IoT 애플리케이션에는 IoT 장치와 사람 및 다른 장치의 상호 작용이 포함되는데 이러한 상호 작용은 다양한 구성 요소가 서로 통신하는 방법을 정의하는 IoT 시스템의 네트워크 토폴로지에 의해 제어됩니다. 다양한 IoT 네트워크 토폴로지가 있습니다.,
컴퓨터 네트워크를 구성하는 여러 가지 방법이 있는 것과 같은 방식으로. 다양한 토폴로지는 다양한 기능적 및 비기능적 특성을 가지며 다양한 애플리케이션 요구 사항을 충족합니다. 특히 IoT 토폴로지는 보안, 에너지 효율성, 대기 시간, 비용 및 안정성 특성이 크게 다릅니다.
1. 메시 토폴로지
메시 토폴로지는 가능한 한 많은 다른 장치에 직접, 동적 및 비계층적으로 연결되는 여러 IoT 장치로 구성됩니다. 메시 네트워크의 장치는 서로 협력하여 네트워크 내의 생산자에서 소비자로 데이터를 효율적으로 라우팅합니다.
특히, 메시 네트워크에서 메시지는 목적지(예: IoT 게이트웨이)에 도달할 때까지 한 IoT 장치에서 다른 장치로 이동합니다. 따라서 모든 IoT 장치는 데이터 캡처 및 전송 엔드포인트 역할을 하는 동시에 다른 노드에서 데이터를 릴레이하는 중계기로 작동합니다. 풀 메시 네트워크에서는 모든 노드가 리피터 및 릴레이 노드 역할을 합니다.
그러나 리피터 및/또는 릴레이 노드로 작동하도록 선택된 장치만 있는 부분 메시 네트워크 구축도 있습니다. 실제로 메시 IoT 네트워크는 널리 사용되는 단거리 무선 프로토콜(예: Zigbee 및 WirelessHART)의 커버리지를 확장하는 데 사용됩니다.
1) 메시 토폴로지의 장점
메시 토폴로지는 많은 이점을 제공하며, 이것이 IoT 배포에서 점점 더 많이 사용되는 이유입니다. 특히 메시 네트워크에서는 IoT 데이터를 서로 다른 장치에서 동시에 전송할 수 있으므로 처리량이 높고 트래픽이 많은 시나리오를 지원할 수 있습니다. 또한 메시 네트워크에는 단일 장애 지점이 없으므로 한 구성 요소에 장애가 발생하면 항상 대체 경로를 찾을 수 있습니다.
2) 메시 토폴로지의 단점
메시 네트워크의 단점은 설정이 복잡하고 관리 및 유지 보수에 필요한 노력이 증가한다는 복잡성에 있습니다. 또한 메시 네트워크 연결의 밀도는 확장성에 걸림돌이 됩니다. 데이터 전송에 필요한 저전력에도 불구하고 메시 네트워크는 에너지 집약적인 시스템입니다. 이는 일반적인 메시 네트워크와 관련된 많은 수의 릴레이 연결 때문이며, 노드를 지속적으로 사용하여 메시지를 릴레이할 수 있어야 하며, 이로 인해 짧은 시간에 배터리가 소모될 수 있습니다.
또한 메시 네트워크는 구축 비용이 높습니다. 이는 주로 장치 간의 범위가 매우 짧기 때문에 많은 중계기를 배포해야 하기 때문입니다. 마지막으로, 메시 IoT 토폴로지의 주요 단점 중 하나는 보안 공격에 취약하다는 것입니다. 특히, 이론적으로 단일 노드 또는 중계기를 공격하여 메시 네트워크를 해킹하는 것이 가능합니다. 따라서 많은 노드와 중계기가 있는 IoT 네트워크에서 해커는 적대적 공격을 시작할 수 있는 많은 기회를 제공합니다.
2. 스타 토폴로지
스타 토폴로지에서 IoT 노드 및 장치는 스위치, 라우터, 액세스 포인트 또는 IoT 게이트웨이와 같은 중앙 연결 지점에 개별적으로 연결됩니다. WiFi, 셀룰러 네트워크 및 LoRa와 같은 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기술에서 사용되는 매우 인기 있는 토폴로지입니다.
1) 스타 토폴로지의 장점
스타 IoT 네트워크의 주요 장점은 통신 복잡성을 중앙 노드에 위임한다는 것입니다. 나머지 모든 IoT 장치는 시간 또는 주파수 슬롯에 따라 통신할 수 있습니다. 장치 오류가 발생해도 나머지 장치는 영향을 받지 않습니다. 마찬가지로 IoT 장치에 대한 보안 공격의 경우 엔드포인트가 서로 독립적으로 작동하므로 단일 노드만 손상됩니다.
따라서 스타 토폴로지는 메시 네트워크보다 더 나은 보안을 제공합니다. 또한 중앙 연결점에서 노드를 추가하거나 제거하는 것이 쉽고 간단합니다. 이렇게 하면 스타 토폴로지가 유연하고 확장 가능합니다. 이미 설명했듯이 널리 사용되는 LPWAN 네트워크는 전력 소비를 최소화하고 센서 및 IoT 장치가 배터리 교체 없이 긴 간격으로 작동할 수 있도록 하기 위해 스타 토폴로지에 의존합니다.
2) 스타 토폴로지의 단점
스타 토폴로지의 주요 단점 중 하나는 게이트웨이와 장치 간의 무선 링크가 매우 길어질 수 있으므로 메시지를 릴레이하는 데 필요한 에너지의 양이 증가한다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 메시 네트워크와 달리 스타 토폴로지에서 장치는 지속적으로 에너지를 소비하지 않고 데이터를 전송할 때만 에너지를 소비합니다.
