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지그비 통신

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지그비 통신 요약정리 – Eon

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무선 지그비, ZigBee 시리얼 통신모듈(EZBee-M100) / 디바이스마트

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직비 직비 모듈 국제 표준 IEEE 802.15.4 개발사 직비 얼라이언스[1] 산업 산업, 과학, 의학, IoT 물리적 범위 10 ~ 20미터 웹사이트 https://www.zigbee.org/

직비(영어: ZigBee)는 소형, 저전력 디지털 라디오를 이용해 개인 통신망을 구성하여 통신하기 위한 표준 기술이다. IEEE 802.15 표준을 기반으로 만들어졌다. 직비 장치는 메시 네트워크 방식을 이용, 여러 중간 노드를 거쳐 목적지까지 데이터를 전송함으로써 저전력임에도 불구하고 넓은 범위의 통신이 가능하다. 애드혹 네트워크적인 특성으로 인해 중심 노드가 따로 존재하지 않는 응용 분야에 적합하다.

직비는 낮은 수준의 전송 속도만 필요로 하면서 긴 배터리 수명과 보안성을 요구하는 분야에서 사용된다. 초당 250 kbit의 전송 속도를 가지며, 주기적 또는 간헐적인 데이터 전송이나 센서 및 입력 장치 등의 단순 신호 전달을 위한 데이터 전송에 가장 적합하다. 응용 분야에는 무선 조명 스위치, 가내 전력량계, 교통 관리 시스템, 그 밖에 근거리 저속 통신을 필요로 하는 개인 및 산업용 장치 등이 있다. 직비 표준은 블루투스나 와이파이 같은 다른 WPAN 기술에 비해 상대적으로 더 단순하고 저렴한 기술을 목표로 만들어졌다.

직비 네트워크는 128비트 대칭키 암호화를 이용한 보안을 제공한다. 홈 오토메이션 애플리케이션의 경우, 전송 거리는 가시선 기준 10에서 100미터 정도이며 출력 강도 및 무선 환경에 따라 달라진다.[2]

직비는 1998년 구상이 시작되었으며 2003년에 첫 표준이 제정되었고, 2006년에 개정되었다. 직비라는 명칭은 벌집에 돌아온 꿀벌이 추는 꿀벌춤에서 유래한 것이다.[3]

어원 [ 편집 ]

ZigZag + Bee

개요 [ 편집 ]

직비 프로토콜 스택

직비는 저가, 저전력 무선 메시 네트워크의 표준이다. 저가라는 특성으로 인해 무선 제어 및 모니터링 등의 목적으로 광범위한 영역에 다량으로 배치하는 것이 가능하다. 저전력 특성은 동작 수명을 연장하며 베터리의 크기를 축소할 수 있게 한다. 메시 네트워킹을 통해 높은 신뢰성과 넓은 범위 확장을 제공할 수 있다. 직비 칩 제조사들은 일반적으로 60~256KB 용량의 플래시 메모리를 장착한 라디오 및 마이크로컨트롤러 통합 제품을 생산하여 판매한다.

직비는 산업, 과학, 의학용 무선 주파수(ISM 밴드)에서 동작한다. 유럽에서는 868 MHz, 미국 및 오스트레일리아에서는 915 MHz, 그리고 세계 대부분 지역에서 2.4 GHz 무선 주파수를 사용한다. 데이터 전송 속도는 868 MHz 주파수 대역에서 초당 20 킬로비트, 2.4 GHz 주파수 대역에서 초당 250 킬로비트 정도이다.[4]

직비는 2003년 버전 IEEE 802.15.4 표준의 물리 계층 및 매체 접근 제어를 바탕으로 하여 저속 개인 통신망 용도를 위해 만들어졌다. 기존 표준의 두 계층 위에 네트워크 계층, 애플리케이션 계층, 직비 장치 객체(ZigBee device objects, ZDO) 및 생산자 정의 애플리케이션 객체의 4개 요소가 추가된 것이 직비 표준이다. 이 중 생산자 정의 애플리케이션 객체는 생산자별 커스터마이징 및 통합 칩셋 설계를 용이하게 하는 역할을 한다.

