직비

3. 역사

1990년대에 직비 스타일의 자체 구성 애드혹 디지털 라디오 네트워크가 구상되었다. IEEE 802.15.4-2003 직비 규격은 2004년 12월 14일에 비준되었다.^[3] 커넥티비티 표준 연합(이전 직비 연합)은 '직비 2004 규격'으로 알려진 규격 1.0을 2005년 6월 13일에 발표했다.

2006년 9월, ''Zigbee 2006 사양''이 발표되어 2004 스택을 대체했다.^[4] 2006 사양은 2004 스택에서 사용되던 메시지와 키-값 쌍 구조를 '클러스터 라이브러리'로 대체했다. 이 라이브러리는 스마트 에너지, 홈 오토메이션, Zigbee Light Link와 같은 클러스터로 구성된 표준화된 명령, 속성 및 글로벌 아티팩트 집합이다.^[5]

2017년 1월, 커넥티비티 표준 연합(Connectivity Standards Alliance)은 라이브러리 이름을 ''Dotdot''으로 변경하고 이모티콘('||:')으로 표현되는 새로운 프로토콜로 발표했다. 또한 이 프로토콜이 인터넷 프로토콜을 사용하여 다른 네트워크 유형에서도 실행될 것이며, 스레드와 같은 다른 표준과 상호 연결될 것이라고 발표했다.^[6][7] Dotdot은 공개 이후 거의 모든 Zigbee 장치의 기본 애플리케이션 계층으로 기능해 왔다.^[8]

Zigbee Pro는 Zigbee 2007로도 알려져 있으며, 2007년에 최종 확정되었다.^[9] Zigbee Pro 장치는 레거시 Zigbee 네트워크에 참여하여 작동할 수 있으며 그 반대도 가능하다. 라우팅 옵션의 차이로 인해 Zigbee Pro 장치는 레거시 Zigbee 네트워크에서 비 라우팅 Zigbee 최종 장치(ZED)가 되어야 하며, 레거시 Zigbee 장치는 Zigbee Pro 네트워크에서 ZED가 되어야 한다.^[10]

4. 직비 얼라이언스와 표준화

IEEE 802.15.4와 직비의 관계는 IEEE 802.11과 와이파이 얼라이언스의 관계와 유사하다. 직비 1.0 스펙은 2004년 12월 14일 승인되었으며 직비 얼라이언스의 회원사에게 공개되었다.^[40] 2007년 10월 30일, 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.^[40] 직비 얼라이언스의 최소 레벨 멤버십은 어댑터(Adapter)이며, 연회비는 3500USD이다.

5. 칩 가격

2006년 기준으로 미국에서 직비 호환 송수신 칩의 소매 가격은 거의 1USD 대에 이르고 있다. 무선, 프로세서, 메모리 통합 칩의 가격은 3USD 대로 떨어져 있다.^[41] 소비자용 직비 칩의 가격은 3USD 미만이다.^[42] 미국 외 지역에서는 가격이 조금 더 비싸다. 예를 들어, 2009년 3월 기준 영국에서의 베어본 직비 서피스 마운트 송수신 칩의 가격은 약 5GBP에서 9GBP였다. 조립된 모듈의 가격은 약 10GBP였다.

6. 직비 스택 버전

직비 스택의 첫 버전은 "직비 2004"로 불렸다. 두 번째로 발표된 스택은 "직비 2006"으로 불리며, 2004년 스택에서 쓰였던 MSG/KVP 구조를 "클러스터 라이브러리"로 대체하였다.^[4] 2004년 스펙은 거의 사장되었다.

직비 스택의 최신 버전은 2007년 10월 30일에 발표된 "직비 프로"(ZigBee PRO)이다.^[9] 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 멀티캐스트, 다대일 라우팅, 대칭키 키교환(SKKE)을 이용한 고수준 보안 등 더 많은 기능을 포함하고 있다. 직비 스택 프로파일 1은 RAM과 플래시 메모리를 더 적게 사용한다. 직비 스택 프로파일 1과 2는 모두 완전한 메시 네트워킹 기능을 제공하며, 모든 직비 애플리케이션 프로파일에 대해 작동한다.

직비 프로는 직비 2006에 대해 완벽한 하위 호환을 제공한다. 직비 프로 장치는 직비 2006 통신망에 참여하여 통신할 수 있다. 단, 라우팅 옵션상의 차이로 인해 직비 프로 장치들은 직비 2006 통신망에서 반드시 비라우팅 직비 단말(ZigBee End-Device, ZED)로 동작해야 한다. 마찬가지로 직비 2006 장치들은 직비 프로 통신망에서 반드시 비라우팅 ZED로 동작해야 한다.^[10] 이렇게 동작하는 직비 장치의 애플리케이션들은 그 하위 스택 프로파일에 관계없이 동일하게 동작한다.

