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스마트홈 입문 가이드

스마트홈 네트워크을 펼쳐주는 허브에는 수 많은 IoT 디바이스가 붙어있다. 허브는  IoT 디바이스와 24시간 매일매일 끝없이 이야기하며 스마트홈을 돌아가게 만든다. 그런데 마치 사람들 사이의 언어처럼, IoT 디바이스들은 저마다 말하는 방법이 다르다. 이 것이 바로 프로토콜이다.

프로토콜의 뜻

프로토콜은 ‘네트워크 위에서 데이터를 주고 받는 표준’이다.

스마트홈에서 프로토콜은 허브가 IoT 디바이스와 이야기하는 도구로 쓰인다. 같은 프로토콜을 쓰는 디바이스끼리는 서로 이야기를 주고 받을 수 있다.

프로토콜은 서로 다른 쓰임새와 디바이스 에코시스템을 가지고 있으며, 스마트홈에서 맡는 일도 제각각이다.

스마트홈의 안에는 여러 프로토콜이 펼쳐져 있다.

IoT 디바이스는 저마다 다른 프로토콜을 쓰고 있다. 이처럼 서로 다른 프로토콜로 말하는 IoT 디바이스들이 스마트홈 안에서 서로 이야기 하는 것은 쉽지 않다.

서로 다른 프로토콜을 쓰는 IoT 디바이스들이 스마트홈 안에서 막힘없이 이야기하려면 프로토콜과 프로토콜의 사이를 잇는 허브가 있어야 한다.

SmartThings는 오픈 플랫폼으로서 수 많은 프로토콜을 서포트한다. 여러 프로토콜을 알아듣는 힘을 갖춘 SmartThings Hub는 서로 다른 프로토콜 사이의 이야기를 주고 받을 수 있게 만드는 일을 한다.

따라서 스마트홈의 안에 수 많은 프로토콜이 나란히 펼쳐져서 서로 이어질 수 있게 되었다.

설문조사 : 내가 쓰는 IoT 제품/센서의 프로토콜 - 스마트싱스 마이너 갤러리

프로토콜을 아는 것은 왜 중요할까?

프로토콜은 스마트홈 네트워크에 서로 다른 특징을 가지게 만든다. 그것은 프로토콜이 저마다 데이터를 나란히 줄세우고 읽고 쓰는 나만의 아키텍처와 로직을 가지고 있기 때문이다.

프로토콜의 아키텍처와 로직은 스마트홈의 많은 것들을 달라지게 만든다. 스피드, 퍼포먼스, 자동화, 유지보수, 네트워크의 튼튼함, 배터리의 오래감 등 스마트홈의 여러가지가 프로토콜에 따라서 달라진다.

따라서 나의 허브와 내가 사려는 디바이스에 어떤 프로토콜이 쓰이는 지 알아보는 것은 스마트홈에서 매우 중요하다.

그래서 어떤 IoT 프로토콜이 좋을까?

스마트홈 프로토콜 가운데 어느 하나의 프로토콜이 무조건 더 좋다고 말할 수는 없다.

프로토콜은 서로 다른 생김새와 쓰임새가 있다. 따라서 내 스마트홈에 어떤 프로토콜을 들일 지 알아보는 것이 좋다.

아래의 문단에서 프로토콜들이 스마트홈에서 어떻게 돌아가는지 알아볼 수 있다.

Zigbee 프로토콜

Zigbee(지그비)는 저전력 무선통신 프로토콜이다.

[지그비 문서로 이동하는 스싱갤노션 링크 여기에 첨부]

글로벌 IoT 표준으로 오늘날에는 IoT에서 매우 많이 쓰인다.

Zigbee는 허브와 여러 작은 디바이스의 모임이다. 허브는 네트워크를 뿌리며, 디바이스는 허브에 붙으면서도 서로 이야기를 주고 받아 네트워크를 만든다.