직비 표준이 기존 표준들에 비해 가지는 가장 뚜렷한 장점은 ZDO의 도입이다. 이 요소는 장치의 역할 수행, 네트워크 참여 요청 관리, 장치 검색 및 보안 등과 관련한 여러 가지 기능을 담당한다.

직비는 최초 설계시 전력선 통신은 염두에 두지 않았으나, 스마트 미터 및 스마트 가전기기를 위한 인터페이스는 고려되었다.

직비 노드는 30ms 또는 그 이하의 시간 이내에 절전 상태에서 활성화 상태로 전환이 가능하기 때문에, 약 3초가 소요되는 블루투스의 웨이크업 기능에 비해 대기 시간이 짧고 응답성이 뛰어나다.[5] 직비 노드는 대부분의 동작 시간동안 절전 상태에 머무를 수 있기 때문에 평균 전력 소모가 낮고, 이에 따라 긴 베터리 수명의 확보가 가능해진다.

직비 얼라이언스와 표준화 [ 편집 ]

IEEE 802.15.4와 직비와의 관계는 IEEE 802.11과 와이파이 얼라이언스와의 관계와 유사하다. 직비 1.0 스펙은 2004년 12월 14일 승인되었으며 직비 얼라이언스의 회원사에게 공개되었다. 2007년 10월 30일에는, 직비 2007 스펙이 발행되었다. 최초의 직비 애플리케이션 프로파일인 홈 오토메이션(Home Automation)이 2007년 11월 2일 발표되었다.

상업적인 용도 이외의 사용을 위해서도, 직비 스펙은 일반인에게 공개되어 있다.[6] 직비 얼라이언스의 최소 레벨 멤버십은 어댑터(Adapter)이며, 연회비는 3500달러이다. 어댑터가 되면 발표 단계 이전의 스펙을 열람할 수 있어 그에 근거하여 제품을 만드는 것이 가능하다.

칩 가격 [ 편집 ]

2006년 기준으로 미국에서 직비 호환 송수신 칩의 소매 가격은 거의 1달러 대에 이르고 있다. 무선, 프로세서, 메모리 통합 칩의 가격은 3 달러 대로 떨어져 있다.[7] 비교하자면, 소비자용 블루투스 칩의 가격은 3 달러 미만이다.[8] 미국 외 지역에서는 가격이 조금 더 비싸다. 예를 들어, 2009년 3월 기준 영국에서의 베어본 직비 서피스 마운트 송수신 칩의 가격은 약 5에서 9파운드였다. 조립된 모듈의 가격은 약 10파운드였다.

직비 스택 버전 [ 편집 ]

직비 스택의 첫 버전은 “직비 2004″라고 불렸다. 두 번째 발표된 스택은 “직비 2006″이라고 불리고 있다. 2004년 스택에서 쓰였던 MSG/KVP 구조를 “클러스터 라이브러리”로 대체하였다. 2004년 스펙은 거의 사장되었다.

직비 스택의 최신 버전은 2007년 10월 30일 발표된 “직비 프로”(ZigBee PRO)이다. 때때로 “직비 2007”로 불리기도 한다. 직비 프로에는 2개의 스택 프로파일이 들어가 있다. 직비 스택 프로파일 1(간단히 줄여 직비)은 가정용 및 단순 산업용 용도이다. 직비 스택 프로파일 2는 더 많은 기능을 포함하고 있는데, 멀티캐스팅, 다대일 라우팅, 대칭키 키교환(SKKE)을 이용한 고수준의 보안성 등이다. 직비 스택 프로파일 1이 RAM과 플래시 메모리를 더 적게 사용한다. 직비 스택 프로파일 1과 2 모두 완전한 메시 네트워킹 기능을 제공하며 또한 모든 직비 애플리케이션 프로파일에 대해 작동한다.

