IoT 작동 시스템

IoT용 작동 시스템

그러므로 짧은 기간 동안 다수의 개발 플랫폼이 등장해 개발자와 제조업체 등을 유혹하기 위해 경쟁하고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 기기가 점점 더 작아지는 추세에 따라 유비쿼터스 인터넷 연결성이 최우선 순위로 떠올랐고, 시장에서는 IoT 애플리케이션을 위한 하드웨어 플랫폼이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 그러나 대규모로 배포하려면 신속한 개발 툴, 표준화, 간편한 유지 관리, 다양한 하드웨어 플랫폼에 대한 이식 가능성을 갖춰야 합니다. 하드웨어 독립적인 강력한 작동 시스템만이 이러한 기능을 제공할 수 있습니다. 새로운 기술 패러다임의 진화를 주도하고 이해 관계자의 요구를 충족하기 위해 애플리케이션의 가용성을 제어할 수 있는 작동 시스템이 지배력과 영향력을 가진다는 사실을 Windows, Apple iOS, Android 등에서 확인할 수 있습니다. 수많은 공급업체에서 유사한 지배력을 갖기 위해 경쟁하고 있습니다.

이 기사에서는 IoT용 작동 시스템 고유의 주요 요구 사항을 알아보고 기기/엔드 노드용 및 게이트웨이용 시스템의 차이를 설명합니다. 또한 현재 출시된 주요 OS 플레이어, 시장 점유율 추세, 오픈 소스 및 독점 시스템의 상대적 인기도를 평가합니다.

IoT용 작동 시스템에 대한 고려 사항

개인용 컴퓨터나 모바일 기기와는 달리 IoT 시스템의 아키텍처는 다수의 엔드 노드(예: 센서)를 원격 클라우드 플랫폼에 차례로 연결되는 집계 장치(게이트웨이)에 연결합니다. 그림 1에서 IoT 시스템을 단순화해서 보여줍니다.

 
그림 1: IoT 시스템 – 센서부터 애플리케이션까지

센서 노드와 형상 요소의 기능 및 타겟 애플리케이션은 상당히 다양하며, IoT 구현에 사용할 특정 작동 시스템의 적합성에 대한 컨텍스트를 생성합니다. IoT용 OS는 다음과 같은 주요 특성과 요구 사항에 따라 차별화됩니다:

• 작은 메모리 공간 – 센서 노드는 보통 크기가 작으며 이용 가능한 메모리 용량도 제한되어 있습니다. 이로 인해 OS의 메모리 공간도 제한됩니다.
• 실시간 동작 능력 – 의료 기기, 자동차 제어, 보안 시스템처럼 매우 중요한 IoT 애플리케이션에서는 정확한 타이밍이 필수입니다. 그러므로 IoT의 OS는 산업 환경에서 사용하는 실시간 작동 시스템과 비슷하게 작동해야 합니다.
• 에너지 효율적인 작동 – 센서 노드는 전력 소모가 적은 것이 특징이며 배터리로 작동하는 경우도 많습니다. 더구나 일반적으로 배터리를 교체할 때 상당한 비용이 발생하므로 OS의 에너지 효율이 높아야 합니다.
• 하드웨어 독립적 작동 – 여러 IoT 애플리케이션에서 사용할 수 있는 다양한 하드웨어 플랫폼이 개발됨에 따라 OS는 여러 플랫폼을 지원하여 상호 연결을 단순화하고, 표준화를 유도하고, 소유 비용을 낮출 수 있어야 합니다.

