Cisco 솔루션으로 보는 IoT 활용사례

• 사물 인터넷 기술 : 수집 > 전송 > 정보화 > 서비스
  • 수집 : 센서, 엣지컴퓨팅
  • 전송 : 5G, 와이파이, 블루투스
  • 정보화 : 머신러닝, 빅데이터
  • 서비스 : 솔루션
• Cisco umbrella
  

  

  • openDNS 기반의 솔루션
  • DNS 단위로 트래픽을 분석, 클라우드를 이용한 모니터링
  • 기기 종류에 무관하게 사용 가능
  • 활용사례 : IoT시큐리티 해커톤 - 홈 네트워크 + umbrella 솔루션 결합
• CMX : Connected Mobile Expericences
  • 무선인프라에 기반한 위치 측위, 서비스 제공
  • 활용 : 위치정보, 알람 메시지, 자산관리 등

Day 7. IoT 프로그래밍 개념

• 실습 : Email 서버 구성하기
  

  

  • Email 서버 구성을 위해서는 PC, 서버측에 각각 계정을 설정해야 함
  • 서버 : Email 기능 활성화
    

    

    • 도메인명에 서버 도메인 (xxxxx@naver.co.kr할 때 @뒷부분)을 설정한다. 이후 set버튼을 눌러야 활성화
    • User setup에 ID/비밀번호를 설정 후 +를 눌러 계정을 추가한다.
  • PC : Desktop-Email에서 계정 설정
    

    

    • 위에서 순서대로 임의 이름, 설정할 이메일 주소, 메일이 수신/발신되는 서버(여기서는 하나의 서버만 사용하므로 공통), 계정 ID/PW를 설정
      

      

    • 완료 후 receive를 눌러 success가 뜨는 것을 확인
    • 메일은 Compose를 통해 보내고, receive를 눌러 메일 현황을 갱신 가능하다.
    • PC2@cisco.com으로 메일을 보낸 결과
      

      

    • 수신 시간이 5월 8일인 이유는 이메일 서버의 NTP기능에 의한 것
      

      

• 실습 : Blockly를 이용한 LED 깜빡이기
  • blockly application
    • 구글에서 만든 블록 프로그래밍 플랫폼
    • 쉬운 확장성, 단계별 실행
  • MCU를 더블클릭, Programming에서 블록 프로그래밍을 설정 가능하다
    

    

    • 크게 3가지 언어 - python, javascript, blockly - 를 사용 가능
      

      

    • 다음과 같이 프로그래밍함에 따라 1초 간격으로 LED가 꺼졌다가 켜지는 것을 볼 수 있다.

Day 6

• 미래의 네트워크 기술

  • 분산 발전

    • 수요지 근처에 소규모 발전설비를 이용하여 전력을 공급
    • 태양광, 수력, 연료전지, 폐기물발전, 풍력 등등
    • 장점 : 송배전 인프라 건설, 운영비용 절감, 시설 규모가 작아 부지 선정 부담감이 적음

  • ESS (Energy Storage System)

    • 증가하는 전기 사용량을 대비하기 위한 설비
    • 현재의 발전소 건설 기준(최고 사용량 기준)은 비효율적
    • 전기 수요가 적은 심야 시간에 전기를 대용량 저장 후, 사용량이 많을 때 활용
    • 안정적 전력 공급으로 새로운 발전소 건설 최소화
    • EMS(Energy Management System) : ESS에서 데이터를 수직하여 전력 수요량 예측

  • 수요자원 거래

    • 전력 수요자가 절약한 전기를 판매 가능한 시장
    • 수요 반응 제도 : 전기 요금 절감, 혹은 보상을 위해 전력 소비를 감축하는 행위
    • 전력거래소 - 수요관리사업자 - 고객 관계에서 고객과 관리사업자가 계약 후, 절약한 전기를 판매하여 수익 배분
    • 시장 구현을 위해서는 첨단 계량 인프라 구축 필요
    • 수집한 자원의 분석/실시간 제어 필요, 빅 데이터 처리를 위한 분석 기술 필요

