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블루투스 스펙은 급변하는 사물인터넷(IoT) 개발 환경에서 필요한 요건들에 대응할 수 있도록 여러 번의 수정 버전을 거치면서 진화하고 있다. 2010년에 도입된 블루투스 4.0은 표준에 블루투스 하이 스피드(Bluetooth High Speed)와 (이미 블루투스 스마트 또는 BLE로 명명된) 저에너지 기술이 탑재된 블루투스를 추가했다. 블루투스 4.0은 무선 개인영역네트워크(PAN: personal area network)에 적합하게 소비전력을 낮추고 비용을 절감할 수 있도록 고안되었다. 블루투스 하이 스피드는 와이파이를 기반으로 하며, 클래식 블루투스는 기존의 블루투스 프로토콜로 구성된다.

2013년 말에 소개된 블루투스 4.1은 4.0에 비해 향상된 기술 3가지를 포함했다. 4G와 주파수를 자동으로 조율하여, 오버랩(oeverlap)되는 부분이 없이 두 가지의 프로토콜이 모두 자기 기능을 최대한 수행할 수 있다. 자동적인 전원 단속을 가능하게 하는 페어링으로 더 나은 전원 관리를 장치에 제공한다. 기기들은 허브와 엔드 포인트로 동시에 동작할 수 있어 페리페럴은 독립적으로 통신할 수 있다. 2014년에 차세대 IoT 설계를 위해 발표된 블루투스 4.2는 향상된 보안과 인터넷 연결 방법을 제공한다.

주요 기능으로는 저에너지 기술이 탑재된 블루투스용 IPv6 연결을 위하여 IPSP를 추가시켜, LE 패킷 길이 익스텐션(Packet Length Extension), LE 시큐어 커넥션(LE Secure Connection), 링크 레이어 프라이버시(Link Layer Privacy), 링크 레이어 익스텐디드 스캐너 필터 정책(Link Layer Extended Scanner Filter Policies), 블루투스 저에너지 디바이스를 위한 IP 접속을 포함한다. 2016년 연말에 발표예정인 블루투스 5.0은 더 많은 처리량과 더 줄어든 지연시간(latency), 더 길어진 전송거리, 더 확장되고 유연한 인터넷 프로토콜, 메쉬 라우팅(mesh routing) 기능이 추가될 것이다. 자신의 설계에 더 넓은 범위의 연결 방법을 제공하려는 블루투스 개발자들에게, 버전 4.2는 기존 IPv4 시스템에 연결하기를 원하는가, 차세대 IPv6 네트워크로 이동하려고 하는가에 따라 2가지 방법을 제시한다.

인터넷 프로토콜 지원 프로파일
6LoWPAN(Low Power Wireless Personal Area Network) 스펙이 IETF(Internet Engineering Task Force) IPv6 표준에 추가된다는 것은 IoT를 위해 사용할 수 있는 주소가 무궁무진하게 될 것이라는 것을 의미한다. 또한, 무선으로 연결된 모든 사물들은 각자 고유의 주소를 갖게 될 것이며, 이에 따라 매개 게이트웨이 또는 서버를 통하지 않고도 인터넷으로 직접 연결되는 것이 가능하게 될 것이다. 버전 4.2에서 블루투스 개발자들은 IPSP(Internet Protocol Support Profile)의 형태로 IPv6을 통한 연결 방법을 이용할 수 있다. IPSP는 블루투스에 최적화된 버전의 IPv6 6LoWPAN IoT 프로토콜(6LoBTLE)을 사용한다. 6LoBTLE는 블루투스 링크가 IEEE 802.15.4의 링크와 비슷한 특성을 가지고 있다는 사실과 이 프로토콜에서 IPv6를 위하여 정의된 수많은 매커니즘은 블루투스에서의 IPv6 전송에도 적용될 수 있다는 점을 이용한다.