허브가 만들어낸 네트워크는 메시 네트워크이다. 그물처럼 서로 얽혀있는 메시 네트워크에서 Zigbee 디바이스는 허브와 이야기할 뿐만 아니라 같은 디바이스끼리도 이야기를 주고 받는다. 뿐만 아니라 Zigbee 디바이스는 스스로 리피터가 되어 허브로부터 받은 네트워크를 널리 뿌리기도 한다.

Zigbee 네트워크는 세계 어디에서나 같다. 주파수는 Wi-Fi랑 Bluetooth와 같은 2.4 GHz이다. 65000개의 노드가 붙을 수 있으며 한 번 네트워크 안에서 쏘아진 데이터는 256번까지 다시 건네줄 수 있다.

Zigbee 전파는 집 안에서 10m~100m 안으로 내보낼 수 있다. 리피터가 있으면 더 넓은 곳까지 퍼뜨릴 수 있다.

적은 전기만으로도 오래 돌아갈 수 있다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서 많이 쓰인다.

SmartThings는 Zigbee를 서포트한다.

미국과 유럽에서 주목받았으며 오늘날의 IoT에서 쓰인다.

Z-Wave는 허브와 여러 작은 디바이스의 모임이다. 허브는 네트워크를 뿌리며, 디바이스는 허브에 붙으면서도 서로 이야기를 주고 받아 네트워크를 만든다. Z-Wave 디바이스는 스스로 리피터가 되어 허브로부터 받은 네트워크를 널리 뿌리기도 한다.

Z-Wave 네트워크는 지역에 따라 다르다. 주파수는 800-900MHz의 사이에 나라마다 서로 다른 주파수를 가지고 있다. 한 번 네트워크 안에서 쏘아진 데이터는 4번까지만 다시 건네줄 수 있다.

Z-Wave에는 Z-Wave Classic과 Z-Wave Long Range로 나누어진다.

Z-Wave Classic은 232개의 노드가 붙을 수 있다.  Z-Wave Classic의 네트워크는 메시 네트워크이다. 그물처럼 서로 얽혀있는 메시 네트워크에서 Z-Wave 디바이스는 허브와 이야기할 뿐만 아니라 같은 디바이스끼리도 이야기를 주고 받는다.

Z-Wave Long Range는 4000개의 노드가 붙을 수 있다. Z-Wave Long Range의 네트워크는 Point-to-Point, P2P 네트워크이다.

Z-Wave 전파는 집 안에서 30m~50m 안으로 내보낼 수 있다. 리피터가 있으면 더 넓은 곳까지 퍼뜨릴 수 있다.데이터를 모두 4번까지만 건네줄 수 있으므로 리피팅을 줄이거나 디바이스를 더 가까운 곳에 붙이는 것이 좋다.

적은 전기만으로도 오래 돌아갈 수 있다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서 많이 쓰인다.

SmartThings는 Z-Wave를 서포트한다.

Thread 네트워크 레이어 프로토콜

Thread(스레드)는 저전력 무선통신 프로토콜의 네트워크 레이어이다.

인터넷 프로토콜을 베이스로 돌아가도록 만들어졌다. 오늘날의 IoT에서 쓰인다.

Thread는 혼자서는 쓸 수 없는 프로토콜이다. 그것은 네트워크 레이어만 있고, 애플리케이션 레이어가 없기 때문이다. Thread 디바이스를 페어링하려면 프로토콜이 대화하는 데에 있어야 하는 말의 모음집인 클러스터가 애플리케이션 레이어에 있어야 한다.

허브가 만들어낸 네트워크는 메시 네트워크이다. 그물처럼 서로 얽혀있는 메시 네트워크에서 Thread 디바이스는 허브와 이야기할 뿐만 아니라 같은 디바이스끼리도 이야기를 주고 받는다. 뿐만 아니라 Thread 디바이스는 스스로 리피터가 되어 허브로부터 받은 네트워크를 널리 뿌리기도 한다.