직비 프로는 직비 2006에 대해 완벽한 하위 호환을 제공한다. 직비 프로 장치는 직비 2006 통신망에 참여하여 통신 할 수 있다. 단, 라우팅 옵션상의 차이로 인해 직비 프로 장치들은 직비 2006 통신망에서는 반드시 비라우팅(non-routing) 직비 단말(ZigBee End-Device, ZED)로 동작해야 한다. 마찬가지로 직비 2006 장치들은 직비 프로 통신망에서는 반드시 비라우팅 ZED로 동작해야 한다. 이렇게 동작하는 직비 장치의 애플리케이션들은 그 하위의 스택 프로파일에 관계 없이 동일하게 동작한다.

최초의 직비 애플리케이션 프로파일인 홈 오토메이션(Home Automation)은 2007년 11월 2일 발표되었다.

직비 애플리케이션 프로파일 [ 편집 ]

현재 완성되었거나 작성 진행 중인 직비의 애플리케이션 프로파일들은 다음과 같다. 다수의 하드웨어(및 주문자 상표 부착 생산) 회사들이 각 제품에서 직비를 상호 운영할 수 있도록 직비의 애플리케이션 프로파일을 함께 정의하였다. 직비 얼라이언스(직비 연합)가 직비 스펙을 제정하는 표준화 단체인데, 여기서 스펙 뿐만 아니라 직비의 애플리케이션 프로파일들을 정의하고 있다.[9]

주거 자동화(Home Automation)

직비 스마트 에너지(ZigBee Smart Energy)

상업용 빌딩 자동화(Commercial Building Automation)

통신 애플리케이션(Telecommunication Applications)

개인, 가정, 병원(Personal, Home, and Hospital Care)

각주 [ 편집 ]

지그비(Zigbee) 통신이란?

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2001년 MIT 학생이었던 엔드류 휠러(Andrew Wheeler) 와 로버트 풀(Robert Poor) 두 사람이 엠버(Ember)라는 회사를 세우게 되고, 2005년에 EM260 지그비 네트워크 프로세서,EM250, ZigBee 시스템 칩(SoC), 엠버넷 지그비 소프트웨어 등을 출시하게 됩니다.

벌이라는 단어를 이름에 쓴 이유가 있답니다. 꿀벌들은 서로 단체생활을 할때 서로에게 새로운 먹이감을 찾으면 서로에게 신호를 주는데, 지그재그 모양의 춤을 춥니다. 이 춤을 춤으로서 먹이의 위치와 거리를 알려주게 되는데요. 바로 이러한 단체 통신네트워크를 구축하고 싶다는 철학이 이름에 담겨 있습니다. 실제로 이름처럼 지그비의 기술은 단체 네트워크에 강합니다.

지그비(ZigBee)

————— 위키백과 —————-

지그비(영어: ZigBee)는 소형, 저전력 디지털 라디오를 이용해 개인 통신망을 구성하여 통신하기 위한 표준 기술이다. IEEE 802.15 표준을 기반으로 만들어졌다. 지그비 장치는 메시 네트워크 방식을 이용, 여러 중간 노드를 거쳐 목적지까지 데이터를 전송함으로써 저전력임에도 불구하고 넓은 범위의 통신이 가능하다. 애드혹 네트워크적인 특성으로 인해 중심 노드가 따로 존재하지 않는 응용 분야에 적합하다.

직비는 낮은 수준의 전송 속도만 필요로 하면서 긴 베터리 수명과 보안성을 요구하는 분야에서 사용된다. 초당 250 kbit의 전송 속도를 가지며, 주기적 또는 간헐적인 데이터 전송이나 센서 및 입력 장치 등의 단순 신호 전달을 위한 데이터 전송에 가장 적합하다. 응용 분야에는 무선 조명 스위치, 가내 전력량계, 교통 관리 시스템, 그 밖에 근거리 저속 통신을 필요로 하는 개인 및 산업용 장치 등이 있다. 지그비 표준은 블루투스나 와이파이 같은 다른 WPAN 기술에 비해 상대적으로 더 단순하고 저렴한 기술을 목표로 만들어졌다.

