IoT 네트워크의 전력 및 자원 효율성을 향상시키는 CoAP 프로토콜
글/ 리암 크리칠리(Liam Critchley), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)
(출처: Truprint/stock.adobe.com; AI로 생성)
사물 인터넷(IoT) 시스템은 여러 구성 요소와 계층들로 구성된다. 센서가 데이터를 감지하면, 이들 데이터는 센서의 인터넷 연결이 가능하도록 게이트웨이 역할을 하는 노드를 통해 전송된다. 노드는 다양한 서버와 엣지 컴퓨팅 시스템을 연결하여 데이터를 클라우드 서버로 전달하며, 전송된 데이터는 클라우드에 저장되고 분석된다.
그러나 IoT 시스템의 많은 기기들은 풋프린트, CPU, 메모리 또는 전력 자원을 활용하는 데 있어 제약이 따른다. 이러한 제약은 기기의 기능을 제한하는데, IoT 노드의 경우 특히 그렇다. 노드에 대한 여러 가지 제약은 서로에게 영향을 미치며, 나아가 기능이 제한된 노드는 네트워크 전반에 제약을 가져와 통신 채널의 신뢰성을 떨어뜨리고, 대역폭을 제한적이고 예측 불가능하게 만든다.
IoT 노드의 다양한 기능적 요소들에 대한 엄격한 제약은 상태, 코드 공간, 프로세스 사이클에 상한선을 만든다. 이처럼 IoT 노드에 제약이 생길 경우, 개발자는 서로 다른 여러 프로토콜을 사용하여 노드 간 및 광역 네트워크와의 연결성을 향상시킨다.
그러한 예로서 CoAP(Constrained Application Protocol)를 들 수 있다. CoAP는 URI(Uniform Resource Identifiers)와 HTTP(Hypertext Transfer Protocol)를 기반으로 하는 클라이언트-서버 프로토콜로, 제한된 네트워크나 기기에서도 원활한 통신을 보장한다. 이 프로토콜은 저전력 기기나 제한된 연산 성능, 간헐적 연결성을 가진 기기에 적합하도록 네트워크 자원을 효율적으로 활용한다. 여기에 멀티캐스트 통신까지 지원해, CoAP는 IoT 시스템에서 필수적인 프로토콜로 자리잡고 있다.
이 글에서는 CoAP이 어떻게 전력 소모를 줄이고 통신 과정을 최적화하여 IoT 네트워크의 제한적인 전력 및 자원 요구 사항을 충족하는지 살펴본다.
CoAP이란?
CoAP은 IoT 시스템을 위해 특별히 설계된 웹 전송 프로토콜로서 대역폭, 메모리, 처리 성능의 제약을 해결하는 데 초점을 맞추고 있다. 다른 프로토콜과 달리, CoAP는 기능성과 자원 절약을 동시에 고려한 미니멀리즘 접근법을 통해 설계되었다.
CoAP는 RESTful(Representational State Transfer) 아키텍처를 기반으로 하며, 대규모 분산 네트워크에서도 효과적으로 동작할 수 있도록 정해진 규약을 따른다. RESTful 아키텍처를 활용하여, CoAP는 데이터와 동작을 동일한 인터페이스를 통해 접속할 수 있는 자원으로 취급한다. 이러한 설계는 기기 간 높은 상호운용성을 보장하며, 개발자가 CoAP 자원과 상호작용하는 애플리케이션을 친숙한 HTTP 방법론을 활용해 손쉽게 구축할 수 있게 해준다.
CoAP은 기본 사양은 작지만, 필요 시 기능을 추가로 확장할 수 있다. 이 프로토콜은 UDP(User Datagram Protocol)를 기본 전송 메커니즘으로 사용한다. UDP는 단순한 비연결성(connectionless) 전송 프로토콜로서, 데이터를 전송하기 전에 인터넷 연결을 확립할 필요가 없다. 이러한 특성은 소량의 데이터를 신속하게 전송해야 하는 IoT 시스템에 이상적이다. 전반적으로, UDP 활용은 엔드포인트 간 요청-응답 상호작용 모델을 제공하여, IoT 네트워크에 속해 있는 기기들 간에 높은 상호운용성과 빠른 통신을 가능하게 한다.
