IoT 기기의 가장 중요한 기능은 통신 기능입니다. 다양한 프로토콜이 있으며, 각 프로토콜은 적용 분야가 다릅니다. WiFi, Bluetooth, Zigbee 등의 무선 표준은 가정 내 단거리 통신에 자주 사용되지만, 다른 지역에 위치한 기기는 대체 기술을 사용해야 합니다. 이러한 기술 중 하나가 LoRaWAN 전송입니다. LoRaWAN은 대역폭은 희생하지만 다른 무선 표준보다 훨씬 긴 통신 범위와 뛰어난 에너지 효율을 자랑합니다. 아래 그림은 LoRaWAN을 다른 무선 통신 프로토콜과 비교한 모습입니다. LoRaWAN 기술은 주로 다른 기술로만 통신이 가능한 위치에 단말 기기를 설치하거나 에너지 효율이 매우 중요한 경우에 사용됩니다. 이 경우 LoRaWAN은 LPWAN 기술로 사용됩니다.
하지만 IoT에서 범위와 전력 소비만이 중요한 것은 아닙니다. 네트워크 기기의 보안은 종종 간과되는 문제입니다. 2017년에서 2018년 사이에만 IoT 기기를 노리는 알려진 멀웨어의 수가 거의 네 배나 증가했습니다. 하지만 멀웨어만이 유일한 위협은 아닙니다. 많은 IoT 기기가 제대로 보호되지 않은 데이터를 전송하여 해당 데이터와 IoT 인프라에 대한 공격을 유발합니다. 간첩 행위, 데이터 조작, 그리고 시스템 완전 장악은 대표적인 공격 시나리오입니다.
IoT 보안에서 또 다른 중요한 주제는 펌웨어 업데이트입니다. 펌웨어 업데이트를 통해 제조업체는 기기에 새로운 기능을 추가하고, 보안 사고 발생 시 사용자가 직접 개입하지 않고도 문제를 해결할 수 있습니다. 공격자가 가짜 펌웨어를 기기에 주입할 수 없도록 업데이트가 안전하게 수행되는 것이 매우 중요합니다.
펌웨어 업데이트와 LoRaWAN 프로토콜을 사용하여 데이터 전송하는 단말 장치를 결합하는 것은 완전히 새로운 과제입니다. B. W-LAN과 같은 IP 기반 기술의 경우 특정 프로토콜에 대한 제안이 이미 있지만, LoRaWAN을 통한 업데이트는 아직 미비한 상태입니다. 기존 프로토콜을 사용할 수 없는 이유는 LoRaWAN 기술의 제약 때문입니다. 예를 들어, LoRaWAN은 데이터 전송 속도 및 LoRaWAN 전송 속도 측면에서 높은 제약을 받으며, 데이터 전송 손실을 보상할 수 있는 표준화된 전송 프로토콜이 없습니다.
본 연구에서는 특정 애플리케이션을 고려하고 IoT 보안의 다양한 주제를 검토합니다. 우편함에 우편물이 도착하면 스마트폰을 통해 사용자에게 알림을 제공하는 스마트 우편함을 개발했습니다.
스마트 메일함의 기본 아이디어는 사용자가 메일함이 있는지 확인하기 위해 메일함을 계속 열 필요가 없도록 하는 것입니다. 대신, 메일함이 메일함에 도착하면 모바일 기기로 알림을 받게 됩니다. 이는 사용자와 멀리 떨어져 있거나 메일이 거의 없는 메일함 때문에 사용자가 시간을 낭비하지 않아도 된다는 장점이 있습니다.
보안과 에너지 효율에 중점을 두어 애플리케이션의 기능을 의도적으로 작게 만들었습니다. 또한, 이 애플리케이션은 "확장 기능"으로 개발되었습니다. 사용자가 우편함을 설치하는 데 드는 수고를 거의 들이지 않고도 이러한 기능을 구현할 수 있어야 합니다. 따라서 배터리 작동과 작은 폼팩터 또한 이 프로젝트의 필수 조건입니다.