  • 인공지능과 원격제어

    • 인공지능 : 기계학습(사람이 정한 규칙 내) / 딥러닝(컴퓨터가 스스로 학습)
    • 인공 인간 : 사람을 닮은 가상의 아바타, 사람의 상호 작용과 행동에 대해 연구 중

  • 그린 건축물

    • 에너지 효율 및 신재생에너지 사용 효율이 높은 건축물
    • 부자재 생산 및 시공이 친환경적이어야 함

  • 가상화 프로젝트

    • 도시 전체를 네트워크로 연결, 가상화하여 관리
    • ex. 싱가포르의 virtual singapore 프로젝트
      • 건물의 그림자 변화를 분석, 일조권 연구
      • 공기 흐름을 연구하여 도시 설계
      • 도시 변화에 대한 시뮬레이션

  • 커넥티드 카

    • V2X(Vehicle to Everything) : 차량이 주행 중에 도로나 교통 시설, 타 차량과 정보를 공유하는 기술
    • 스마트 시티가 구현되어야 완벽한 자율주행 구현 가능
    • 현재 자율주행 기술은 0~5단계 중 3~4단계 수준에 위치
• 디지털세계의 도전과 기회
  • 우리가 숙지해야 할 기술의 범위가 넓어짐
  • IoT 기술은 삶의 모든 분야를 변화
  • 인터넷은 지리적 장벽이 사라지고 있음
  • 전통적인 직업들을 새로운 직업으로 대체
    • 인공지능, 가상화 엔지니어, IoT 전문가 등
  • 미래의 사회
    • 조력자 : 기존 기술의 개발, 구현
    • 제공자 : IoT 서비스 설계, 고객에게 제공
    • 개선자 : 원래 서비스에 가치를 더하여 부가가치 서비스 재현
    • 비즈니스 인텔리전트(BI)
      • 기업에서 데이터를 수집, 분석, 정리하여 효율적 의사결정에 활용
      • 전략 인텔리전트 : 경영 성과,ㅡ 전략 실행 및 모니터링, 수익성 분석
      • 분석 인텔리전트 : 의사결정 모델, 업무 기능 및 보고서 작성, 조회
      • 확장 인텔리전트 : 기업 내-외부 이해관계자의 거래, 운영 프로세스에서의 데이터를 분석 및 정보 제공
    • 컴퓨터 정보 시스템 (IS)
      • 개인, 집단에게 유용한 정보를 주는 시스템
      • 정보시스템의 요소
        • 입력 : 데이터가 발생되는 곳에서 발생
        • 처리 : 사용자가 원하는 형태로 가공
        • 출력 : 문서/보고서의 원하는 형태로 제공
        • 저장 : 추후의 사용을 위한 저장
        • 통제, 피드백 : 정확하지 않은 정보가 산출될 경우, 입력이나 처리과정을 조절
    • 데이터베이스 관리 시스템 (DBMS)
      • 다수의 사용자들이 DB 내 데이터에 접근 가능하도록 하는 소프트웨어 도구
      • 기능 : 정의, 구축, 조작, 공유, 보호, 유지보수

Day 5

• IoT 활용 사례
  • 자율주행, 무인점포, 로봇 카페 : 사람의 개입이 필요 없는 자동화
    • 국제자동화협회 - 자율주행의 6단계
      • 0단계 : 전/후방 충돌방지장치
      • 1단계 : 차선유지, 크루즈 컨트롤
      • 2단계 : 특정 주행모드에서의 조향, 가/감속 조절
      • 3단계 : 특정 주행모드에서 차량의 자율주행
      • 4단계 : 자율주행 + 위험 발생 시 대응
      • 5단계 : 지역의 제한이 없는 완전 자율주행
  • 스마트홈 : 스마트 스피커를 이용하여 전등, 난방, 알람 등 제어
  • 스마트 빌딩 : 보안, 안전, 에너지, 편의 시스템을 센서를 이용해 모니터링 및 제어, 자율적으로 최적 운영
  • 안구 추적 시스템 : 점포 내에서 사람의 시선을 추적하여 고객의 구매 의향을 파악, 맞춤형 서비스 제공