   

• 네트워크 연결 및 프로토콜 지원 – IoT 기기는 네트워크 및 기기에 즉시 연결하여 연결을 유지할 수 있어야 합니다. Wi-Fi, 셀룰러, 블루투스 등의 다양한 연결 프로토콜을 지원하여 이러한 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 작동 시스템은 연결 프로세스를 단순화해야 합니다.
• 안전 – IoT용 OS는 민감하고 중요한 설정에서 배포되므로 엄격한 보안 기대치를 준수하고 깐깐한 요구 사항을 충족해야 합니다.
• 생태계 및 애플리케이션 개발 – OS를 애플리케이션 개발용 생태계로 어느 정도까지 활용할 수 있느냐에 따라 개발 속도 및 시장 진입 시간이 크게 달라질 수 있습니다. OS에 IoT 애플리케이션을 쉽게 개발하고 배포할 수 있게 해주는 툴킷이 포함되어 있다면 확실히 유리할 것입니다.

  센서 엔드 노드는 센서 또는 작동자로서 기능하며 기본적인 수준에서 데이터 전송과 수신을 수행합니다. 반면 게이트웨이는 라우팅, 데이터 형성, 의사 결정 같은 데이터 서비스를 제공합니다. 동시에 센서, 작동자, 기타 임베디드 시스템 등의 다운스트림 기기를 보호하는 방화벽 역할을 사기도 합니다. 게이트웨이는 실제 기기와 가상 IT 환경을 연결하는 중요한 역할을 합니다. 새로운 세대의 IoT 게이트웨이를 통해 처리 속도를 향상하고 새로운 작동 모델을 지원할 수 있는 기회가 열립니다. 게이트웨이는 완전한 온 보드 처리 기능을 통해 일상적인 정보를 걸러 내고 중요한 이벤트에만 알림을 전송할 수 있습니다. 또 실시간 데이터에 대해 자체 분석 및 작업을 수행하고 독립적인 조치를 취하므로 사람의 개입을 최소화합니다. 이러한 중요한 기능을 수행하려면 OS가 게이트웨이 수준의 추가 요구 사항을 충족해야 합니다.

   

• 프로토콜 지원 및 데이터 브리지 – 게이트웨이 OS는 다양한 유선(USB, 직렬, 이더넷 등) 및 무선(Wi-Fi, BT, ZigBee, LoRA 등) 프로토콜을 지원해야 하며 HTTP 외에도 CoAP, MQTT, UDP와 같은 일반적으로 전송 오버 헤드가 낮은 웹 프로토콜을 지원해야 합니다.
• 데이터 집계, 로컬 처리 및 저장 – 게이트웨이 OS는 실시간 의사 결정 과정을 지원하여 클라우드로 나가는 데이터의 양을 최소화해야 합니다(예: 빌딩 관리 또는 비디오 감시 시스템).
• 안전 – 게이트웨이 OS는 하드웨어와 네트워크 수준을 모두 보호하는 안전성을 갖춰야 합니다. 암호화, SSL/TLS 인증 관리, 사용자 인증, VPN 연결, 방화벽, 애플리케이션 화이트리스트 지원은 필수입니다.
• 클라우드 기반 IoT 플랫폼과의 안정적인 통신 – 게이트웨이 OS에는 네트워크 중단 시 전송을 백업하고 데이터와 기기를 관리하는 기능이 필요합니다.
• 단말 기기 관리 – 게이트웨이의 주요 기능은 단말 기기 관리이므로 OS가 원격 업그레이드와 프로비저닝, 기기와 클라우드의 양방향 통신을 지원해야 합니다. 또 게이트웨이와 단말 기기를 설정하는 웹 기반 툴을 지원해야 합니다.

엔드 노드와 게이트웨이에서 어떤 작동 시스템을 선택하느냐에 따라 IoT 구현의 기능과 유연성이 현저히 제한되거나 크게 개선될 수 있습니다. 그러므로 OS를 선택할 때 IoT 시스템의 현재와 미래의 요구 사항을 꼼꼼하게 평가하는 것이 중요합니다. 구현 팀의 기술과 애플리케이션 요구 사항에 따라 상용으로 판매되는 OS와 직접 작성할 수 있는 오픈 소스 OS를 모두 실행할 수 있습니다. 다음 섹션에서 IoT OS 시장을 살펴보겠습니다.