직비 네트워크는 128비트 대칭키 암호화를 이용한 보안을 제공한다. 홈 오토메이션 애플리케이션의 경우, 전송 거리는 가시선 기준 10에서 100미터 정도이며 출력 강도 및 무선 환경에 따라 달라진다.

지그비는 1998년 구상이 시작되었으며 2003년에 첫 표준이 제정되었고, 2006년에 개정되었다. 직비라는 명칭은 벌집에 돌아온 꿀벌이 추는 꿀벌춤에서 유래한 것이다.

Zigbee Bluetooth Wi-Fi NFC 전송거리 ~100m ~10m ~100m ~20m 전송속도 ~250kbps ~24Mbps 11M/54Mbps 106~848kbps 최대 채널 수 32000 7 14 1 소비전력 Very Low Medium High Low 복잡성 Low Low High Low 비용 Low Low High Low

ZigBee 통신

지그비는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역의 근거리 무선 통신 기능입니다. 지그비는 스타(Star), 클러스터 트리(Cluster Tree), 메시(Mesh) 이 세가지의 네트워크 토폴로지를 가지고 있으며, 디바이스로는 코디네이터(Coordinator), 라우터(Router), 종단장치(End Device)로 구성되어 있습니다. 이러한 구성은, 적은 데이터량을 교환할 수 있다는 면은 제외하면 저전력, 저비용, 네트워크 노드의 밀도가 높고, 프로토콜이 간편하며, 비교적 넓은 지역, 저전력기능을 자랑하고 있기 때문에 대형 건물의 자동화, 홈네트워킹 등에 적합합니다.

위 표를 통해 지그비 통신은 복잡하지 않은 시스템 구조로 구성되어 있으며 적은 소비전력으로 인해 소형화가 가능함을 알 수 있습니다.

비록 전송 속도면에서 블루투스나 와이파이 통신이 우수하긴 하지만 가격이 비싸기 때문에 상대적으로 저렴하고 간단한 무선 네트워크를 구축할 수 있습니다. 또한 네트워크 규모도 방대하기 때문에 다수의 센서를 활용하거나 모듈을 사용하는 시스템에 적합한 형태를 보입니다.

이러한 지그비는 위 그림처럼 지금 홈자동화, 헬스케어, 빌딩 자동화, 모바일, 조명등의 수많은 분야에서 사용되고 있답니다.

출처: https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=frozenguard&logNo=221090962109&targetKeyword=&targetRecommendationCode=1

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A7%81%EB%B9%84

https://creamp.tistory.com/11

https://zigbeealliance.org/

#IoT 통신 #ZigBee #지그비 #IoT 취약점 진단

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지그비 통신의 개념 (네트워크의 이해)

최근에 무선통신 기술중 지그비 통신을 활용하게 되어 관련된 자료를 찾아보았는데 괜찮은 정보를 찾기가 매우 어려웠다. 제대로 검색하지 못한 필자의 탓일 수도 있지만 찾아본 대부분의 자료들은 대체 핵심은 어디 갖다 팔아먹었는지 그저 이러저러 해라 식의 단순 지식만 늘어놓고 있었으며 중복되는 내용 또한 심심찮게 발견할 수 있었다. 이러한 글을 읽고 제대로 이해될리 만무하다. 물론 구글을 활용해 해외 사이트에서 검색한다면 원하는 정보를 쉽게 찾을 수 있겠지만 국내에서 지그비와 관련된 간단한 설정법조차 찾기 힘들다는 사실은 매우 안타까울 뿐이다.

때문에 답답한 나머지 지그비 통신에 대해서 필자가 찾아보고 공부한 내용을 정리하여 공유하고자 한다. 순서는 네트워크와 지그비에 대한 개념부터 시작해서 지그비 모듈 종류 및 설정 방법, 아두이노를 활용한 무선 통신 실습 순으로 포스팅할 생각이며 부디 처음으로 지그비 통신을 공부하고 활용하고자 하는 사람들에게 도움이 되길 바란다.

