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미래의 스마트 스페이스에서 LAN과 WLAN의 공존 방식

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자료제공/애로우 전자

스마트 스페이스의 인기가 커지면서 이러한 설비에 필요한 모든 인프라를 갖추도록 보장하는 것이 중요해질 것이므로 하나의 단일 네트워크 솔루션으로 하려 한다면 실패할 것이다. 스마트 스페이스의 당면 과제는 무엇일까? LAN과 WLAN이 함께 미래의 네트워크를 지원하게 될까? 그리고 LAN 옵션을 위한 솔루션은 어떤 것이 있을까?

스마트 스페이스가 당면한 문제

IoT 장치가 증가하고 있는 것은 확실하며, 머지 않아 전 세계에 IoT 장치가 200억 개가 될 것이지만 개별 센서마다 이점이 있어 함께 작동하는 여러 센서를 모은다면 큰 변화가 생길 것이다. 예를 들어, 개별 IoT 온도 조절장치는 단일 실내 공간의 온도를 제어할 수 있지만 건물 전체의 환경 센서를 사용하면 실내 공간 사이의 공기 흐름, 공기의 질, 최적의 난방 방식을 파악할 수 있다.

그러나 이런 시스템을 만들려면 전력과 연결 기능이 모두 가능한 탄탄한 기본 인프라가 있어야 한다. 엔지니어들은 다양한 옵션을 사용할 수 있는데 이런 옵션은 무선과 유선의 두 범주 중 하나에 들게 된다. 각 기술은 나름의 장단점이 있지만 엔지니어들이 한 기술만 선택해야 할 것이다. 잘못 선택할 경우 향후 업그레이드에 비용이 많이 들거나 업그레이드 자체가 불가능할 수 있어 이런 결정을 쉽게 내려서는 안 된다.

케이블 문제

케이블은 시공과 운영이 비교적 간단해 일세기 이상 주요 통신 수단으로 사용되어 왔다. 케이블은 제조가 용이하기 때문에 단거리 통신에 케이블을 사용하면 비용 효과가 상당히 좋다. 장거리 케이블 설치에는 인건비가 많이 들지만 수천 킬로미터 거리로 메시지를 전송하는 데 필요한 인프라는 무선 인프라에 비해 구현하기가 쉽고 비용이 적게 든다.

그러나 케이블은 다양한 물리적 현상의 영향을 받기 때문에 고속 데이터 전송이 어렵다. 예를 들어, 고속 데이터 신호는 차동 꼬임 쌍선에 전적으로 의존하여 공통 모드 노이즈를 없애는데, 이러한 쌍선을 잘 맞추지 못할 경우 신호 무결성에 문제가 생길 수 있다. 설상가상으로 오래된 케이블은 최신 데이터 속도를 감당하지 못해 시스템을 업그레이드하려면 모든 데이터 케이블을 교체해야 할 수 있다. 예를 들어, 오래된 이더넷 케이블은 최대 100Mbps의 속도를 지원할 수 있지만 이런 케이블은 최신 1Gbps 연결에는 사용하지 못한다.

케이블의 또 다른 당면 문제는 설치하기가 물리적으로 힘들어 케이블을 매립하거나 기둥을 세워 케이블을 공중에 달아야 할 경우 시추 장비가 필요하다. 데이터 센터에도 대형 케이블 어셈블리와 라우팅 시스템이 필요한데 이 모두 설치와 보수가 매우 어렵다.

기술에 따라 전기 신호를 사용하는 케이블은 케이블당 장치 한 개만 지원할 수 있어 여러 장치에 연결하려면 추가 케이블이 필요할 수 있다. 물론 여러 장치를 단일 와이어에 연결할 수 있는 버스 프로토콜이 있지만 이렇게 배치하면 케이블 광역폭이 크게 감소한다.

마지막으로 오래된 LAN 네트워크 대부분은 공격에 매우 취약하다. 사용되는 인프라에 따라 다르겠지만 대부분의 LAN 네트워킹 기술은 기본적으로 자격 증명을 시행하지 않아 네트워크에 연결할 수 있는 장치는 모두 그 사용 권한이 있다. 이점 때문에 해커들이 아직 활발하게 사용되지 않고 있는 노출된 LAN 포트를 찾는 것이다.