IoT OS 시장 현황

그림 2는 "IoT에 어떤 작동 시스템을 사용하고 있습니까?"라는 설문조사 결과를 보여줍니다. 응답자의 70%가 Linux를 사용한다고 했으며 기타 주류 OS를 사용한다는 응답자의 비율은 한 자릿수로 나왔습니다. Windows Embedded가 큰 격차로 2위를 차지했습니다. 애플리케이션 공간을 효율적으로 다루기 위해 하나 이상의 OS로 IoT 생태계를 구성하는 것은 흔한 일입니다.
 
그림 2: IoT 기기에 사용하는 작동 시스템에 대한 설문 결과 
(출처: IoT Developer Survey 2016)

IoT 게이트웨이 작동 시스템은 이제 다양한 개발 툴과 환경을 제공/지원하면서 전체 소프트웨어 생태계를 만들어가고 있습니다. IoT 데이터와 보안, 통신 프레임워크 통합 및 가상화 등이 소프트웨어 생태계에 포함됩니다. 현재 전체 임베디드 프로젝트 중 20% 미만에 사용되는 가상화가 특히 매력적인 분야입니다. Linux와 Windows처럼 기능이 많은 전통적 작동 시스템에서 이러한 기능을 제공합니다.

게이트웨이 OS 시장에서는 Linux가 우위를 점하고 있습니다. 임베디드 Linux는 다음과 같은 주요 플랫폼 특징 덕에 인기를 얻었습니다. 신뢰성, 구성 용이성, 임베디드 기기에 필요한 저전력 및 속도 요건 충족 기술적 특성 외에도, 임베디드 Linux는 "개방성"과 무료로 기여하는 방대한 개발 전문가 군단의 혜택을 IoT에 가져왔습니다. 여타 오픈 소스 운영 체제와 마찬가지로 Linux 역시 전통적인 독점 기술과 비슷한 수준의 투명성을 제공합니다. 이러한 투명성 덕분에 Linux는 매우 유연하고 특정한 목적에 맞도록 간편하게 사용자 정의할 수 있습니다. 독점적 작동 시스템을 애플리케이션 요건에 맞게 수정하려면 엄청난 추가 비용이 발생합니다. 임베디드 Linux 배포판은 전체 소스 코드를 보유하고 있으므로 특정한 필요에 맞게 사용자 정의하는 작업을 훨씬 간단히 수행할 수 있습니다. 이러한 유연성에 기기 전반에서의 동작 일관성과 아키텍처 계층 및 물리적, 가상, 클라우드 배포 환경이 결합된 덕에 Linux가 IoT OS 시장을 선도할 수 있게 되었습니다.

Windows 10 IoT Core는 Microsoft에서 가장 최근에 선보인 임베디드 개발용 OS입니다. 다른 독점적 시스템처럼 Windows 또한 규격화된 기능을 갖추고 있으며 서버와 기업 시스템에 손쉽게 통합할 수 있습니다. 이를 통해 출시 시간이 매우 단축되며 전문적인 지원을 제공할 수 있습니다. 크기와 유형이 다양한 애플리케이션(IoT 코어, IoT 엔터프라이즈 및 IoT 모바일 엔터프라이즈)에 적합하도록 여러 버전으로 제공되므로 어려운 작업을 거치지 않고서도 다양한 기기 형상 요소와 자료에 적응합니다. Android는 소비자 및 휴대기기 시장을 장악하고 있지만 임베디드 시장에서는 여전히 떠오르는 OS입니다. 앞으로 몇 년 동안 Android의 점유율이 증가할 것으로 예상됩니다.

