IoT 디바이스의 동적 특성의 효과적 관리를 위한...

IoT 디바이스의 동 특성의 효과 리를 한 임워크 545

IoT 디바이스의 동 특성의

효과 리를 한 임워크(A Framework for Effectively Managing Dynamism of

IoT Devices)

라 정† 박 춘 우

†† 김 수 동

†††

(Hyun Jung La) (Chun Woo Park) (Soo Dong Kim)

요 약 최근 각 받고 있는 연구분야 하나인 Internet of Things (IoT)은 사물들이 네트워크 상에

연결되어 있는 있는 컴퓨 환경으로, 이 환경을 구성하는 여러 IoT 디바이스들이 업을 통해 사용자에

게 유용한 기능을 제공할 수 있는 장 이 있다. IoT 디바이스의 제한된 배터리 수명, 이동성과 같은 동

인 특성으로 인해 IoT 디바이스의 상태는 계속해서 변하게 되며, 이로 인해 IoT 디바이스를 리하는 데

에 어려움이 있다. 본 논문에서는 IoT 디바이스의 동 인 특성에 의한 IoT 디바이스 리 문제를 도출하

고 이를 해결하기 한 디바이스 리 임워크를 제안한다. 그리고, 디바이스 검색, 디바이스 상태 확인,

디바이스 선택 연결, 그리고 디바이스 교체를 포함한 네 가지의 기법을 제시한다. 한 제시된 기법들

을 기반으로 디바이스 리 임워크를 구 하고 실험을 통하여 제안한 기법들의 실효성을 검증한다.

키워드: Internet of Things, IoT 디바이스 리 기법, 디바이스 동 발견, 임워크

Abstract Internet of Things (IoT), one of the emerging research areas, is the computing paradigm

where various things connect to the network and cooperate with their neighbors to reach common

goals. Computing with IoT devices opens up a new array of opportunities for providing value-added

smart services and applications to end users. That is, IoT devices play an important role of providing

useful services to the users. However, the states of IoT devices are dynamically changed at runtime,

which come from their mobility, network connectivity, and a battery drain problem. This dynamism

results in difficulties in managing these IoT devices. In this paper, we propose a framework to manage

those IoT devices with dynamism. Hence, we first derive issues from IoT devices’ dynamism. And,

we define a set of requirements to manage the IoT devices and present a framework to manage the

device dynamism. The framework is equipped by a device discovery method, a device status

monitoring method, a device selection and connection method, and a device replacement method.

Finally, we verify the feasibility and effectiveness of the framework through experiments.

Keywords: internet of things (IoT), IoT device management methods, device dynamic discovery,

framework

․이 논문은 2012 년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을

받아 수행된 기 연구사업임(2012R1A1B3004130)

․이 논문은 2014 한국 소 트웨어공학 학술 회에서 ‘Active Device Pool기반의

IoT 디바이스 동 연결 기법’의 제목으로 발표된 논문을 확장한 것임

논문수정 : 2014년 5월 27일

(Revised 27 May 2014)

심사완료 : 2014년 5월 30일

(Accepted 30 May 2014)

CopyrightⒸ2014 한국정보과학회ː개인 목 이나 교육 목 인 경우, 이 작물

의 체 는 일부에 한 복사본 혹은 디지털 사본의 제작을 허가합니다. 이 때,

사본은 상업 수단으로 사용할 수 없으며 첫 페이지에 본 문구와 출처를 반드시

명시해야 합니다. 이 외의 목 으로 복제, 배포, 출 , 송 등 모든 유형의 사용행

를 하는 경우에 하여는 사 에 허가를 얻고 비용을 지불해야 합니다.