무선 기술에 생길 수 있는 문제

케이블과 달리 무선 솔루션은 실제로 채널 분리에 서로 다른 주파수를 사용할 수 있고, 지향성 안테나를 사용해 주파수가 같은 다른 빔에 간섭을 주지 않는 빔을 만들 수 있어 여러 문제를 해결할 수 있다.

따라서 케이블에 이렇게 많은 문제가 있다면 엔지니어들은 논리적으로 무선을 선택하는 것이 맞지 않을까? 케이블이 문제가 될 수 있다면 무선 네트워크도 문제가 될 수 있다. 특히 5G가 도입되면서 많은 간섭 문제가 보고되었으며 주민들이 자신의 집 밖에 세워진 셀룰러 타워를 보면 부정적인 압박을 가했다.

우선, 무선 시스템에서 사용하는 무선 주파수에 따라 그 유효 범위가 결정되므로 주파수는 범위에 반비례한다. 따라서 저주파 무선 시스템은 수십 킬로미터 떨어져도 통신할 수 있지만 고주파 무선 시스템은 단거리 통신만 가능하다. 그러나 이와 동시에 전파의 광역폭(또는 초당 제공할 수 있는 데이터의 양)은 해당 주파수에 비례한다. 따라서 장거리 통신은 광역폭이 적고 단거리 통신은 광역폭이 좋다.

이것이 문제가 되는 것을 잘 보여주는 예가 5G이다. 4G보다 높은 주파수를 사용하면 훨씬 더 많은 광역폭을 사용할 수 있지만 주파수가 늘면 5G 범위가 상당히 좁아진다. 따라서 더 많은 셀 기둥을 사용자 근처(즉, 주택 밖)에 세워야 한다.

무선 네트워크에 생길 수 있는 또 다른 문제는 원격 공격에 취약하다는 것이다. 이더넷 케이블은 물리적으로 접근해야 하지만 무선 네트워크는 원격으로 쉽게 공격할 수 있다. 설상가상으로 공격자들이 무선 패킷 스니퍼를 사용해 무선 네트워크의 트래픽을 모니터링할 수 있는데 트래픽이 끊길 경우 공격자가 장치와 전송 중인 데이터를 식별할 수 있다.

이와 동시에 무선 네트워크는 동시에 너무 많은 장치가 연결될 경우 정체될 수 있다. 셀룰러 네트워크는 동시에 수천 개의 연결을 처리하도록 설계되었기 때문에 Wi-Fi에 비해 정체에 덜 취약하지만 공용 주파수를 사용하는 홈 네트워크는 정체를 경험할 수 있다. 그리고 수천 개의 장치가 단일 액세스 포인트에 연결되어 있으면 지연이 급증할 수 있는데 실시간 성능을 요하는 시스템에는 피해를 일으킬 수 있다.

스마트 스페이스의 미래에 케이블이 필수인 이유는 무엇인가?

스마트 스페이스와 연결성 주제를 조사하면 대부분 5G와 Wi-Fi 같은 무선 기술이 지배적으로 될 것이라고 답하는데 충분히 납득할 만한 생각이다. 무선 특성은 케이블 설치를 최소화하는 데 기여할 뿐만 아니라 장치를 설치하는 데에도 자유롭다. 이더넷 케이블 길이의 제한이 없어 완전 무선 솔루션은 장치를 정확히 필요한 위치에 장착할 수 있다. 그러나 미래의 스마트 스페이스는 ”일률적인” 방식보다는 케이블과 무선 솔루션의 장점을 결합할 가능성이 높다.

먼저 미래의 스마트 스페이스는 수천 개의 장치로 구성될 것인데 하나의 무선 네트워크로 감당하기에는 너무 많다. 물론 셀룰러 기술은 큰 부하용으로 설계되었지만 지연과 광역폭의 중요성이 커지고 있어 모든 장치를 무선 신호로 작동하게 한다면 구현하는 데 비용이 많이 들고 구현하기도 어려워질 것이다.