저에너지 기술이 적용된 블루투스의 경우, IPSP는 6LowBLTE의 6LoWPAN 레이어를 통하여 Bluetooth/6LoWPAN 연결을 설정하는 데 필요한 모든 단계를 처리한다. 이것은 인터넷 상의 서로 다른 위치에 있는 블루투스 기기들이 각각의 존재를 발견하고 링크 레이어 연결을 설정하도록 한다. 4.1버전의 L2CAP 흐름 제어 모드(L2CAP Flow Control Mode)는 데이터 교환을 가속화하기 위해 사용되는 한편, 블루투스의 GATT(Generic Attribute Profile)는 IPSP의 지원 여부를 확인한다.

GATT를 통한 블루투스 저에너지 인터넷 게이트웨이
미래의 모든 인터넷 접속은 IPv6를 통해 이루어질 것이다. 그러나, 대부분의 무선 전화 공급업체와 일부 인터넷 서비스 공급업체(ISP)를 제외하고, 현재 대다수의 ISP는 IPv4 프로토콜을 아직도 사용하고 있다. 따라서, 개발자들은 2가지의 선택안을 고려해야 한다. 즉, 외부의 다른 6LoBTLE 연결로 접속할 수 있는 안드로이드(Android)처럼 모바일 플랫폼에서도 이용할 수 있는 IPv6 액세스를 이용하는 방식과 구형 IPv4 시스템에서 동작할 수 있는 대체 방법을 찾는 방식이다. 버전 4.0에서, IPv4 연결 방법은 블루투스 네트워크 인캡슐레이션 프로토콜(Encapsulation Protocol)을 사용하여 이루어진다. 블루투스 네트워크 인캡슐레이션 프로토콜은 중간 IPv4 라우터 또는 게이트웨이를 통해 인터넷 연결을 가능하게 한다. 그러나, 이 방식의 한계는 게이트웨이 기능이 애플리케이션에 너무 특화 되어 있다는 점이다.

버전 4.1의 L2CAP 가상회선방식(connection-oriented) 채널이나, 버전 4.2에서GATT(Generic Attribute Profile)를 통한 스마트 인터넷 게이트 웨이는 이러한 설계를 상당히 쉽게 구현할 수 있도록 한다. 버전 4.2의 스마트 인터넷 게이트웨이를 이용할 경우, 인터넷 접속은 더 이상 센서에서 센서 또는 앱에서 앱 기반으로 실행되지 않는다. 새로운 기능을 이용할 경우, GATT를 인터넷 HTTP 접속에 매핑하는 것은 서비스와 데이터로 모든 센서가 접근하는 매우 간단하고 표준화되는 방식이다. HTTP 프록시 서비스(HPS)와 RESTful API와 같은 블루투스 GATT를 사용하는 것은 인터넷을 이용한 블루투스 저에너지 기기의 연결을 더욱 용이하게 할 것이다.

블루투스 프라이버시 및 보안 기능 향상
블루투스가 무선 IoT 시스템을 설계하는데 유용해 지고 있는 현 상황에서, 전송 데이터의 보안 및 프라이버시를 개선하려는 노력도 지속적으로 진행되고 있다. 이 분야에서 버전 4.2 의 최신 업그레이드 내용 중 2가지는 LE 시큐어 커넥션(LE Secure Connection)과 LE 프라이버시(LE Privacy)이다.

LE 시큐어 커넥션 (Secure Connection)
지금까지 블루투스 보안의 기본은 시큐어 심플 페어링 (Secure Simple Pairing)이었다. 다시 말하면, 디바이스 연결은 여러 개의 암호 키가 생성 및 배분된 이후에만 이루어졌다. 1개의 STK(short-term key)와 3개의 LTK(long-term keys for link layer encryption and authentication), CSRK(connection signature resolution) 및 IRK(identity resolution)로 구성된다.

