜인 HTTP를 이용하여 구현된 것이 대부분이나 본 논문에서는 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP를 이용하여 시스템을 구현하였다. 그뿐 아니라 6LoWPAN을 이용하여 BLE, ZigBee, WiFi 등 물리계층, 데이터 링크계층에서 동작하는 다양한 통신 프로토콜을 채택할 수 있도록 하였다.
즉, 센서 노드는 가정 내의 여러 장소에 배치되어 온도, 습도, 조도, 자이로 등의 데이터를 수집하고 수집된 데이터는 CoAP 서버를 통하여 CoAP 클라이언트에 전달된다. 또한 CoAP 서버를 통하여 CoAP 클라이언트로부터 수신된 데이터를 통하여 창문모터의 제어 및 LED 점등과 같은 홈 네트워크 시스템 제어의 동작을 수행한다.
본 논문에서는 모바일 환경에서 사물인터넷과 같이 제한된 환경에 적합한 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 스마트 홈 네트워크 시스템을 구현하였다. UDP 기반의 CoAP는 사물인터넷과 같이 저전력, 저성능, 소형의 제한된 환경에 적합하게 동작 될 수 있도록 IETF에서 제안한 프로토콜로서, 기존의 웹 환경에서 사용되는 TCP 기반의 HTTP와 동작 및 기능면에서는 유사한 프로토콜이다.
또한 6LoWPAN 게이트웨이는 CoAP 서버에 IPv6 주소를 할당하기 위하여 stateless auto-configuration 방법을 사용하여 자동적으로 주소를 생성할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 RADVD(Router Advertisement Daemon)라는 라우터 탐색을 수행하기위한 브로드캐스트 프로그램을 활용하여 구현하였다.
본 논문에서는 HTTP와 CoAP 두 프로토콜 간의 성능을 분석하기 위하여 구현된 스마트 홈 네트워크 시스템을 이용하여 CoAP와 HTTP 메시지의 전송 시간을 측정하고 분석하였다. 전송시간은 메시지를 보내고 응답을 받는데까지 소요되는 RTT(Round Trip Time)을 측정하였다. CoAP 클라이언트에서 87바이트 길이의 GET 메시지를 전송하고 96바이트의 메시지를 정상적으로 수신하는 과정을 반복하여 실험을 하였다.
또한 반대로 CoAP 서버로부터 오는 메세지를 HTTP 프로토콜로 변환해주는 역할도 수행한다. 프록시 서버 역시 Californium 라이브러리의 californium-proxy를 이용하여 구현하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정에서 사용되는 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 모바일 환경의 스마트 홈네트워크 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 CoAP 클라이언트, 6LoWPAN 게이트웨이, CoAP 서버, 프록시 서버, 센서 노드로 구성된다. 각 시스템은 6LoWPAN 프로토콜을 이용하여 사물들과 통신하기 위하여 하위계층에서는 BLE, Zigbee, WiFi등의 통신망을 이용한다.
본 논문에서는 CoAP/6LoWPAN을 이용하여 가정의 다양한 사물들을 제어하고 동작시키는 모바일 환경의 스마트 홈네트워크 통합시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 윈도우즈 또는 안드로이드 기반의 CoAP 클라이언트, 6LoWPAN 게이트웨이, CoAP 서버, 프록시 서버, 센서 노드 등으로 구성된다. 통합 시스템 구성도 및 프로토콜 스택은 다음과 같다.
홈 네트워크 시스템의 기기들은 온도, 습도, 조도, 자이로 등 다양한 센서들로 구성되며 CoAP 클라이언트는 이들 센서로부터 주기적으로 값을 받아온다, CoAP 클라이언트는 센서로부터 수신된 값들을 임계값과 비교하면서 값의 변화에 따라 홈네트워크 시스템의 동작을 제어한다. 즉 홈 네트워크 시스템을 구성하고 있는 형광등, 창문, 문 등 기기들의 개폐를 수행할 수 있도록 데이터를 송신한다. 홈 네트워크 시스템의 세부 구성내역은 다음과 같다.

데이터처리

CoAP 서버는 센서로부터 원하는 정보를 받아온 후 이를 6LoWPAN 게이트웨이를 거쳐 CoAP 클라이언트에 알려준다. 정보를 받은 클라이언트는 센서들의 데이터 값들을 주기적으로 모니터링하며 모니터링한 결과를 일정 임계값과 비교한다. 일정 임계값을 넘어가는 경우 CoAP 클라이언트는 센서 및 기기에 메시지를 보내 적절하게 홈 네트워크 시스템을 동작시킨다.

이론/모형

6LoWPAN 게이트웨이와 CoAP 서버 간에는 블루투스 통하여 연결을 수행하였으며 이를 위하여bluetooth_6lowpan 모듈을 활성화시켜 데이터의 송수신이 수행되도록 하였다. 또한 6LoWPAN 게이트웨이는 CoAP 서버에 IPv6 주소를 할당하기 위하여 stateless auto-configuration 방법을 사용하여 자동적으로 주소를 생성할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 RADVD(Router Advertisement Daemon)라는 라우터 탐색을 수행하기위한 브로드캐스트 프로그램을 활용하여 구현하였다.