전통적인 OS는 하드웨어가 제공하는 제한된 자료만 가지고는 실행이 불가능하므로 로우엔드 IoT 기기에는 적합하지 않습니다. 또한, 무선 지지물 같은 일부 기능을 작동 시스템 없이 자력으로 구축하는 것은 어려운 일입니다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위해 공간을 적게 차지하는 실시간 작동 시스템(RTOS)이 등장했으며 공식적인 OS가 없던 애플리케이션에서 이 OS를 채택하는 경우가 증가하고 있습니다. FreeRTOS, mbed, Contiki, TinyOS와 같은 오픈 소스 버전의 여러 RTOS가 개방성을 장점으로 내세워 빠르게 성장하는 중입니다. 상용 RTOS 시장에서는 Micrium의 µC/OS가 다양한 IoT 애플리케이션에 사용됩니다(출처: UBM 2015 Embedded Markets Study). 아래 표는 엔드 노드에 사용되는 다양한 비 전통적 오픈 소스 OS의 아키텍처와 기능을 비교해서 보여줍니다.

표 1: IoT 센서 노드에 대한 잠재적 오픈 소스 OS 개요

(1) 대상 기기 클래스 정의
a. 클래스 0: 데이터 크기 << 10kB(예: RAM) 및 코드 크기 << 100kB(예: 플래시),
b. 클래스 1: 데이터 크기 ~10kB(예: RAM) 및 코드 크기 ~100kB(예: 플래시), 및
b. 클래스 2: 데이터 크기 ~50kB(예: RAM) 및 코드 크기 ~250kB(예: 플래시)
(2) Mbed는 실시간 구현에 필요한 지원 옵션을 제공합니다.

전통적인 작동 시스템와 새로운 작동 시스템 모두 IoT의 미래 구체화하고 있습니다. IoT 개발이 눈부시게 빠른 속도로 진행되고 있기는 하지만 여전히 초기 단계에 머무르고 있습니다. 구현이 점점 복잡해지고 여러 OS에서 더욱 다양한 기능 세트를 제공함에 따라, 표준화 및 애플리케이션 독립적인 RTOS가 더 많이 등장할 것입니다.

IoT용 OS를 선택할 때 확인할 사항

가장 먼저 애플리케이션의 요구 사항을 확인하고 해당 요구 사항에 맞는 기능을 가진 OS를 찾습니다. 아래는 IoT용 OS를 선택할 때 OS의 기능과 IoT 애플리케이션의 요구 사항을 효과적으로 비교하기 위한 기준 목록입니다.

1. 애플리케이션에 실시간 성능이 필요합니까, 결정론적 성능이 필요합니까? – "실시간"은 "고속"을 의미하지는 않으며 오히려 예측 가능하거나 결정론적이라는 의미입니다. 이벤트에 대한 애플리케이션의 응답 및 타이밍의 영향에서 실현하고자 하는 예측 가능성의 수준을 고려하는 것이 중요합니다. UBM 조사에 따르면 상용 작동 시스템을 선택하는 가장 큰 이유는 실시간 기능이라고 합니다.

2. 어떤 자료(메모리, 처리 용량 등)을 이용할 수 있습니까?

a. 메모리: OS 또는 RTOS를 고려할 때 크기를 중요하게 검토해야 합니다. OS가 처리장치(MCU 또는 MPU)의 내부 메모리에 맞지 않으면 값비싼 외부 메모리를 추가해야 합니다. 컴포넌트를 추가하면 기기의 형상 계수와 BOM 비용이 상승합니다.

b. 메모리 관리 장치(MMU): 센서 노드에 사용되는 소형 MCU는 캐싱, 메모리 분배, 보호를 관리하는 MMU를 대부분 지원하지 않습니다. 메모리를 효율적으로 관리해서 추가적인 코딩을 최소한으로 줄여주는 RTOS를 선택해야 합니다.

c. 처리 용량: 최적의 작동 시스템을 결정할 때 CPU 처리 능력도 중요합니다. 프로세서가 런타임 애플리케이션과 OS를 무리없이 지원할 수 있는 공간을 충분히 갖고 있어야 합니다. IoT 시스템의 핵심 요건인 예측 가능한 성능을 보장하기 위해서입니다.