1. 네트워크 이해

지그비에 대한 개념을 설명하기 앞서 네트워크에 대한 이야기를 잠시 해볼까 한다. 워낙 방대한 주제인 만큼 여기서는 간단하게 개념만 짚고 넘어가도록 하자. 네트워크란 Net + Work의 합성어로 컴퓨터들이 통신기술을 이용하여 그물망처럼 연결된 형태를 의미한다. 쉽게 말해 여러 대의 컴퓨터들이 서로 통신하는 것을 말하는 것으로 여기서 통신기술이란 프로토콜(Protocol)을 뜻하며 사전적으로 ‘규약’, ‘약속’등을 의미한다. 컴퓨터 네트워크에서 서로 통신하기 위한 사전의 약속같은 것으로 해석할 수 있다. 예를 들어 식당에서 음식을 주문하는 상황을 가정해보자. 한 손님이 메뉴판에서 자신이 먹을 음식을 결정했고 바로 주문하려고한다. 하지만 웨이터는 다른 손님의 주문을 받고 있으며 다른 웨이터들 또한 보이지 않는다. 당신이라면 이 상황에서 어떻게 하겠는가? 아마도 당신이 조금의 기다림을 참지 못하는 몰상식한 사람이 아니라면 웨이터가 주문을 다 받을때 까지 기다린 후에야 자신의 주문 내용을 말할 것이다.

그렇다. 방금 당신은 훌륭하게 사람들 간에 지켜야 할 프로토콜을 잘 지킨 셈이다. 만약 프로토콜을 지키지 않고 웨이터를 억지로 불렀다면 자신과 웨이터 뿐만 아니라 다른 손님과의 소통 또한 제대로 될리가 없다. 이렇듯 사람들이 말을 할 차례를 지켜 주는 것이 중요한데 이러한 개념은 네트워크 통신에서도 똑같이 적용된다. 네트워크 측면에서 위와 같이 통신의 순서를 정해주는 것을 미디어 접근(Media Access)라고 하며 동시에 여러 통신이 발생하는 상황을 다중 접근(Multi Access)라고 한다. 그리고 이러한 상황과 유사한 프로토콜이 바로 CSMA/CD 이다.

· CSMA/CD (Carrier Sense Multi Access / Collision Detection) LAN(이더넷)에서 각 단말기 간 자료를 전송하고 있는 동안 회선을 감시하여 충돌이 감지되면 즉각 전송을 멈 추 고 재전송을 위해 기다렸다가 다시 시도하는 방식

위 방식은 여러 단말기가 통신을 시도했을 때의 충돌 상황을 완화시키는 역할을 한다. 쉽게 말해 앞서 언급한 웨이터의 일이 끝날때 까지 기다려 서로의 통신이 끊어지지 않도록 도와주는 것이다.

또한 네트워크 통신에서 단말기간 특정 주소를 가지는 개념은 매우 중요하다. 각 컴퓨터가 자신의 고유 주소인 IP를 할당받는 이유는 다른 컴퓨터와 구별되기 위해서임을 우리는 이미 알고있다. 따라서 각 단말기간 어떤 통신이 진행되기 위해서는 특정한 수신자의 주소가 지정되 있어야 데이터 보내기가 가능하다. 이러한 주소는 네트워크상에서 숫자로 할당받게 된다.

2. 네트워크 토폴로지(Network Topology)

네트워크 토폴로지란 단말기 상호 간에 데이터를 전송할 수 있도록 연결된 형태를 말한다. 이는 데이터가 잘 보내지고 받을 수 있도록 어떻게 네트워크를 구축할 것인가 라는 네트워크 전략과도 일맥상통하며 어떤 형태를 구축하느냐에 따라서 데이터의 흐름이 결정되게 된다. 따라서 다양한 형태와 방법이 존재하지만 여기서는 지그비 통신과 관련된 몇가지만 소개하고자 한다.