앞서 언급했듯이, 이 연구의 초점은 IoT 보안에 맞춰져 있습니다. 또한, 에너지 효율성도 고려됩니다. 이러한 우선순위를 바탕으로 스마트 메일박스를 활용하여 검토되는 여러 하위 주제가 있는데, 첫 번째는 LoRaWAN을 통한 안전한 E2E 암호화 데이터 전송입니다. 특히 공공장소에 위치한 메일박스의 경우, 공격자가 메일박스에 메일이 있는지, 그리고 얼마나 있는지 알아낼 수 없도록 하는 것이 중요합니다. 이를 통해 침입이 적절한지 쉽게 알아낼 수 있는 사람을 방지할 수 있습니다. 또한, 사용자가 메일박스 상태에 대한 허위 정보를 수신하지 않도록 조작으로부터 보호하는 것도 중요합니다. 또한, 이러한 작업을 위한 암호화 키 협상이 장치 제조업체나 제XNUMX자가 알아낼 수 없는 안전한 방식으로 수행될 수 있는지도 검토합니다.
다음 주요 연구 주제는 LoRaWAN을 통한 안전한 펌웨어 업데이트입니다. 현재 펌웨어 전송에 관한 공식 표준은 없습니다. LoRaWAN을 통한 업데이트는 이 연구의 주요 과제 중 하나입니다.
설계 및 테스트를 위해, 스마트 메일박스는 사용자 개입 없이 LoRaWAN을 통해 펌웨어 업데이트를 수행할 수 있어야 합니다. 이러한 업데이트는 조작을 방지하기 위해 암호화된 방식으로 보호되어야 합니다. 마지막으로, 메일이 인식 가능한 메일박스 장치에 어떻게 전송되는지 검토합니다. 다양한 기술을 검토하여 적합한 기술을 찾아냈습니다.
LoRaWAN은 IoT 애플리케이션을 위한 LoRaWAN 솔루션으로, 소량의 데이터를 에너지 효율적으로 처리하며 장거리 무선 전송이 가능합니다. LoRaWAN은 물리적 데이터 전송을 위한 프로토콜인 LoRa 무선과, LoRa 기반 MAC 프로토콜인 LoRaWAN으로 구성됩니다. MAC 프로토콜은 LoRa를 통해 데이터를 전송하는 표준화된 절차를 구축하고 제공합니다. 본 연구의 핵심 요소 중 하나인 LoRaWAN은 스마트 메일박스를 포함한 단말 장치와의 통신에 사용되었습니다.
LoRa는 Semtech에서 개발한 주파수 변조 방식으로, 두 통신 파트너 간의 무선 통신을 지원합니다. 따라서 물리적 데이터 전송의 변조만 담당하는 물리적 프로토콜(OSI 1계층)입니다. LoRa는 주파수 변조된 처프(chirp)를 사용하여 심볼을 인코딩합니다. 사용되는 처프 변조는 "처프"를 사용하여 심볼을 전송합니다. 주파수는 정해진 시간 동안 대역폭 전체에서 지속적으로 변경됩니다. 전송되는 심볼은 처프 시작 시점에 정의됩니다.
FSK 또는 PSK에 비해 이 변조 방식이 제공하는 주요 장점은 장거리 전송과 잡음에 대한 강건성입니다. 두 가지 모두 확산 계수와 대역폭에서 비롯됩니다. 확산 계수는 단일 첩(chirp)의 지속 시간, 즉 확산 범위를 결정합니다. 계수가 높을수록 심볼 수가 늘어나 LoRaWAN 전송 범위가 넓어지지만 데이터 전송 속도는 느려집니다. LoRa에서는 확산 계수가 7에서 12로 정의되며, 이는 최대 37.5kbit/s에서 최소 300bit/s까지의 LoRaWAN 전송 속도를 달성할 수 있음을 의미합니다. 대역폭은 125kHz, 250kHz 또는 500kHz로 고정되며 신호의 범위와 속도에도 영향을 미칩니다. 이러한 매개변수의 구체적인 선택은 LoRaWAN에 따라 결정됩니다.