장치의 수 말고도 장치 대부분은 그 전력 요구량이 에너지 하베스터로 감당하기에 너무 클 것이다. 예를 들어, 보안 시스템은 100퍼센트 가동해야 하는데 이는 에너지 하베스터와 함께 사용하기에 적합하지 않다. 이러한 스페이스는 수천 개의 장치로 구성된다는 점을 고려하면 배터리 전력은 생각할 수도 없다. 이런 장치의 유지관리는 매우 어려울 것이다. 장치의 전체 수명 주기 동안 작동하는 배터리를 사용할 수 있겠지만 이로 인해 전자 폐기물의 양이 빠르게 증가할 수 있다.

따라서 영구적인 전원이 필요하며, LAN을 통한 전용 연결을 갖추면 광역폭이 충분히 제공될 뿐만 아니라 이더넷 전원 장치(PoE)를 통한 단일 케이블로 전력을 공급할 수도 있다. 실제로 PoE 케이블을 사용하면 장치에 필요한 케이블 수를 한 개로 줄여 설치를 간소화할 수 있다. 따라서 주어진 영역에서 더 많은 케이블을 묶어 더 많은 장치를 사용할 수 있다.

에너지 하베스터를 사용하는 장치는 액세스 포인트 근처에 배치하여 송전 비용을 줄여야 할 것이다. 이 경우 액세스 포인트는 전력과 연결 모두 PoE에 의존하게 되므로 스마트 스페이스에서 케이블의 필요성이 더 절실해질 것이다.

스마트 스페이스의 보안 측면에서도 특히 카메라, 마이크, 경보기 같은 보안 관련 장치에는 케이블이 무선 네트워크보다 선호될 것이다. 케이블을 사용하면 원격 공격이 방지되며, 연결된 장치에 자격 증명과 인증서를 사용하면 네트워크에 추가된 비식별 장치에 대한 해커들의 접근이 거부될 수 있다. 실제로 미래형 PoE 버전은 장치가 분리된 시점을 감지할 수 있으며, 각 PoE 장치의 전력 모니터링을 통해 수상한 활동을 감지할 수 있다. 이는 무선 장치로는 어려운 것이다.

마지막으로 유선 장치는 간섭에 강해 수천 개의 장치를 서로 가까이 배치할 수 있다. 케이블을 사용하면 무선 전파 방해(jamming)를 차단할 수 있어 스마트 스페이스를 공격으로부터 확실하게 보호할 수 있다.

LAN 환경에 존재하는 솔루션은 어떤 것이 있는가?

다행히도 큰 광역폭을 제공하면서 보안 위협에도 강한 스마트 스페이스를 조성하는 데 구현할 수 있는 LAN 및 WLAN 솔루션이 많이 있다. IoT 장치용 네트워킹 솔루션으로 유명한 한 기업이 Lantronix인데 이 회사는 SoM, 네트워크 스위치, 게이트웨이를 포함하는 다양한 솔루션을 제공한다.

예를 들어, XPCW1002100B는 시리얼-Wi-Fi 모듈인데, SPI 또는 시리얼 인터페이스가 있는 거의 모든 솔루션에서 IEEE 802.11 무선 LAN 연결을 지원하는 초소형 저전력 네트워킹 솔루션이다. 무선 설계의 복잡도를 낮추었기 때문에 XPCW1002100B를 사용해 엔지니어들은 IoT 장치를 빠르게 테스트하고 제조할 수 있고 물리적으로 연결된 시리얼 포트처럼 네트워크에서 통신할 수 있다. 이더넷 솔루션이 필요한 경우 XPC100100B-01은 시리얼-네트워크 연결을 제공하지만 WLAN으로 연결하지 않고 LAN을 통해 연결한다는 점에서 XPCW1002100B와 매우 비슷하다.

네트워크 연결과 관련하여 Lantronix는 게이트웨이와 스위치에서도 다양한 솔루션을 제공하는데 그 한 예가 SGX5150020US이다. 이 장치는 LAN을 통해 인터넷과 연결되는 5GHz Wi-Fi 네트워크이며, 이런 액세스 포인트는 네트워크를 쉽게 분리할 수 있고 동시에 무선 기능도 제공한다.

전체적으로 미래의 IoT 스마트 스페이스는 케이블 연결 솔루션과 무선 솔루션을 함께 사용하여 두 기술의 장점을 활용할 것으로 보인다.

leekh@seminet.co.kr
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