블루투스 4.2는 개발자에게 과중한 임무인 아주 강력한 보안을 제공한다. 키(Key)의 관리를 위해, 블루투스 4.2는 FIPS 추천 타원곡선(elliptic curve)을 이용한 비대칭 ECC(Elliptic Curve Cryptography)를 추가했다. 또한 메시지 암호화를 위해 FIPS의 검증된 AES-CCM 암호화도 사용한다. 그 결과로 이웃 기기들 간의 링크 레이어 보안을 강화하여 패시브 도청(passive eavesdropping)이나 MITM(Man-in-the-Middle) 공격과 같은 것으로부터 무선 링크를 보호한다.

더 많은 프라이버시와 더 낮은 저전력
블루투스 4.0은 개별 주소(private address)를 자주 바꿈으로써 해커들이 디바이스를 계속 추적하여 유용한 정보를 훔쳐 낼 수 있는 기회를 제한한다. 블루투스 디바이스의 연결을 구축하기 위해서는 디바이스 본딩(Bonding) 과정에서 공유되는 IRK를 사용하여 개별 주소가 생성된다. 블루투스 4.2는 LE 프라이버시를 추가했다. LE 프라이버시는 호스트 디바이스뿐 만 아니라 컨트롤러 디바이스에서 개별 어드레스 레졸루션(address resolution)을 관리한다. 블루투스 4.2는 컨트롤러 레벨에서 개별 어드레스의 화이트리스팅(white-listing)도 지원한다. 더 우수한 프라이버시를 보장하는 것 이외에도, 호스트 디바이스의 웨이크업 주기를 감소시켜 주어 전반적인 소비전력을 감소시킨다.

다른 전력 관리 향상
버전 4.2에서는 BLE Power Class 1을 위한 최대 전송 전력이 +10dBm에서 +20 dBm으로 증가하였다. 이를 통해 많은 블루투스 설계는 외부 전력 어댑터를 필요로 하지 않고도 구현될 수 있어, 최종 사용자에게 보드 공간 절약뿐만 아니라 비용 절감의 이점도 제공할 수 있다.

고성능/더 뛰어난 전송거리
버전 4.2에서, 블루투스 패킷 용량은 블루투스 4.1과 비교하여 거의 10배( 27바이트에서 251 바이트까지)가 증가되었다. 이 같은 증가는 IoT 네트워크 개발자들이 4.1 에서 그 이상으로 업그레이드해야 하는 강력한 이유가 되고 있다. 또한, 블루투스 4.2 에서 데이터 전송거리는 최대 2.5배까지 향상되었다.

패킷 용량 및 전송거리, 이 두 가지 모두의 향상은 기기간 통신 뿐 만 아니라 인터넷으로의 더 효율적인 접속을 지원하며, 더 자주 펌웨의 업데이트를 가능하게 하고, 스마트폰을 비롯해 ISP 제공업체의 서버나 라우터의 클라우드 또는 중간 위치로 센서 데이터 로그의 더 빠른 업로드를 실현하게 한다.

블루투스 버전 5.0에서 다음 기술은?
인터넷 연결이 더 직접적이라는 장점이외에, 버전 5.0에서 살펴볼 가장 큰 변화는 성능과 전송거리의 획기적인 향상이다. 뿐만 아니라, 현재의 애드혹 스캐터넷(ad hoc scatternet) 구성환경을 보완하거나 대체할 수 있는 진정한 메쉬 네트워크가 포함되었다.

지속적인 성능/전송거리 향상
버전 5.0 동작에서 블루투스 물리계층의 성능이 향상되어, 2Mbps 패킷(vs 1 Mbps)을 전송할 수 있으며, 낮은 데이터 전송율의 블루투스 저에너지 접속으로 전송거리를 확장할 수 있다. 버전 5.0은 블루투스 저에너지 기반에서 복잡한 IoT 보안, 라우팅, 네트워킹 프로토콜을 동작시키는 것을 가능하게 할 것이다. 블루투스 6LoWPAN 네트워크에서, 이 향상된 성능은 여러 개의 메시지를 단일 패킷으로 구현이 가능하게 하며, 이 기능은 패킷 손실 감소를 가져 오게 되어 블루투스 저에너지를 더욱 에너지 효율적이고, 빠르고 신뢰할 수 있게 한다.