7. 애플리케이션 프로파일

현재 완성되었거나 작성 진행 중인 직비의 애플리케이션 프로파일은 다음과 같다.^[43]

• 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)

8. 사용 사례

Zigbee 프로토콜은 저전력 소비를 요구하고 낮은 데이터 속도를 허용하는 임베디드 애플리케이션을 위해 설계되었다. 일반적인 적용 분야는 다음과 같다.

• 홈 오토메이션^[14][15]
• 무선 센서 네트워크
• 산업 제어 시스템
• 임베디드 센싱^[16]
• 의료 데이터 수집
• 연기 및 침입자 경고
• 건물 자동화
• 원격 무선 마이크 구성^[17]

9. 무선 하드웨어

직비(Zigbee)가 사용하는 무선 설계는 아날로그 회로 단계를 거의 사용하지 않고 가능한 모든 곳에서 디지털 회로를 사용한다.^[23] 직비 인증 프로세스는 물리 계층의 요구 사항에 대한 완전한 유효성 검사를 포함한다. 이 표준은 비면허 2.4~2.4835 GHz (전 세계), 902~928 MHz (미주 및 호주) 및 868~868.6 MHz (유럽) ISM 대역에서의 작동을 명시한다. 2.4 GHz 대역에는 5 MHz 간격으로 16개의 채널이 할당되지만, 각 채널은 2 MHz의 대역폭만 사용한다. 무선 장치는 변조기에 들어가는 디지털 스트림에 의해 관리되는 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 코딩을 사용한다. 이진 위상 편이 변조 (BPSK)는 868 및 915 MHz 대역에서 사용되고, 심볼당 2비트를 전송하는 오프셋 직교 위상 편이 변조 (OQPSK)는 2.4 GHz 대역에서 사용된다.

무선, 공중 데이터 속도는 2.4 GHz 대역에서 채널당 250 kbit/s, 915 MHz 대역에서 채널당 40 kbit/s, 868 MHz 대역에서 20 kbit/s이다.^[38]

10. 장치 유형 및 작동 모드

직비 장치는 다음 세 가지 유형으로 나뉜다.

• '''직비 코디네이터(ZC)''': 네트워크 트리의 루트를 형성하고 다른 네트워크와 연결할 수 있는 가장 성능이 뛰어난 장치이다. 각 네트워크에는 정확히 하나의 직비 코디네이터가 존재한다. 네트워크에 대한 정보를 저장하며, 신뢰 센터 및 보안 키 저장소 역할을 한다.^[27][28]
• '''직비 라우터(ZR)''': 애플리케이션 기능을 실행하는 것 외에도 중간 라우터 역할을 하여 다른 장치로 데이터를 전달할 수 있다. 일반적으로 주전원으로 작동하므로 네트워크에서 항상 사용할 수 있다. 직비 라우터는 때때로 직비 리피터 또는 직비 범위 확장기라고도 한다.
• '''직비 최종 장치(ZED)''': 상위 노드(코디네이터 또는 라우터)와 통신하기에 충분한 기능만 포함되어 있으며, 다른 장치에서 데이터를 중계할 수 없다. 이 관계를 통해 노드는 상당한 시간 동안 절전 상태를 유지하여 배터리 수명을 연장할 수 있다. 일반적으로 배터리로 작동한다. ZED는 최소한의 메모리를 필요로 하므로 ZR 또는 ZC보다 제조 비용이 저렴할 수 있다.

11. 네트워크 계층

네트워크 계층의 주요 기능은 MAC 하위 계층의 올바른 사용을 보장하고, 상위 계층인 애플리케이션 계층에서 사용하기에 적합한 인터페이스를 제공하는 것이다. 네트워크 계층은 네트워크 연결, 해제 및 설정과 같은 네트워크 기능을 처리한다. 네트워크를 설정하고, 주소를 할당하며, 장치를 추가하고 제거할 수 있다. 이 계층은 스타, 메시, 트리 토폴로지를 사용한다.^[30]

전송 계층의 데이터 엔티티는 애플리케이션 계층의 지시에 따라 프로토콜 데이터 단위를 생성하고 관리하며, 현재 토폴로지에 따라 라우팅을 수행한다. 제어 엔티티는 새로운 장치의 구성을 처리하고 새로운 네트워크를 설정한다. 인접 장치가 네트워크에 속하는지 여부를 결정하고 새로운 이웃과 라우터를 발견할 수 있다.

네트워크 계층에서 사용되는 라우팅 프로토콜은 AODV이다.^[30] AODV는 목적지 장치를 찾기 위해 모든 이웃에게 경로 요청을 브로드캐스트한다. 이웃은 요청을 자신의 이웃에게 다시 브로드캐스트하며, 목적지에 도달할 때까지 계속한다. 목적지에 도달하면, 최저 비용 경로를 따라 소스로 다시 유니캐스트 전송을 통해 경로 응답이 전송된다. 소스가 응답을 받으면, 경로의 다음 홉의 목적지 주소와 관련된 경로 비용으로 라우팅 테이블을 업데이트한다.