CoAP는 주로 스마트 에너지, 스마트 홈 자동화, 헬스케어, 웨어러블, 산업용 IoT(IIoT)와 같은 M2M(machine-to-machine) 애플리케이션용으로 설계되었다. 이들 분야에서, CoAP는 제약이 있는 노드와 네트워크를 지원하며 프록시를 통해 HTTP와 연동된다. 네트워크 연결이 제한적이거나 전력 예산이 제한적인 상황에서도 메시지가 전달될 수 있도록 보장하는 메커니즘이 마련되어 있다. 이러한 이유로 CoAP는 대부분의 IoT 시스템에서 흔히 나타나는 까다로운 네트워크 환경에서도 안정적인 지원을 제공할 수 있는 핵심 프로토콜로 자리매김하고 있다.
IoT 노드의 제약을 해결하는 CoAP
CoAP는 제약이 있는 기기와 네트워크 환경에서 기존 프로토콜의 한계를 극복하기 위한 직접적인 대응 프로토콜로서 IoT 분야에 등장했다. HTTP와 같은 기존 네트워크 프로토콜은 자원 소모가 많아 더 많은 메모리, 처리 성능, 대역폭을 필요로 한다. 활용할 수 있는 자원에 대한 제약이 엄격한 기기의 경우, 전통적인 프로토콜은 부담이 되어 IoT 네트워크의 운영 효율성을 떨어뜨릴 수 있다. UDP를 활용하면 오버헤드가 줄어들어 제약이 있는 네트워크에서도 통신과 응답성이 향상되는데, 이는 TCP/IP 기반의 전통적 프로토콜과는 뚜렷한 차별점을 만든다.
CoAP는 HTTP와 마찬가지로 요청-응답 모델을 사용하지만, CoAP 프로토콜 내의 수정으로 인해 제약이 있는 네트워크에서 사용하기에는 HTTP보다 더 적합하고 맞춤화되었다. CoAP의 가벼운 통신 프레임워크는 다양한 IoT 기기들이 에너지와 자원을 절약하면서 원활하게 상호작용할 수 있도록 한다. 이를 가능케 하는 요소 중에는 CoAP가 가지고 있는 네트워크 내 자원 변화에 대한 관찰 기능이 포함된다. 이는 업데이트를 지속적으로 요청할 필요를 없앰으로써 불필요한 데이터 교환을 크게 줄이고, 그 결과 전력 소모를 절감한다.
또한 CoAP는 유니캐스트(unicast) 전송과 멀티캐스트(multicast) 전송 두 가지 모두를 지원하는 유연한 메시지 분배 방식을 사용한다. 유니캐스트 전송은 특정 기기와의 직접적인 1:1 통신을 말하며, 특정 질의나 명령을 주고받는 데 활용된다. 반면 CoAP의 멀티캐스트 전송 기능은 메시지를 여러 기기에 동시에 보낼 수 있어 개별 통신을 여러 번 수행할 필요가 없다. 이러한 멀티캐스트 전송은 네트워크 사용을 최적화하고 전반적인 통신 오버헤드를 줄여 에너지와 자원을 절약하며, 시스템이 보다 효율적으로 동작할 수 있도록 한다.
다른 프로토콜 대비 CoAP 사용의 장단점
IoT 시스템에서는 MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)와 HTTP를 포함한 다양한 프로토콜이 CoAP와 함께 사용된다. 기존의 더 보편화된 프로토콜들과 비교할 때, CoAP는 여러 장점을 제공하지만 이와 동시에 일부 단점도 가지고 있다.
CoAP의 주요 장점은 다음과 같다:
• IoT를 위해 설계된 미니멀리즘 구조로, 저전력 기기와 네트워크에서 자원을 절약할 수 있다.
• HTTP에 비해 통신 오버헤드가 적다.