Thread 네트워크는 세계 어디에서나 같다. 주파수는 Wi-Fi랑 Bluetooth와 같은 2.4 GHz이다. 511개의  노드가 붙을 수 있으며 데이터를 모두 4번까지만 건네줄 수 있으므로 리피팅을 줄이거나 디바이스를 더 가까운 곳에 붙이는 것이 좋다.

Thread 전파는 집 안에서 10m~50m 안으로 내보낼 수 있다. 리피터가 있으면 더 넓은 곳까지 퍼뜨릴 수 있다.

저전력 프로토콜 가운데에서는 배터리를 많이 쓴다. Thread는 적은 전기만으로도 오래 돌아갈 수 있다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서 많이 쓰인다. Thread 센서는 가끔씩 슬립모드에 빠져 제대로 못 돌아가기도 한다. 슬립모드는 Thread의 절전 방법 가운데 하나이지만 네트워크에 24시간 붙어야 하는 자동화가 잘못 돌아가게 만들기도 한다. 

SmartThings는 Thread를 서포트한다.

Matter 애플리케이션

Matter(매터)는 여러 무선통신 프로토콜을 아우르는 애플리케이션이다.

베이스가 되는 프로토콜이 여러가지이다. 오늘날의 IoT에서 서서히 쓰이고 있다.

Matter는 Wi-Fi, Thread의 네트워크 아키텍처와 로직을 받아들인다. 프로토콜이 대화하는 데에 있어야 하는 말의 모음집인 클러스터를 그 위에 덧씌운다. 클러스터로 Wi-Fi, Thread 디바이스의 데이터를 주고 받는다.

전용 주파수 대역이 없다. 네트워크 레이어가 없기 때문이다. Matter의 주파수 대역은 네트워크 레이어로 들어오는 프로토콜을 따라간다.

Matter는 네트워크 레이어에 따라 Matter over Wi-Fi, Matter over Thread로 나뉜다.

Matter over Wi-Fi는 네트워크 레이어로 Wi-Fi를 쓰는 Matter 네트워크이다. Matter over Wi-Fi는 Wi-Fi 디바이스를 공유기에 페어링한다. 공유기는 허브에게 Matter 메시지 프로토콜을 건네준다.

Matter over Thread는 네트워크 레이어로 Thread를 쓰는 Matter 네트워크이다. Matter over Thread는 Thread 디바이스를 허브에 페어링한다.

전기는 네트워크 레이어에 따라 쓰이는 양이 다르다.

SmartThings는 Matter를 서포트한다.

HCA 표준 애플리케이션

HCA 표준(HCA Interface Specifications)은 여러 무선통신 프로토콜을 아우르는 애플리케이션이다.

클라우드를 베이스로 돌아가도록 만들어졌다. 오늘날의 IoT에서 쓰인다.

HCA 표준은 하나의 앱에서 서로 다른 다른 앱의 디바이스를 쓸 수 있게 만든다. 여러 플랫폼을 다이렉트로 붙여서 여러 클라우드의 데이터들을 하나로 모으는 다리가 된다. 그것은 Cloud to Cloud API를 베이스로 수 많은 프로토콜에서 나오는 데이터를 하나의 인터페이스로 표준화할 수 있는 데이터 모델을 가지고 있기 때문이다.

전용 주파수 대역이 없다. HCA 표준은 RESTful API로 클라우드에서의 이야기의 오고 감을 다루기 때문이다.

전기는 네트워크 레이어에 따라 쓰이는 양이 다르다.

SmartThings는 HCA 표준을 서포트한다.

Galaxy Find Network 애플리케이션

Galaxy Find Network(갤럭시 파인드 네트워크)는 여러 무선통신 프로토콜을 아우르는 애플리케이션이다.

베이스가 되는 프로토콜이 여러가지이다. 오늘날의 IoT에서 쓰인다.

Galaxy Find Network는 UWB, BLE의 네트워크 아키텍처와 로직을 받아들인다. 프로토콜이 대화하는 데에 있어야 하는 데이터 모델 API로 UWB, BLE 디바이스의 데이터를 주고 받는다.