LoRa가 사용하는 주파수는 지역에 따라 다릅니다. 유럽에서는 868MHz 또는 433MHz를 전송할 수 있습니다. 이 주파수는 라이선스가 필요 없는 주파수이므로 사용료가 없습니다. 따라서 모든 기기가 준수해야 하는 임시 전송 제한을 적용해야 합니다. 이 제한은 사용하는 주파수에 따라 0.1%에서 10% 사이입니다.
LoRaWAN은 LoRa 기반(FSK도 사용 가능)의 MAC 프로토콜(OSI 2계층)이며, 네트워크 프로토콜(OSI 3계층)의 일부 요소를 포함합니다. 메시지 형식과 전송 제어를 위한 MAC 명령을 정의합니다. LoRaWAN은 기본 LoRa 전송을 위한 매개변수도 결정합니다. 첫 번째 부분은 메시지 형식, MAC 명령, 그리고 순서를 정의하는 실제 사양입니다. LoRa에 대한 특정 설정과 LoRaWAN 프로토콜에 대한 일부 조정 또는 추가 사항인 지역 매개변수는 해당 지역에 따라 확장 정의 형태로 제공됩니다.
LoRaWAN 네트워크는 여러 참여자 그룹으로 구성되며 그림 5와 같이 별형 토폴로지로 구성됩니다. 중앙에는 LoRaWAN 네트워크의 서버 측 관리 역할을 하는 네트워크 서버가 있으며, 클라이언트 애플리케이션에 API를 제공합니다. LoRaWAN 애플리케이션을 관리하고 메시지를 주고받습니다. 이 서버는 IP 연결을 통해 여러 게이트웨이와 통신합니다. 게이트웨이의 주요 기능은 네트워크 서버에서 수신한 LoRaWAN 패킷을 LoRa를 통해 종단 장치로 전달하는 것입니다. 따라서 게이트웨이는 물리적 매체를 변경하기 위한 인터페이스 역할을 합니다. 하나 이상의 게이트웨이와 통신하여 데이터를 전송하는 종단 장치보다 종단에 위치합니다. LoRaWAN 프로토콜은 게이트웨이와 종단 장치 간에만 존재합니다. 나머지 경로에 대한 표준은 정의되어 있지 않으므로 해당 형식은 사용되는 특정 애플리케이션에 따라 달라집니다.
이러한 맥락에서 LoRaWAN은 몇 가지 작업을 수행하며, 이에 대한 자세한 내용은 아래에서 설명합니다. 여기에는 다양한 통신 클래스, 데이터 전송 방식, LoRaWAN 애플리케이션에 장치를 추가하는 두 가지 옵션, 전송된 데이터의 암호화 및 무결성 검사, 그리고 연결 제어를 위한 다양한 MAC 명령이 포함됩니다. MAC 명령은 매우 구체적이고 본 연구와 관련이 없으므로 더 이상 설명하지 않겠습니다.
LoRaWAN은 세 가지 데이터 전송 모드를 지원합니다. 각 모드는 구체적인 사용 사례와 장단점을 가지고 있으며, 아래 나열된 내용을 참고하시기 바랍니다.
클래스 A 모드 는 모든 최종 장치와 게이트웨이에서 사용되는 주요 LoRaWAN 전송 모드이며, 게이트웨이는 반드시 이를 지원해야 합니다. 이 모드는 ALOHA 원칙에 따라 단말기와 게이트웨이 간의 양방향 통신을 가능하게 합니다. LoRaWAN의 경우, 이는 단말기가 언제든지 데이터를 전송할 수 있지만, 데이터 패킷을 전송한 후 짧은 두 간격 동안만 데이터를 수신할 수 있음을 의미합니다.