성능/효과

CoAP는 GET/POST/PUT/DELETE 메서드의 REST(REpresentational State Transfer) 사상으로 대표되는 HTTP의 개념을 그대로 유지하면서 메시지 오버헤드를 크게 줄였다. 특히 CoAP는 6LoWPAN 네트워크와 같이 전달되는 패킷의 에러율이 매우 높은 제한된 네트워크 환경에서 작동하는 경우를 고려하여 만들어졌으므로 CoAP 와 6LoWPAN은 IoT 및 M2M 장치에 최적화된 프로토콜이다.
CoAP 클라이언트에서 87바이트 길이의 GET 메시지를 전송하고 96바이트의 메시지를 정상적으로 수신하는 과정을 반복하여 실험을 하였다. 구현된 시스템 상에서 CoAP와 HTTP를 이용하여 전송된 메시지의 전송시간을 비교한결과 CoAP가 HTTP에 비하여 29% 전송시간이 더 효율적인 것을 알 수 있다. 즉 보내는 메시지의 종류와 메시지의 양에 따라 다소 차이는 있을 수 있으나 이는 UDP기반의 CoAP가 저전력, 저성능, 소형의 제한된 환경에 적합하게 동작하도록 제안된 프로토콜이라는 취지에 맞게 HTTP보다 더 효율적인 프로토콜임을 보여준다.
응용계층에서는 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP를 이용하여 가정에서 동작되는 다양한 기기들을 제어한다. 또한 구현된 시스템과 기존의 인터넷환경에서 동작되는 프로토콜의 성능을 비교 분석하여CoAP/6LoWPAN이 사물인터넷 환경에 적합함을 보여준다.
또한 본 논문에서는 기존 인터넷망에서 사용되는 HTTP와 사물인터넷 환경에 적합한 CoAP의 전송시간을 측정하여 성능을 분석하였다. 분석 결과 CoAP 메시지가 HTTP에 비하여 IETF의 제안 취지에 맞게 보다 더 효율적인 프로토콜임을 알 수 있다.
구현된 시스템 상에서 CoAP와 HTTP를 이용하여 전송된 메시지의 전송시간을 비교한결과 CoAP가 HTTP에 비하여 29% 전송시간이 더 효율적인 것을 알 수 있다. 즉 보내는 메시지의 종류와 메시지의 양에 따라 다소 차이는 있을 수 있으나 이는 UDP기반의 CoAP가 저전력, 저성능, 소형의 제한된 환경에 적합하게 동작하도록 제안된 프로토콜이라는 취지에 맞게 HTTP보다 더 효율적인 프로토콜임을 보여준다. CoAP 메시지는 HTTP 메시지보다 간결하고 또한 HTTP와는 달리 연결 설정 및 수립의 과정이 생략됨으로 인해 보다 효율적인 프로토콜임을 알 수 있다.

후속연구

사물인터넷 환경에 보다 효율적인 프로토콜을 이용하여 시스템을 구현하더라도 데이터의 변조 및 오용이 발생한다면 시스템의 오동작을 유발할 수 있다. 그래서 이러한 문제점을 보완하기 위하여 홈 네트워크시스템에 보안 프로토콜을 적용하고 데이터의 안전성을 확보하기 위한 개발 및 연구가 필요하다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	6LoWPAN의 장점은 무엇인가?	4), 블루투스(BLE:Bluetooth Low Energy), Wi-SUN( Wireless-Smart Utility Network)등과 같이 인터넷과 직접 연동되지 않았던 기존의 저전력 무선 통신 기술을 그대로 이용하여 인터넷에 연결할 수 있도록 하는 새로운 통신 프로토콜이다. 6LoWPAN을 적용하면 HTTP, TCP와 같이 전통적으로 사용되던 주요 인터넷 기반 프로토콜을 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 HTTP, TCP와 같은 기존 인터넷 기반 프로토콜들은 사물인터넷과 같이 제한된 네트워크 환경에서 작동하는 소형의 센서 네트워크 환경에는 적합하지 않다.
	6LoWPAN이란 무엇인가?	따라서 이러한 시스템의 성능 및 통신의 문제를 극복하고 사물들을 인터넷과 연동하기 위해 IETF(InternetEngineering Task Force)에서는 6LoWPAN(IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network) 프로토콜을 제안하였다. 6LoWPAN은 사물인터넷 시스템이 링크 계층 수준에서 기존의 통신 방식인 무선랜(WiFi) 기술을 대신하여 직비(Zig Bee/IEEE802.15.4), 블루투스(BLE:Bluetooth Low Energy), Wi-SUN( Wireless-Smart Utility Network)등과 같이 인터넷과 직접 연동되지 않았던 기존의 저전력 무선 통신 기술을 그대로 이용하여 인터넷에 연결할 수 있도록 하는 새로운 통신 프로토콜이다. 6LoWPAN을 적용하면 HTTP, TCP와 같이 전통적으로 사용되던 주요 인터넷 기반 프로토콜을 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖는다.
	기존의 HTTP를 대체할 수 있는 응용계층프로토콜이 필요한 이유는 무엇인가?	6LoWPAN을 적용하면 HTTP, TCP와 같이 전통적으로 사용되던 주요 인터넷 기반 프로토콜을 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 HTTP, TCP와 같은 기존 인터넷 기반 프로토콜들은 사물인터넷과 같이 제한된 네트워크 환경에서 작동하는 소형의 센서 네트워크 환경에는 적합하지 않다. 그래서 IETF에서는 소형의 장치들이 사물인터넷 환경에서 최적으로 데이터를 교환할 수 있도록 기존의 HTTP를 대체할 수 있는 응용계층프로토콜로서 CoAP(Constrained Application Protocol)를 제안하였다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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