• 가벼운 아키텍처를 바탕으로 다양한 IoT 기기 및 애플리케이션으로 확장이 가능하다.
• HTTP와 유사한 동작 방식을 제공하므로 개발자와 사용자에게 친숙하다.
• 유연하고 동적인 특성을 갖추고 있다.
• 데이터 전송 전에 연결을 확립할 필요가 없는 UDP 기반으로 동작한다.
• HTTP의 텍스트 기반 인코딩보다 효율적인 이진 인코딩 방식을 사용해 대역폭을 절약하고 통신 속도를 높인다.
• 각 요청을 독립적으로 처리하는 비접속형 통신(stateless communication)을 지원해 개별 요청에서 발생하는 오류에도 더 강건하고 복원력이 있다.
• 멀티캐스트 통신을 지원해 여러 기기에 정보를 동시에 전달할 수 있다.
다른 한 편으로, CoAP는 더 성숙한 기술과 비교했을 때 다음과 같은 몇 가지 단점도 가지고 있다:
• 방화벽 통과가 MQTT에 비해 어려울 수 있다.
• DDoS 공격을 증폭시키는 데 악용될 수 있다.
• 다른 프로토콜에 비해 성숙도가 낮아 개발자를 위한 도구와 라이브러리가 부족하다.
• UDP가 데이터 전송 전에 연결을 확립하지 않기 때문에 NAT(Network Address Translation)에서 문제가 발생할 수 있다.
• 메시지가 단일 패킷에 담기기에는 너무 커서 분할해야 할 경우 단편화에 취약하며, 이로 인해 효율성이 떨어질 수 있다.
결론
IoT 생태계는 자동화 제조에서 스마트 홈에 이르기까지 다양한 산업과 영역으로 빠르게 확장되고 있다. IoT 기기의 소형화 특성은 제한적인 전력 및 자원 활용 요구로 이어지며, 이는 HTTP와 같은 기존 프로토콜에는 도전 과제가 된다. 그 결과, CoAP는 효율적인 통신과 데이터 전송을 가능하게 하는 핵심 프로토콜로 자리 잡았으며, 기존의 많은 프로토콜이 어려움을 겪었던 IoT 네트워크의 제약 문제를 일부 해결할 수 있게 해준다.
IoT에서, CoAP의 주된 역할은 가벼운 통신 프레임워크를 통해 제약이 있는 기기 및 네트워크 간 효율적이고 유연한 통신을 지원하는 것이다. 이 프로토콜의 다양한 기능은 에너지와 자원을 절약해 IoT에 최적화된 선택지를 제공한다. 일부 단점이 있기는 하지만, CoAP는 IoT 시스템을 위해 특별히 설계된 것으로서, 제한된 전력 및 자원 요구에 부합하는 특유의 장점을 갖추고 있다.
저자 소개
리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이션가로서 분자 수준의 화학 물질을 다양한 응용 분야에 어떻게 적용할 수 있는지에 대해 연구한다. 리암은 과학자와 비과학자 모두에게 복잡한 과학적 주제를 그만의 독특한 방식으로 쉽게 설명하는 것으로 유명하다. 그는 화학과 나노기술을 넘나드는 다양한 과학 및 산업 분야 전반에 걸쳐 350편 이상의 기고를 집필했다. 리암은 유럽 NIA(Nanotechnology Industries Association)의 선임 과학 커뮤니케이션 책임자로 지난 몇 년 동안 전 세계의 많은 기업, 협회 및 미디어 웹사이트에 글을 기고했다. 그는 나노 기술 및 화학 공학자로서 화학 석사 학위를 취득했다. 리암은 미국 NGA(National Graphene Association) 및 국제 기구인 NWN(Nanotechnology World Network)의 자문 위원이자, 영국의 과학 학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다. 리암은 또한 BSNM(British Society for Nanomedicine) 및 IAAM(International Association of Advanced Materials)의 회원이자 다양한 학술지의 논문 심사위원으로도 활동 중이다.