3. 버스 토폴로지
버스 토폴로지의 범위에서 IoT 장치는 편리하게 버스라고 하는 단일 케이블을 통해 연결됩니다. 버스 네트워크를 사용하면 대중 교통 버스가 승객이 어느 정류장에서나 승하차할 수 있는 것과 같은 방식으로 장치가 다른 장치로 데이터를 전송할 수 있습니다.
특히, 소스의 데이터는 버스를 통해 사용 가능한 모든 장치로 이동하고 궁극적으로 의도된 수신자, 즉 대상 장치에 의해 선택됩니다. 버스 네트워크 구축을 위해 각 장치에는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)와 같은 인터페이스 커넥터가 장착되어 있습니다.
1) 버스 토폴로지의 장점
버스 토폴로지의 주요 장점은 구현 및 설정이 매우 쉽다는 것입니다. 또한 배포 비용이 다른 토폴로지보다 저렴합니다. 또한 버스 토폴로지는 매우 쉽게 이해할 수 있으며 유연하게 확장할 수 있습니다.
2) 버스 토폴로지의 단점
버스 토폴로지는 케이블 장애로 인해 네트워크가 작동하지 않기 때문에 오류가 발생하기 쉽습니다. 또한 노드 수가 증가함에 따라 버스 네트워크의 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 게다가 케이블 네트워크는 커버리지 범위가 제한되어 있어 더 이상 대규모 네트워크에 적합하지 않습니다. 더욱이, 버스 네트워크는 일반적으로 구현 비용이 저렴하지만 장애 및 성능 저하에 취약하여 장애 비용 및 성능 관리 기능이 증가합니다.
4. 링 토폴로지
링 토폴로지는 폐쇄 루프 버스와 유사하며, 이를 통해 장치는 단일 방향으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 데이터 전송이 시작된 후 모든 노드는 데이터가 의도한 대상에 도달할 때까지 데이터를 다음 노드로 전달합니다. 링의 중간 노드는 신호의 강도를 유지하는 중계기 역할을 합니다.
1) 링 토폴로지의 장점
링 토폴로지에서는 데이터가 한 방향으로 흐르기 때문에 충돌이 줄어들고 트래픽이 많은 상황에서 버스 토폴로지보다 더 나은 처리량을 얻을 수 있습니다. 또한 링 토폴로지는 일부 중앙 서버 또는 게이트웨이를 통해 연결을 제어할 필요가 없습니다. 또한 노드에 장애가 발생하면 데이터가 역방향으로 흐를 수 있기 때문에 노드 장애를 지속하는 양방향 링 네트워크가 있습니다.
2) 링 토폴로지의 단점
Ιn 단방향 링 네트워크, 노드 장애는 네트워크 작동을 방해합니다. 네트워크 운영은 각 개별 노드에 의존하므로 네트워크의 복원력이 어려운 작업입니다. 또한 링 네트워크는 구현하는 데 비용이 많이 들고 구현하기 어렵습니다. 또한 구성 변경(예: 노드 추가 및 제거)을 원활하게 구현할 수 없으며 이로 인해 통신 문제가 발생할 수 있습니다.
5. 하이브리드 토폴로지
여러 경우에 IoT 배포자는 통합 IoT 솔루션에 두 개 이상의 토폴로지를 결합합니다. 이 조합의 근거는 둘 이상의 토폴로지의 이점을 활용하는 것입니다. 이러한 조합은 일반적으로 하이브리드 토폴로지로 특징지어집니다. 하이브리드 토폴로지는 일반적으로 단점을 피하면서 결합하는 토폴로지의 장점을 활용하는 방식으로 개발됩니다.
가장 두드러진 하이브리드 토폴로지 중 하나는 버스 네트워크를 통해 여러 스타 토폴로지를 상호 연결하는 소위 트리 네트워크입니다. 이러한 트리 토폴로지는 링 네트워크의 데이터 신뢰성과 스타 토폴로지의 내결함성을 포함하여 스타 및 버스 네트워킹 측면을 결합합니다. 트리 네트워크는 각 노드가 여러 하위 노드를 가질 수 있으므로 계층적입니다.
또 다른 예로, 링 및 스타 네트워크도 하이브리드 토폴로지로 결합될 수 있습니다. 이 경우 여러 스타 네트워크의 중심점(예: 허브/게이트웨이)이 링 범위에서 연결됩니다.
1) 하이브리드 토폴로지의 장점
하이브리드 토폴로지의 가장 큰 장점은 유연성에 있습니다. 특히 하이브리드 토폴로지는 다양한 유형의 네트워크를 결합하여 특정 대기 시간, 확장성 및 에너지 효율성 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 하이브리드 토폴로지는 매우 안정적인 경향이 있습니다. 이는 하이브리드 네트워크의 나머지 부분을 방해하지 않고 결함을 감지하고 격리하는 것이 매우 쉽기 때문입니다.
마찬가지로, 하이브리드 네트워크는 본질적으로 다른 세그먼트의 운영에 영향을 주지 않고 새로운 구성 요소를 세그먼트에 추가할 수 있기 때문에 확장성이 매우 뛰어납니다.
2) 하이브리드 토폴로지의 단점
하이브리드 네트워크는 설계 및 설정이 복잡합니다. 그들의 디자인은 단순한 인기 있는 토폴로지와 구현 청사진을 넘어서기 때문에 상당한 노력이 필요합니다. 또한 복잡성으로 인해 높은 배포 비용이 발생합니다. 대부분의 경우 하이브리드 네트워크에는 지능형 허브, 냉각 인프라 및 정교한 네트워킹 장치와 같은 요소에 대한 값비싼 자본 투자가 필요합니다. 전반적으로 하이브리드 토폴로지는 대규모 배포에 적합하지만 단순하고 작은 규모의 프로젝트에는 적합하지 않습니다.
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