3. 어떤 안전 요구 사항을 갖고 있습니까? 최우선 고려 사항인 안전은 하드웨어, OS, 네트워크 계층을 모두 생각해야 합니다. RTOS나 OS 내의 안전 기능에는 통합 보안 소켓 레이어(SSL), 온칩 안전 및 암호화 엔진용 드라이버, 안전 부팅 기능, 무선 인증 프로토콜 지원 등이 있습니다.

4. 기기의 전력 공급 방법이 무엇입니까? 센서 노드처럼 배터리로 작동하는 시스템에서는 전력 효율성을 중요하게 살펴봐야 합니다. 어떤 경우에는 10년 이상 지속되는 배터리가 필요합니다. 전력 소모량은 하드웨어에 의해 좌우됩니다. 그러나 전력 관리 기능을 지원하는 OS를 사용하면 애플리케이션을 효율적으로 관리하여 열 발산을 개선하고 배터리 수명을 향상할 수 있습니다.

5. 어떤 하드웨어를 사용합니까? 다양한 도메인과 네트워크에 걸친 기기를 통합하는 것이야말로 IoT의 진정한 가치입니다. 그러므로 다양한 종류의 하드웨어 플랫폼이 지원되어야 합니다(예: 8비트 Atmel® AVR®, ARM® Cortex®-M, TI MSP430TM, 등.). 선택한 OS가 다양한 플랫폼을 지원해야 하며, 플랫폼 사이에서 IP를 효율적으로 재사용해야 출시 시간을 최소화할 수 있습니다. 우수한 하드웨어 추상화 레이어를 사용하는 OS는 새로운 하드웨어 플랫폼에도 쉽게 적응하며 코드 마이그레이션도 훨씬 간편하게 처리합니다.

6. 통신과 네트워킹 요구 사항이 무엇입니까? IoT 시스템은 표준화된 통신 프로토콜을 통해 상호 작동할 수 있습니다. TCP/IP 프로토콜은 데이터 오버 헤드 및 전력 소모 측면에서 로우엔드 기기에 적합하지 않습니다. CoAP 및 6LoWPAN과 같은 오버 헤드 프로토콜은 제한된 환경에서 매우 효율적이며 작동 시스템은 이러한 프로토콜을 지원해야 합니다.

7. 기업 시스템에 상호 작동성이 필요합니까? 기업 시스템과 현장 기기의 통합에 사용되는 프로세스와 시스템을 반드시 고려해야 합니다. 기업 시스템에 Microsoft가 대규모 설치된 경우에 Microsoft Windows를 선택하면 많은 장점을 누릴 수 있습니다.

위에 언급된 질문을 효율적으로 고려하면 흔한 실수를 피할 수 있으며, 구현 중 변경 사항을 추가하여 값비싼 비용을 추가할 필요가 없습니다.

요약

IoT 프로젝트를 성공적으로 이끌려면 작동 시스템 선택에 신중을 기해야 합니다. IoT 공간용 OS가 다양하게 있으므로 PC 또는 전화 등의 기타 설정과 IoT의 특징적 요구 사항을 비교하여 바르게 이해하는 것이 중요합니다. 특정 OS가 IoT 생태계의 컴포넌트에 적합한지를 신중하게 고려합니다. 현재 게이트웨이 OS 시장에서는 Linux가 우위를 점하고 있습니다. 오픈 소스 및 상용 시스템이 널리 보급됨에 따라, 개발의 자유로움과 신속한 시장 출시 정도에 따라 최종 결정을 내릴 수 있습니다. IoT 분야에서 지금까지 특정 작동 시스템을 사용하지 않던 센서 기기가 공간을 적게 차지하는 OS를 채택하는 경우가 증가하고 있습니다. 현재 IoT 엔드 노드를 대상으로 하는 RTOS가 다양하게 출시되어 있으며 특정 하드웨어 아키텍처에 대한 기능 및 적합성면에서도 수많은 옵션이 제공됩니다. IoT 구현에 적합한 OS를 선택하려면 최적으로 조합된 OS 기능 세트를 최우선 사항으로 고려해야 합니다.