Galaxy Find Network는 디바이스끼리 비콘 네트워크를 만들어 데이터를 주고 받게 한다.  가까이 있는 Galaxy Find Network 디바이스끼리 알아서 네트워크를 짜고 디바이스의 상태와 위치 데이터를 주고 받는다.

전용 주파수 대역이 없다. 네트워크 레이어가 없기 때문이다. Galaxy Find Network의 주파수 대역은 네트워크 레이어로 들어오는 프로토콜을 따라간다.

적은 전기만으로도 오래 돌아갈 수 있다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서 많이 쓰인다.

SmartThings는 Galaxy Find Network를 서포트한다.

Wi-Fi 프로토콜

Wi-Fi(와이파이)는 고전력 무선통신 프로토콜이다.

인터넷 프로토콜을 베이스로 돌아가도록 만들어졌다. 원시적인 IoT에서 쓰였으며 지금도 쓰인다.

Wi-Fi는 공유기에 페어링할 수 있다. 공유기의 데이터 주고 받기는 2가지 타입으로 나누어진다. 

첫번째는 클라우드와 데이터를 주고 받는 것이다. 공유기는 IP 네트워크를 타고 멀리 떨어져있는 클라우드와 데이터를 주고 받는다.

두번째는 허브와 데이터를 주고받는 것이다. 공유기는 서브넷을 만들어낼 수 있다. 이 서브넷에 Matter 메시지 프로토콜을 흘려보내 Thread 허브와 페어링한다. 공유기는 Matter 메시지 프로토콜을 허브에게 건네준다.

많은 전기가 쓰인다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서 쓸 수 있기는 하지만 나쁜 배터리 효율을 가진다.

SmartThings는 Wi-Fi를 서포트한다.

KNX 프로토콜

KNX(케이엔엑스)는 저전력 통신 프로토콜이다.

유선으로 돌아가는 EIB System과 무선으로 돌아가는 KNX RF로 쓸 수 있다. 오늘날의 IoT에서 유럽의 빌딩 IoT에 쓰인다.

KNX는 네트워크는 케이블로 이어지거나 KNX RF로 무선 신호를 보낸다. 가운데에 서버가 있기도 하며, 없어도 쓸 수는 있다.

KNX는 커플러로 라인 케이블의 트래픽 커버리지를 늘리고 더 많은 디바이스를 페어링할 때가 많다. 커플러는 IP 커플러와 TP 커플러로 나누어진다.

KNX 케이블의 스피드는 9.6 kbps로 매우 느리며 트래픽이 몰리기 쉽다. 그래서 커플러를 쓸 때는 라우터 필터링이 있어야 한다. 라우터 필터링은 트래픽을 잘게 쪼개는 것으로 커플러의 최적화와 ETS 소프트웨어의 논리 프로그래밍을 베이스로 하는 네트워크 짜기를 거치는 것이다.

적은 전기만으로도 오래 돌아갈 수 있다. 배터리로만 돌아가는 디바이스에서도 쓰인다.

SmartThings는 KNX를 서포트하는 서버 디바이스들을 서포트한다.

IoT 프로토콜을 어떻게 써야 될까?

먼저 여러 IoT 프로토콜을 서로 맞대어보고 나에게 좋은 것을 찾아서 쓰는 것이 좋다. 아래의 테이블에서 IoT 프로토콜 사이의 다른 점을 빠르게 알아볼 수 있다.

Zigbee는 메인 프로토콜로 쓰기 좋다

Zigbee는 저전력 배터리 디바이스에서 높은 퍼포먼스를 보이면서도 끈끈한 메시 네트워크를 만들어서 커버리지를 늘리기 좋고 끊김이 적다. 로컬로도 돌아가기 때문에 인터넷이 끊겨도 돌아갈 수 있다. SmartThings에도 쉽게 붙일 수 있다.