① 일대일 통신 (Peer to Peer)

일대일 네트워킹은 두 노드 (여기서 노드는 연결점을 의미하며 단말 장치나 통신 처리 장치 등을 뜻한다.) 사이에 데이터를 전송하기 위한 가장 간단한 형태이다. 다양한 채널을 사용할 수 있으며 서로 다른 주파수에 작동하는 무선조종자동자가 좋은 예이며 또한 개인과 개인이 직접 연결되어 파일을 공유하는 P2P도 이러한 개념의 연장선이라고 이해할 수 있다.

② 스타형 토폴로지 (Star Topology)

스타형은 이더넷 LAN에 가장 널리 사용되는 물리적 네트워크 구조로 중앙의 연결 지점에 허브나 라우터 같은 중심 노드(Coordinator)가 배치되어 모든 노드들을 관리하게 된다. 모든 데이터가 중앙 지점으로 모여지는 중앙 제어 방식이기 때문에 관리가 편하고 확장이 용이하지만 그만큼 부하가 많이 걸리게 되며 중앙 노드에 장애가 발생하면 전체 네트워크 사용이 불가능하게 되는 단점이 있다.

③ 메쉬형 토폴로지 (Mesh Topology)

메쉬형은 모든 노드가 네트워크상에서 혹은 개별적으로 현결된 그물망 형태로 다수의 노드 쌍이 동시에 통신할 수 있다. 이는 특정 노드의 장애가 다른 노드에 영향을 주지 않기 때문에 장애에 유연한 대처가 가능해지고 가용성이 극대화 되는 장점으로 작용한다. 하지만 그만큼 회선구축 비용이 많이 들게 되며, 새로운 노드를 추가할 시에 선로 구성이 복잡해지고 비용부담이 발생한다.

토폴로지는 상황에 맞게 적절한 방식을 선택하는 것이므로 좋고 나쁨을 떠나 자신이 구축할 네트워크 환경에 적합한 것을 써야 한다.

3. ZigBee 통신

서론이 생각보다 길었다. 그럼 이제 본격적으로 지그비 통신이 무엇인지 알아보도록 하자. 지그비는 근거리 저전력 무선 통신을 위한 프로토콜을 일컫는다. 앞서 프로토콜의 개념을 제대로 이해하였다면 지그비 통신 또한 여러 개의 노드가 서로 통신하기 위해 만들어진 통신 규약이라는 것을 알 수 있을 것이다. 그럼 다른 무선 통신 방법과 비교하여 지그비의 특징을 살펴보자.

Zigbee Bluetooth Wi-Fi NFC 전송거리 ~100m ~10m ~100m ~20cm 전송속도 ~250Kbps ~24Mbps 11M / 54Mbps 106~848Kbps 최대 채널 수 32000 7 14 1 소비전력 Very Low Medium High Low 복잡성 Low Low High Low 비용 Low Low High Low

위 표를 통해 지그비 통신은 복잡하지 않은 시스템 구조로 구성되어 있으며 적은 소비전력으로 인해 소형화가 가능함을 알 수 있다. 비록 전송 속도면에서 블루투스나 와이파이 통신이 우수하긴 하지만 가격이 비싸기 때문에 상대적으로 저렴하고 간단한 무선 네트워크를 구축할 수 있다. 또한 네트워크 규모도 방대하기 때문에 다수의 센서를 활용하거나 모듈을 사용하는 시스템에 적합한 형태를 보인다.

지그비 통신 모듈은 시중에서 다양한 형태로 판매되고 있으나 여기서는 가장 대중적인 제품인 Digi 사의 XBee모듈에 대해서 설명하겠다. Xbee란 지그비 프로토콜을 바탕으로 보다 쉬운 설정과 사용을 위해 개발된 별개의 프로토콜이다. 따라서 지그비 통신을 기반으로 하고는 있지만 XBee 전용의 프로토콜을 따로 제공하고 있다는 점을 염두해 두어야 한다. 이러한 XBee 모듈의 설명은 다음 포스팅에서 이어서 설명하도록 하겠다.

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