• 자동화 vs 비자동화
  • 자동화 : 스케줄, 주변 환경에 맞추어 자율 조절
  • 비자동화 : 리모컨, 어플리케이션의 사용

• Case Study
  • 공장
    • 고객 상황
      • 모터 구동 장비에 높은 의존도
      • 스파이크 등 발생 시 모터 고장
      • 설비 상태의 가시성 x
      • 장애 발생시 다운타임 비용 소모가 큼
    • 목표
      • 설비 상태 모니터링 가시성 개선
      • 장애 응답시간 향상
      • 계획되지 않은 다운타임 감소
      • 생산성 향상, 비용 절감
    • 결과 : 장비 효율성 개선, 다운타임 감소
  • 차량 제조사
    • 문제점
      • 고가의 부품 추적 필요 (바디 도난, 실종시 손실 큼)
      • 비효율적 문서 기반 작업
    • 솔루션
      • 용접 전 바디에 태그 지정
      • 본넷 스캔을 무선화 - 차량 식별 번호를 태그와 매핑
      • 워크스테이션에서 본넷에 따른 작업 지침 확인
  • ExxonMobil : 정제가스 공급 업체
    • 문제점
      • 가스 누출 / 인력의 실시간 가시성 x
      • 밸브의 상태 확인 불가
      • 장비 성능, 기록 실시간 확인 불가
    • 솔루션
      • 무선 인프라 : 가스 감지, 압력, 진동, 온도, 위치 센서
      • 데이터브로커 + DB 등으로 시각화 제공
  • 유전
    • 상황
      • 전세계 유전이 수천개 존재
      • 유전의 품질에 대한 가시성 부족
      • 원유 분리 단계에서 물 혼합물 분리
      • 다운홀 발생시 유전 셧다운 필요
    • 목표
      • 실시간 생산 가시성
      • 생산 품질 - 데이터 간 상관관계 분석
      • 운영 효율 향상, 비용 절감
      • 컴플라이언스 입증
  • AMI 기반 전력 서비스 (한전)
    • EMS : 인버터 발전량, ESS 상태, 검침계 소비량 모니터링

• 통신의 3요소
  • 정보원 : 전달하고자 하는 정보 생성
  • 전달 매체 : 매체에 알맞게 변형된 정보 신호가 전달
  • 사용자 : 정보 수신자, 전달자
• 네트워크상의 정보의 종류
  • 데이터 : 유용한 정도에 상관없는 모든 정보
  • 정보 : 상황에 유용하도록 적합한 형식으로 가공된 정보
  • 지식 : 의도나 목적을 갖고 체계화되어 일반화된 정보
• 네트워크 정보의 특성
  • 정확성 : 정확하게 원하는 정보 제공
  • 시기적절성 : 사용자가 원하는 시간에 제공되며, 최신의 정보 제공
  • 접근성 : 공간/물리적으로 접근 용이
  • 경제성 : 경제적 이득을 취할 수 있어야 함
• 네트워크의 장점
  • 거리와 시간의 극복
  • 대용량 파일의 공동 이용
  • 고성능 컴퓨팅의 공동 이용
• 컴퓨터에 연결되는 요소
  • 사람, 프로세스, 데이터, 사물
  • 사물 : 내부 서버, 외부 환경과 상호 작용하는 모든 기술, 안정적이고 안전한 네트워크 플랫폼을 기반으로 전달되는 데이터
• 데이터
  • 우리 주위의 모든 것에 할당된 값
    • 변조 : 아날로그 > 디지털
    • 복조 : 디지털 > 아날로그
    • 모뎀 : 변/복조 장치, 아날로그 신호와 디지털 신호를 상호 변환
  • 데이터 관리 : 구조화된 데이터(파일, 레코드 내에 입력 및 유지) / 비정형 데이터(원시 데이터)