12. 애플리케이션 계층

애플리케이션 계층은 규격에서 정의된 최상위 계층으로, 최종 사용자가 지그비 시스템을 효과적으로 사용할 수 있도록 인터페이스 역할을 한다. 이 계층에는 ''ZDO''(지그비 장치 객체)와 관리 절차, 그리고 제조업체에서 정의한 애플리케이션 객체가 포함된다. 이 계층은 테이블을 연결하고, 연결된 장치 간에 메시지를 전송하며, 그룹 주소를 관리하고, 패킷을 재조립하며, 데이터를 전송하는 기능을 수행한다.^[38]

12. 1. 주요 구성 요소

ZigBee 2006에서 추가된 서비스는 다음과 같다.

12. 2. 통신 모델

• '''키-값 쌍 서비스'''(KVP)는 구성 목적으로 사용된다. 이는 get, set 및 event 기본 요소를 기반으로 하는 간단한 인터페이스를 통해 객체 속성의 설명, 요청 및 수정을 가능하게 하며, 일부는 응답 요청을 허용한다. 구성은 XML을 사용한다.
• '''메시지 서비스'''는 애플리케이션 프로토콜을 조정할 필요성을 피하고 KVP에 의해 발생하는 잠재적 오버헤드를 피하여 정보 처리에 대한 일반적인 접근 방식을 제공하도록 설계되었다. 이를 통해 임의의 페이로드를 APS 프레임을 통해 전송할 수 있다.

12. 3. 통신 및 장치 검색

13. 보안 서비스

직비는 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 보안 통신을 수행하며, 암호 키 설정 및 전송 보호, 데이터 암호화 기능을 제공한다.^[31] 프로토콜 스택 내에서 서로 다른 네트워크 계층은 암호화적으로 분리되지 않으므로 접근 정책이 필요하다. 장치 내 개방형 신뢰 모델을 통해 키 공유가 가능하여 잠재적 비용을 줄일 수 있다. 프레임을 생성하는 계층이 해당 프레임의 보안을 책임지며, 악의적인 장치가 존재할 수 있으므로 모든 네트워크 계층 페이로드는 암호화되어 무단 트래픽을 즉시 차단할 수 있다. 예외적으로 네트워크 키는 새로운 연결 장치에 전송될 수 있다.

13. 1. 기본 보안 모델

13. 2. 보안 아키텍처

• MAC 하위 계층은 단일 홉 신뢰성 통신이 가능하다. 일반적으로 사용되는 보안 수준은 상위 계층에서 지정한다.
• 네트워크 계층은 라우팅을 관리하고, 수신된 메시지를 처리하며, 요청을 브로드캐스팅할 수 있다. 사용 가능한 경우, 발신 프레임은 라우팅에 따라 적절한 링크 키를 사용한다. 그렇지 않으면 네트워크 키가 사용된다.
• 애플리케이션 계층은 ZDO와 애플리케이션 모두에 키 설정 및 전송 서비스를 제공한다.

14. 시뮬레이션

ns-2, OMNeT++, OPNET, NetSim과 같은 네트워크 시뮬레이터는 IEEE 802.15.4 지그비 네트워크를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 이러한 시뮬레이터는 사용자가 수정할 수 있도록 C 또는 C++ 라이브러리의 오픈 소스 형태로 제공된다. 이러한 방식으로 사용자는 하드웨어 구현 전에 새로운 알고리즘의 유효성을 판단할 수 있다.

15. 일본 내 현황

일본은 전파법에 따라 ISM 밴드로 개방되어 있는 2.4GHz 대역만 지그비에 사용할 수 있다.^[1] 일본 기업들의 실험에 따르면, 통신 속도의 실측치는 최고 192Kbps이며 안정적인 통신은 144Kbps 정도로 제한된다고 보고되었다.^[1]

일본에서 지그비 기기를 사용하려면 해당 기기가 특정 무선 설비로서, 기술 기준 적합 증명 또는 공사 설계 인증을 통해 전파법에 규정된 기술 기준을 충족한다는 증명이 필요하다.^[1]

15. 1. 일본국 전파법 인증 취득 및 ZigBee 얼라이언스 인증 모듈

참조

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_[7] 웹사이트 ZigBee DotDot Dashes to Unify Connectivity Stacks http://electronicdes[...] 2017-01-18
_[8] 웹사이트 Who Made Matter? All you need to know about CSA https://smarthomesce[...] 2024-03-08
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_[11] 웹사이트 ZigBee Pro https://www.zigbee.o[...] ZigBee Alliance 2018-10-02
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