Wi-Fi와 같은 주파수 대역에 있어 채널간섭 문제가 있을 수 있지만, 짧게 짧게 데이터를 건네주면서 이 것을 줄인다. 주파수를 깔끔히 나누는 채널 튜닝으로 주파수를 디테일하게 옮길 수도 있다.

따라서 Zigbee는 스마트홈의 메인 프로토콜로 쓰는 것이 좋다.

Z-Wave는 몇몇 IoT 디바이스를 붙이는 서브 프로토콜로 쓰기 좋다

Z-Wave는 저전력 배터리 디바이스에서 높은 퍼포먼스를 보이고 끈끈한 메시 네트워크를 만들어서 커버리지를 늘리기 좋고 로컬로도 돌아가기 때문에 인터넷이 끊겨도 돌아갈 수 있다. SmartThings에도 쉽게 붙일 수 있다. Wi-Fi와 같은 주파수 대역에 없어 채널 간섭에서 자유롭다.

Z-Wave는 페어링에 까다롭다. 이것은 Z-Wave가 나라마다 서로 다른 주파수를 쓰기 때문이다. 따라서 한국의 Z-Wave 허브에 다른 나라의 Z-Wave 디바이스를 페어링 할 수 없다. 게다가 데이터를 4번까지만 건네주기 때문에 허브로부터 디바이스가 멀리 떨어지지 않고 커버리지 안에 닿게 두어야 한다.

따라서 Z-Wave는 스마트홈의 서브 프로토콜로 쓰는 것이 좋다.

Thread는 애플리케이션 레이어가 Matter일 때만 써야 한다

Thread는 Matter over Thread를 애플리케이션 레이어로 썼을 때 페어링의 까다로움으로부터 벗어나게 된다.

Thread는 페어링에 까다롭다. 이것은 Thread가 애플리케이션 레이어에 크게 휘둘리기 때문이다. Thread는 서로 다른 애플리케이션 레이어가 올라갈 수 있어 수많은 클러스터가 제각각 나뉘어있다. 클러스터가 달라지면 같은 Thread 네트워크 안에서도 서로 알아 듣지 못한다. 그래서 Thread는 애플리케이션 레이어마다 네트워크가 뿔뿔히 흩어져 버렸다.

이렇게 까다로운 Thread를 아무도 쓸 생각을 하지 않았지만, 다행히도 Matter에서 Thread의 애플리케이션 레이어를 서포트해서 어느 정도는 덜 까다로워졌다.

따라서 Thread는 애플리케이션 레이어를 Matter로 골라서 써야 한다.

Matter는 몇몇 IoT 디바이스를 붙이는 서브 프로토콜로 쓰기 좋다.

Matter는 저전력 배터리 디바이스에서 높은 퍼포먼스를 보이면서도 끈끈한 메시 네트워크를 만들어서 커버리지를 늘리기 좋고 끊김이 적다. 로컬로도 돌아가기 때문에 인터넷이 끊겨도 돌아갈 수 있다. SmartThings에도 쉽게 붙일 수 있다.

Matter는 공유기에 부담을 준다. 디바이스들이 네트워크 위에 올라가면 갈 수록 공유기의 퍼포먼스가 낮아진다. 이 것은 스마트홈 네트워크 뿐만아니라 Wi-Fi의 퍼포먼스까지 낮춘다. Thread의 슬립모드에 빠지면 할 일을 안하고 리포팅과 자동화가 멈추기도 한다.

Matter는 Windows, Android 등의 OS에서 페어링 해야 안전하게 쓸 수 있다. Matter의 페어링에 쓰이는 자격증명에는 디지털 사인과 EC키의 쌍이 쓰인다. 애플은 어떤 앱을 쓰더라도 자사의 클라우드 스토리지에 이것을 받아두도록 강제한다. 이 때 개인정보가 인터넷으로 흘러 들어가는 것은 물론 해킹에 노출될 수 있다. 클라우드에 기대지 않아도 되는 것을 기대며 만들어진 Matter의 자격증명이 다른 OS와의 호환되지 않아 파편화를 불러온다. 따라서 Windows, Android와 같이 이 프로세스를 거치지 않는 다른 OS에서 페어링 하는 것이 좋다.