• ISP(Internet Service Provider)
  • 인터넷을 통한 데이터 전달
  • 개인/기업이 인터넷 접속을 위한 장치 제공
  • 여러 ISP가 상호 연결된 구간을 Backbone이라고 함.
  • 장거리 떨어져 있어도 라우터 간 연결을 통한 통신이 가능
• IP Addressing
  • 인터넷 통신을 위해서는 IP로 된 출발지와 목적지 주소가 필요 (유일성 담보)
  • IPv4가 원래 사용되었다가 주소 부족으로 IPv6 추가
• LTE
  • 10MHz 주파수 대역에서 최고 75Mbps 속도로 통신
  • LTE-A : 분산된 두 대역을 합쳐 통신, 20MHz/150Mbps
  • 광대역 LTE-A : LTE-A에 대역을 추가, 20+10MHz/225Mbps
  • 3band LTE-A : LTE-A에 대역 2개 추가, 20+10+10MHz/300Mbps 통신
• Wi-Fi
  • 무선 공유기만으로 통신 가능, 타 통신 대비 설치가 수월하고 저렴함
  • 사용자가 몰릴 경우 과부하 위험 존재, 공개적인 장소에 설치되어 사용되므로 보안 위험 존재
• 블루투스
  • 저전력에서 동작하여 소비전력이 낮음
  • 보안이 취약한 것이 단점 (블루투스가 켜진 장치를 해킹 가능)
  • 다른 통신 대비 전송 속도가 낮음
  • 블루투스를 이용한 비콘 통신으로 오프라인-온라인 간 경계를 허물 수 있음 (매장 내 길안내 등)
• NFC
  • 기존 RFID와 다르게 읽고 쓰기가 모두 가능
  • 통신 범위는 약 10cm, 페어링 없이 접촉만으로 통신 가능

• Packet Tracer 실습 : 조건에 따른 동작 구성하기
  

  

  • alt+클릭으로 IOT 기기들의 on/off 상태를 선택 가능하다.
  • 자동차의 경우 on 상태가 시동 켜짐을 의미하며, 이 때 배기가스의 양이 증가하게 된다.
  • 배기량이 증가 = 자동차가 도착했음을 가정하여, 차고지와 창문이 열리도록 설정한다.
  • 네트워크 설정 후, PC를 통해 IOT 서버로 접속한다.(desktop - web browser - 서버 IP로 접속)
    

    

  • 브라우저 상단의 Conditions로 접속한다.
    

    

  • add를 눌러, 조건의 이름, 조건, 동작을 설정한다.
    • packet tracer에서 자동차가 시동이 걸린 경우 배기가스 센서의 값은 약2.2로 상승하므로, 0.5 이상 증가하였을 때 window on이 true가 되도록(창문이 열리도록) 설정
      

      

    • 이후 자동차에 시동을 켜주면 창문이 열리는 것을 확인 가능하다.

      

    • 시동이 꺼진 경우 ( = 배기가스 센서 값이 감소한 경우) 에 대해서도 동일한 방식으로 창문이 닫히도록 설정해준다.

IOT 기기의 센서

• 센서는 인터넷에 연결되어 있어야 데이터 전송 가능
  • 센서 : 환경의 물리적인 값을 전기적 신호로 변환
  • 컨트롤러와 연결되기 위해서는 유/무선 인터넷 필요
• 컨트롤러의 역할
  • 센서의 데이터를 네트워크로 연결
  • 다른 컴퓨터로 전송하여 분석하도록 함
  • 의사결정의 역할
• 액추에이터 : 물리적 조작 역할
• 센서(정보) > 컨트롤러(판단) > 액추에이터(동작)
• IoT 기기는 저전력으로 센서의 가용성(시간)의 최적화, 최대화 필요