블루투스를 위한 메쉬 정리하기
블루투스는 원래 하나의 성형(星形) 피코넷(piconet)으로 최대 1개의 마스터와 7개의 슬레이브 구성 환경만 지원했다. 버전 4.1 이후, 개발자들은 소위 “스캐터넷”으로 불리는 방법을 통해 더 많은 디바이스로 네트워크를 연장해왔다. 스캐터넷에서, 특정 피코넷의 1개 마스터 또는 슬레이브 기기는 다른 피코넷의 슬레이브로 동작할 수 있다. 이러한 네트워크 모델은 마스터 슬레이브 관계를 먼저 구축하지 않고서는 노드 간 끊김없고 신뢰성 높은 통신이 불가능하며, 지연시간과 신뢰성 관점에서 매우 높은 비용이 지불될 수 있다.

블루투스 SIG 워킹 그룹은 오는 2016년 연말에 버전 5.0의 일환으로 소개될 메쉬 토폴로지에 대해 연구 중이다. 메쉬 토폴로지의 장점은 현재 마스터와 슬레이브 간의 구분을 없애고, 메시지 전송에 있어 모든 노드가 동등하게 된다. 모든 노드는 각각 네트워크의 데이터를 전달하고 분배하는 이웃(near-neighbor) 접속 네트워크에 참여한다.

향후 더욱 발전된 기능 추가
인터넷 연결, 성능, 전송거리, 보안과 관련하여 버전 4.1 과 4.2 의 향상된 기능 이외에도, 향후 개선될 추가적인 다른 기능들은 개발자들이 더 효율적이고 즉각 반응하는 무선 설계를 구축할 수 있도록 지원할 것이다. 향후 발전될 기능들은 다음과 같다.

• 동시에 슬레이브/마스터 역할을 수행할 수 있는 링크 레이어 토폴로지의 향상된 기술: 1개 이상의 LE 슬레이브는 1개 이상의 마스터에 연결될 수 있으며 슬레이브 디바이스가 동시에 마스터와 슬레이브로 될 수 있다.
• 로우 듀티 싸이클 비콘(low duty cycle beacon) “어드버타이즈먼트(advertisements)”: 블루투스 저에너지 디바이스가 더 적은 간섭과 더 적은 전력소모로 연결을 유지할 수 있다
• 휴먼 인터페이스 디바이스, 메시지 접속, 텔레포니, 동기화 및 파일 전송 등을 포함해 새롭고 업데이트 된 블루투스 프로파일
• 블루투스 버전 5.0은 다음 기능들을 통하여 새롭고 지속적인 IoT 과제와 요구 사항들에 대하여 대응할 것이다;
• 타임 바운드(time-bounded) 오디오와 같은 데이터 스트림을 위한 새로운 동시(isochronous) 채널은 간섭 및 다중경로 페이딩(fading)이 존재할 때 스마트 메쉬 네트워크를 통해 실시간 데이터 전송할 때 이를 더 용이하게 한다.
• 현재의 블루투스 I 채널과 물리적 동시 데이터 채널 모두를 위하여 더 나은 채널 변경을 위한 새로운 주파수 호핑(hopping) 방법
• 다른 블루투스 비컨에서 상대적인 신호 방향을 계산하는 새로운 여러 방식
IoT의 성장속도가 급속히 진행되면서 불과 몇 년 전에도 인식하지 못했던 애플리케이션과 크기로 확장됨에 따라, 개발자들은 블루투스와 더 좋은 주파수에서의 다른 무선 프로토콜로 지속적인 향상과 확장을 기대할 수 있다.

글 실리콘랩스 노상영(Senior Staff Field Application Engineer)