따라서 Matter는 스마트홈의 서브 프로토콜로 쓰는 것이 좋다.

Galaxy Find Network는 메인 프로토콜로 쓰기 좋다

Galaxy Find Network는 저전력 배터리 디바이스에서 높은 퍼포먼스를 보이면서도 끈끈한 메시 네트워크를 만들어서 커버리지를 늘리기 좋고 끊김이 적다. 로컬로도 돌아가기 때문에 인터넷이 끊겨도 돌아갈 수 있다. SmartThings에도 쉽게 붙일 수 있다.

Galaxy Find Network는 디바이스의 위치 찾기와 사람이 어떤 공간에 있는 지 살펴보는 데에 있어 좋다. 디바이스가 오프라인에 빠지더라도 여러 Samsung Galaxy들의 도움을 받아 유저에게 데이터를 보낼 수 있으며 쉽게 네트워크를 짤 수 있다.

저전력으로 돌아가서 배터리 디바이스에서 쓰기 좋으며, 스마트홈에서 사람의 위치에 따른 자동화가 된다. 따라서 스마트홈을 쓰는 데에 도움이 된다.

따라서 Galaxy Find Network는 스마트홈의 메인 프로토콜로 쓰는 것이 좋다.

Wi-Fi은 몇몇 IoT 디바이스를 붙이는 서브 프로토콜로 쓰기 좋다.

Wi-Fi는 SmartThings의 로컬 Wi-Fi, Matter over Wi-Fi 같은 통신 방식에서 좋지만, 스마트홈 디바이스 사이의 데이터의 주고 받음에서는 쓰는 데에 어려움을 준다.

Wi-Fi는 스마트홈에서 쓸 때 스피드가 가장 느리다. Wi-Fi 프로토콜은 빠른 스피드와 넓은 주파수를 가지지만, 데이터가 클라우드로 보내지는 프로세스가 가장 길고 복잡한 알고리즘을 지나야 하기 때문이다. 클라우드에 기대지 않아도 되는 것을 기대는 것은 스마트홈에 나쁘다. Wi-Fi는 전력을 많이 써서 저전력 디바이스나 배터리 베이스의 센서에 안좋으며 스마트홈 디바이스의 관리에 수고로워진다.

따라서 Wi-Fi는 스마트홈의 서브 프로토콜로 쓰는 것이 좋다.

KNX는 새로운 빌딩을 지을 때 쓰기 좋다.

KNX는 케이블 시스템으로 데이터를 다이렉트로 주고 받을 수 있어 믿을 만 하고, 네트워크를 두 눈으로 보고 알기 쉽다. 한편으로는 건물에 뻗친 케이블 시스템이기 때문에 공사를 해야 하고, 새로운 디바이스를 스마트홈에 더하거나 이미 깔려있는 스마트홈의 로직을 바꾸기 어렵다

자동화를 짤 때 때때로 소켓 프로그래밍과 최적화 기법을 적용하는 디자인 패턴의 지식이 있어야 한다.

따라서 KNX는 새로운 빌딩을 지을 때 쓰는 것이 좋다.

스마트홈을 지을 계획 세우기

지금까지 스마트홈을 지을 때 알아보면 좋은 것들을 알아보았다. 이제는 나만의 스마트홈을 지을 수 있다

스마트홈을 지으려면 스마트홈을 지을 청사진을 만드는 것이 좋다. 집을 지을 때도 청사진이 필요하듯이, 스마트홈을 지을 때도 어느 정도는 청사진이 있어야 시행착오를 덜면서 내가 짓고 싶은 스마트홈을 만들 수 있다.

다음 글인 스마트홈을 지을 계획 세우기 에서 알아볼 수 있다