IoT기기의 핵심기술

• 저전력 네트워킹 : 저전력을 사용하는 통신기술
• 센서 데이터 최적화 및 관리 : 데이터의 경로 설정, 흐름 제어
• 저전력 임베디드 OS : 제한된 메모리의 HW에서 데이터 수집, 전송을 효율적으로 관리
• 전력 공급 및 저장 : 다양한 IoT 기기에 따른 고밀도 배터리, 무선 충전 기술
• 저가, 저전력 프로세서 : 단말기의 빠른 확산을 위한 가격 절감 필요

IoT기기의 데이터전송

• gateway 또는 서버에 접속하여 데이터 통신
• https, https 프로토콜을 이용하여 기기 간 통신 및 GUI 환경에서 기기 제어

IoT 시스템의 요소

• 특히 보안이 중요한 요소
• KISA의 경우 IOT 보안을 5가지 요소로 분류하여 인증
  • 인증 :사용자 인증, 인증정보의 안전한 사용, 제품인증
  • 암호 :안전한 암호 알고리즘 사용, 안전한 키 관리, 안전한 난수 생성
  • 데이터보호 : 전송·저장 데이터 보호, 정보흐름 통제, 안전한 세션관리, 개인정보 보호
  • 플랫폼보호 : 소프트웨어 보안, 안전한 업데이트, 보안 관리, 감사기록, 타임스탬프
  • 물리적보호 : 물리적 인터페이스 보호, 무단조작 방어

패킷트레이서 실습 : IOT 장치 연결

• 배터리, 기압계, LED, RFID, 전력계, 자동차, 태양광 패널 등 다수의 장치 지원
• 각 IOE 기기는 기본적으로는 유선 랜카드로 연결
  • advanced 설정을 통해 무선 혹은 이동통신(3G, 4G)로 연결되도록 변경 가능(W)
  • -CFE : 유선, -W : 무선, -3G/4G : 이동통신
    

    

• Gateway를 통한 무선연결
  

  

  • 패킷트레이서에서 무선연결은 기본적으로 자동 연결
  • 무선 연결이 안되는 경우 SSID 확인 (Gateway - device 간 SSID가 서로 일치하여야 함)

현대 인터넷 비즈니스

• OSI 1(물리), 2(데이터링크) 계층의 연결 구분
  • 유선 네트워크 : 모든 장치가 물리적 회선으로 연결
  • 무선 네트워크 : 일부 장치가 무선으로 연결
• 네트워크의 종류
  • BAN(Body Area Network) : 몸에 부착된 기기가 스마트폰과 연결
  • PAN(Personal Area Network) : 스마트폰 블루투스를 이용한 기기 연결(BAN과 구분 모호)
  • LAN(Local Area Network) : 집, 회사 등 한 영역에 한정된 네트워크, 라우터 단위 연결
  • WAN(Wide Area Network) : ISP-ISP 간 연결, LAN-LAN 간 연결
    • 클라우드 : 온라인 상에 자료를 공유, 동기화하여 최신 상태로 유지
    • 웹하드의 경우 단순한 자료 업/다운로드이므로 클라우드와는 차이가 존재
    • Fog Computing(=Edge Computing) : 데이터 발생 지점에서 데이터를 처리, 클라우드 컴퓨팅의 처리 부담을 경감

Packet Tracer 실습

• PC, 서버, 스위치, 라우터를 이용한 네트워크 구성
• PC는 스위치에 연결
• 라우터는 서버와 스위치에 연결
• PC 설정
  

  

  • 더블 클릭 후 Desktop-Ip configuration
  • IP address에 설정할 PC IP 입력(subnet mask는 자동 설정)
  • Default Gateway에 가장 가까운 라우터 IP 입력
  • 서버는 라우터에 직접 연결, 그 외에는 PC와 동일한 방법으로 설정
• 라우터 설정
  

  

  • Config-Interface-Ethernet
  • Port status의 on 체크, Ip address에 설정할 IP 입력
• 연결 확인
  • PC에서 dektop-command prompt로 이동하여 server, router 등의 ip로 ping xxx.xxx.xxx.xxx 명령어로 연결 확인
    