이 모드의 장점은 단말 장치가 데이터를 전송할 때만 LoRa 트랜시버를 켜고, 그 직후 응답을 수신한다는 것입니다. 즉, 대부분의 시간 동안 비활성화 상태를 유지할 수 있어 에너지를 절약할 수 있습니다. 그러나 단점은 단말이 다른 시간에는 데이터를 전혀 수신할 수 없다는 것입니다. 또한, 전송된 각 데이터 패킷에 대해 하나의 데이터만 수신할 수 있습니다.
따라서 클래스 A 동작은 주로 업링크 메시지를 전송하고 다운링크 메시지는 거의 전송하지 않을 때 가장 적합합니다. LoRaWAN은 센서 및 이와 유사한 저성능 단말 장치에서 주로 사용되며, 일반적으로 최종 애플리케이션의 상태 정보만 제공하므로 대부분의 단말 장치에서는 선호되는 데이터 전송 모드입니다.
클래스 B는 종단 장치에서 지원할 필요가 없는 확장입니다. 이 모드를 사용하면 클래스 A 외에도 종단 장치에서 정기적으로 사용할 수 있습니다. 게이트웨이에서 직접 데이터를 전송할 필요 없이 데이터를 수신할 수 있습니다. 비콘은 128초마다 게이트웨이에 대한 상태 정보를 포함하는 비콘을 전송합니다. 이를 수신한 종단 장치는 비콘과 ping 슬롯 주기를 사용하여 데이터 수신 가능 시간을 계산할 수 있습니다. 이를 통해 짧은 시간 동안 LoRa 트랜시버를 켜서 수신 가능한 데이터를 수신할 수 있습니다. 이 과정은 아래와 같습니다.
클래스 B는 핑 슬롯 주기를 조정하여 수신 빈도를 제어할 수 있으므로 접근성과 에너지 소비 간의 균형을 잘 맞춥니다. 즉, 순수 클래스 A 작동보다 더 많은 에너지가 사용되지만, LoRa 트랜시버를 오랫동안 끌 수 있습니다. 클래스 B의 또 다른 장점은 주소와 키가 동일한 경우 8비트 메모리에 데이터를 저장하여 여러 장치에 동시에 멀티캐스트를 전송할 수 있다는 것입니다. 따라서 멀티캐스트 그룹을 생성할 수 있습니다.
장치가 직접 데이터를 전송하지 않고도 더 자주 데이터를 수신해야 하지만, 에너지 효율도 유지해야 하는 경우 클래스 B를 사용하는 것이 합리적입니다. 일반적인 애플리케이션으로는 시간에 민감하지 않고도 정기적으로 제어 가능한 단말 장치가 있습니다.
마지막으로, 선택 사항인 전송 모드는 클래스 C입니다. 이 모드에서 스위치 단말은 게이트웨이로부터 언제든지 데이터를 수신할 수 있도록 항상 수신 상태를 유지합니다. 클래스 A 전송 옵션은 아래 그림과 같이 유지됩니다.
클래스-C의 장점은 언제든지 데이터를 수신할 수 있다는 것입니다. 하지만, 종단 장치가 LoRa 트랜시버를 항상 활성 상태로 유지해야 하므로 높은 에너지 소비라는 단점이 있습니다. 멀티캐스트 LoRaWAN 전송도 가능합니다.
클래스 C는 단시간 내에 대량의 데이터를 전송해야 하거나 시간이 매우 중요한 전송이 발생하는 경우에만 사용해야 합니다. 이러한 단말 장치는 배터리 작동에 너무 많은 에너지를 소모하므로 영구 전원 공급 장치를 갖춰야 합니다.
오늘날 현대 비즈니스 운영은 점점 더 역동적으로 변하고 있습니다. 특히 광범위한 지역에서 사업을 운영하는 기업의 경우…
고급 주얼리 업계에서는 정밀성, 보안성, 그리고 실시간 가시성이 무엇보다 중요합니다. 정확한 위치 파악은 필수적입니다.