[정보💡] Matter over Thread의 문제점 4편: 복잡한 네트워크 구조

[스싱마스터(stmaster)]

매터 오버 스레드의 문제점4:

태생적으로 너무 복잡한 네트워크의 구조로부터 오는 막대한 자원 낭비

스마트홈의 안정성과 기기들의 배터리 수명을 결정짓는 요소중에 하나는 기기들이 서로 연결된 네트워크의 생김새임. 네트워크의 생김새는 토폴로지라고 하는데, 스마트싱스에서는 기기에 들어가면 맨 아래에 뜨는 연결경로에서 그 생김새를 확인해볼 수 있음.

무선통신에서 데이터가 이동하는 루트가 얼마나 복잡해질지를 정의하고 이는 곧 기기가 소모해야 할 에너지와 직결됨.

스마트홈 환경에서 기기 수가 늘어날수록, 토폴로지가 복잡해지고 지연 시간도 늘어나면서 초저전력 센서가 감당해야 할 자원이 됨. 그래서  zigbee와 z-wave와 같은 저전력 프로토콜들은 어떻게하면 가볍고 효율적인 토폴로지를 짤지에 대한 최적화 알고리즘을 개발해왔음.

그러나 thread는 스택 자체의 네트워크 구조가 너무 복잡한데다, 매터 애플리케이션 계층의 추가로 네트워크가 더 복잡해졌음. 그리고 그 자체가 저전력 IoT제품의 배터리에는 큰 재앙이 되었음

지그비로 만들 수 있는 네트워크 토폴로지는 크게 세가지로 스타 네트워크, 트리 네트워크, 메시 네트워크가 있음

지그비와 스레드의 기반인 ieee 802.15.4 표준에서 가장 효율적인 구조는 스타 토폴로지임.

네트워크의 구조가 단순할수록 패킷 손상이 적고 처리량이 안정적이며 지연 시간이 짧으며 hops가 줄어듬. 즉, 네트워크가 단순하면 더 저전력으로 돌아간다는 것을 뜻함.

스마트홈 최적화 기법으로도 유효한 것은 바로 네트워크의 노드 수를 줄이는 것임.

Optimized Wireless Sensor Network Architecture for AI-Based Wildfire Detection in Remote Areas

를 살펴보면

산불이 났을때 IoT 방재시스템으로 지그비 제품의 토폴로지의 생김새를 다르게 구성하고 비교한 데이터에서

초록색의 2d mesh 토폴로지는 리니어적인 hop과 라우팅에서 가장 에너지를 많이 쓰는것으로 확인됨

지그비로는 메시 네트워크를 구성하는 것도 가능하지만, 기본적으로 허브인 코디네이터를 중심으로 트리나 스타 네트워크 생김새를 만들어 데이터를 직선적으로 쏘아 올림.

위의 사진은 실제 스마트싱스 허브로 만들어진 네트워크 토폴로지로 네트워크의 노드가 나무가지처럼 깔끔하게 뻗어나가는걸 볼 수 있음

그리고 지그비에는 최대한 빠르고 안정적인 쪽으로 네트워크의 노드를 자동으로 최적화되는 알고리즘이 들어가있음.

반면에 매터 오버 스레드는 모든게 짬뽕되어 있으며 기본적으로 메쉬 네트워크임. 메쉬 구조는 스타 구조보다 지연 시간이 길고 패킷 손실률이 높음. 패킷 손실이 발생하면 재전송을 해야 하고, 이는 곧 배터리 소모로 직결됨.

그리고 매터 오버 스레드의 메시 네트워크망이 지그비의 메시 네트워크망과 다른 점은 동적으로 주소를 관리하는 메시망이라는 점임.

그 이유는 매터 오버 스레드가 6lowpan 기반의 ipv6의 주소가 부여되다 보니, 일반적인 컴퓨터 네트워크에서 쓰이는 ip주소 관리 프로토콜들이 초저전력 센서 위에서도 돌고 있기 때문임. 스레드는 이 것을 mesh link establishment 프로토콜이라고 부르고 있음. 그리고 mesh link establishment 프로토콜은 스레드에서 네트워크 노드를 감지하고 품질이나 여러 설정을 컨트롤하는 일을 함.

매터 오버 스레드의 복잡한 네트워크를 이야기 할 때 고려해야하는 또다른 요소는 멀티 어드민임.

매터의 멀티 어드민은 하나의 IoT 기기를 여러 앱에서 접속하고 컨트롤할 수 있게 만드는 것으로, IoT 기기가 들어가 있는 네트워크의 호스트가 하나 이상이 될 수 있도록 하는 유니캐스트 통신 방식임. 유니캐스트 통신방식이란 통신 채널인 하나의 세션을 호스트마다 각각 따로 갖는다는 것을 뜻함.

멀티 어드민 상태의 센서는 등록된 모든 패브릭의 컨트롤러에 각각 보고를 해야 함. 단순히 전송 횟수뿐만 아니라, 각각의 패킷을 각 패브릭의 보안 키로 암호화하는 연산 과정까지 추가됨. 왜냐하면 매터 제품의 무결성과 보안을 인증하는 밸리데이션의 일을 하는 pki 서버를 매터 앱마다 따로 가지고 있고, 이 것은 하나로 공유해서 관리할 수 없기 때문임.

컨트롤러마다 개별적인 세션을 가지게 되어 사용자에게는 어떤 앱이든 골라쓸 수 있는 편의성을 주지만 초저전력 디바이스 입장에서는 멀티 어드민의 수 만큼 일을 하라고 개같이 굴려서 에너지를 낭비하는 것과 같음.

이처럼 매터에는 태생적인 구조적 복잡성에서 오는 과다한 트래픽과 근본적인 에너지의 낭비가 존재하고, 배터리 수명을 제물로 바치고 있음.

이렇게 매터의 문제점인 태생적으로 너무 복잡한 네트워크의 구조로부터 오는 막대한 자원낭비에 대해 알아봤음

다음 매터의 문제점은 무거운 보안 세션과 사실상 강제되는 암호화 연산 하드웨어의 탑재임.

그것은 다음 글에서 자세히 설명하겠음

[초연결(smart0466)]

메쉬네트워크를 적게쓸수록 단순히 배터리만 적게쓰는게 아니라 속도도 빨라지고 홉 적어지고 도달률도 높아진다는것도 추가해주면 좋을듯ㅇㅇ 이런게 IOT에는 중요한데 ㄹㅇ 잘짚었네.. 수준높은 글 올려줘서 고맙다

[스싱붕이 2(211.235)]

지그비에 비해 매터의 네트워크 품질이 낮고 불안한게 이것때문인가

[스싱붕이 3(211.179)]

멀티어드민 실화냐 멀티앱 연결한만큼 각각 명령 쏴주는건 미친거 아님? 왜 하나에서 모조리 관리하지않는거지

[스싱붕이 3(211.179)]

어떤 개병신이 짠건지는 모르겠지만 멀티어드민 개노답이노

[스싱붕이 4(223.62)]

다음편을 다오