    

  • 우하단 패킷 트레이서 시뮬레이션 설정을 realtime에서 simulation으로 바꾸면 패킷의 이동을 확인 가능
  • 좌상단 메뉴의 add simple PUU를 통해 연결상태를 확인하고 싶은 기기를 각각 클릭하여 통신 상태 확인 가능
    

    

• • • config-wireless로 게이트웨이, 장치의 SSID 확인 후 일치하도록 설정
  • 무선 연결을 위해 IOT기기는 config-settings에서 IOT server에서 remote server로 설정, 서버 주소는 gateway로 설정, ID/PW는 기본값 admin/admin
    

    

• DHCP 서버를 이용한 유선 연결
  

  

  • 스위치를 중심으로 한 star topology
  • 서버 IP는 static으로 수동 설정
  • DHCP로 자동 설정 (서버 이용)
    • 서버 IP configuration에 static IP 설정
    • 서버 services - DHCP on, DNS값에 서버 IP 입력 후 add
      

      

    • 서버 services - DNS on, name에 서버 도메인, address에 서버 IP 입력 후 add
      

      

    • end device의 ip configuration에 DHCP 설정시 IP는 자동으로 연결됨
    • IOT 기기는 무선 연결과 동일하게 remote 서버 설정
• 연결 후 PC-desktop-browser에서 도메인/ip로 이동하면 연결된 IOT 기기 확인 가능
  

  

IOT

• 사물이 센서와 통신기기를 통해 연결되어 데이터를 주고받아 발생할 수 있는 모든 서비스와 기술

• (IDC korea, 2020/3/1) 2019 국내 IoT 플랫폼은 전년 대비 19.5% 증가, 23년까지 16.1% 증가 예상

• IoT 발전 전망(정보통신기획평가원) - 현재는 2단계 수준

  • 1단계(단말형) : 단순 sensor 수준
  • 2단계(연결형) : 사물-사물 간 통신 가능, 데이터 저장 및 관리 수준
  • 3단계(지능형) : 데이터 처리와 분석(머신러닝, 빅데이터)가 가능한 수준
  • 4단계(자율형) : 자동화 기반 자율 지능(진화학습) 및 자율협업 수준

• 5G서비스, 인공지능 , 기계학습, 스마트홈 등이 모두 IoT 서비스에 포함

  • AIoT(AI + IoT) : 어플리케이션 기반의 가전제품 조정
  • IIoT(Industrial IoT) : 산업용 물류, 제조 등에 적용
  • IOMT(Internet of Medical Things) : 스마트 기기를 이용한 통합치료
  • IOHT(Internet of Health Things) : 원격진료

패킷 트레이서의 활용

• 센서 입력시 동작 방식 : 단순 알람 or 이벤트 trigger
• 패킷 트레이서를 이용하여 센서값을 이용한 알람 및 기기간 trigger 동작을 분석 가능
• IoT 기기 간 연결 확인 및 control

4차 산업혁명의 영향

• 더 많은 사람들이 일상에서 스마트 기기의 사용을 편하게 생각함
• 온라인 서비스의 증가
• 데이터를 수집하는 센서가 늘어남
• 저장 및 분석할 데이터 양 증가 및 다양화
  • 산업 : 새로운 소비 경향 예측
  • 정보 : 공공 산업 계획
  • 도시 : 공공 시설 제어, 공공 서비스 신속화
• ex. 스페인 바르셀로나
  • 공공기반 시설의 제어를 위해 센서를 사용하여 주차 및 물 사용량 등에 활용

네트워크

• 네트워크는 인터넷의 기반 제공
• 무선 및 디지털 기술의 발전으로 통신 범위가 점차 확대
• 집에서의 단순한 구성부터 회사 조직 단위의 거대 네트워크까지 다양
• 사실상 인터넷 = 네트워크의 네트워크 (현존하는 가장 큰 네트워크)
• IBN, Intent Based Networking : 소프트웨어를 사용하여 네트워크에 연결된 장치 제어