정보과학회논문지: 소 트웨어 응용 제41권 제8호(2014.8)

†

††

†††

정 회 원

학생회원

종신회원

:

:

:

숭실 학교 컴퓨터학과 교수

[email protected]

숭실 학교 컴퓨터학과

[email protected]

숭실 학교 컴퓨터학부 교수

[email protected]

(Corresponding author임)

논문 수 : 2014년 3월 7일

(Received 7 March 2014)

546 정보과학회논문지 : 소 트웨어 응용 제 41 권 제 8 호(2014.8)

1. 서 론

Internet of Things(IoT)는 모든 사물이 네트워크 상

에서 연결되어 있는 환경을 의미하며, 이 환경에서 운

되는 시스템은 여러 센서 액추에이터(actuator)와 상

호작용하며 유용한 서비스 기능을 제공하는데 사용된다

[1,2]. 유비쿼터스 컴퓨 에서 다룬 다양한 센서, 모바일

컴퓨 의 발 으로 크게 부각된 스마트폰, 스스로 단

하고 움직일 수 있는 로 에 이르기까지 다양한 디바이

스들이 IoT에 활용될 수 있다. 이러한 IoT 디바이스 사

이의 상호작용은 인간활동에 유용한 정보를 제공할 것

으로 기 되고 있다[3,4].

IoT 애 리 이션은 IoT 디바이스들간의 업을 통

해 서비스를 제공하므로, 이들을 효과 으로 리해야

한다. 그러나 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인해 이

들을 리하는데에 어려움이 있다. 를 들어, 배터리

수명에 따라 IoT 디바이스의 상태가 변할 수 있다. 만

일 네트워크에 연결되어 기능을 제공하던 IoT 디바이스

의 배터리가 고갈됨에 따라 기능 제공이 불가능해 질

수 있다. 그리고 일부 IoT 디바이스는 이동성을 가지므

로, 디바이스가 네트워크 유지범 밖으로 이탈하여 기

존의 네트워크에서 사라지는 상을 만들기도 한다.

한 런타임에 새로운 네트워크에 근하여 해당 네트워

크 안에서 가용한 상태가 되기도 한다[5].

이러한 디바이스 리상의 문제 을 해결하기 한 연

구들이 활발히 진행 에 있다[6,7]. 이러한 부분의 연

구들은 디바이스 발견, 디바이스 연결과 같은 효과 인

디바이스 리를 한 기법을 제시하고 있다[8,9]. 그리

고 IoT 환경을 고려하여 IoT 디바이스를 리하기 한

임워크도 연구되고 있다[10-12]. 그러나 부분의

기존 연구에서는 디바이스의 동 인 특성에 따른 리

문제에 한 설명이 부족하다. 그리고 IoT 환경의 특성

을 제한 으로 고려하고 있다. 그러므로 IoT 디바이스의

동 인 특성을 고려한 디바이스 리 기법이 필요하다.

본 연구는 IoT 디바이스들의 동 인 특성에 따른 이

슈를 해결하여 IoT 디바이스를 리하기 한 기법과

이를 기반으로 구 된 임워크를 제시한다. 이

임워크는 자신이 속한 네트워크 상에 새롭게 참여한

IoT 디바이스를 검색할 수 있고, 요청된 기능에 따라

합한 디바이스를 선택하여 연결하거나, 재 연결되어

있는 디바이스보다 더 효과 으로 서비스를 제공할 수

있는 다른 디바이스로 교체하는 기능을 제공한다.

3장에서 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인한 디바

이스 리 이슈들을 나열한다. 4장에서는 디바이스 리

이슈를 해결하여 IoT 디바이스를 효과 으로 리하기

한 임워크의 요구사항을 설명하고 5장에서는 앞

서 정의된 요구사항을 한 4가지의 디바이스 리 기

법을 제시한다. 마지막으로 6장에서는 디바이스 리 기

법을 제공하는 임워크를 직 구 하여 3장에서 나

열한 이슈들이 해결됨을 보이고, 임워크 사용 여부

에 따른 결과를 비교하여 본 논문에서 제안하는 기법들

의 실효성을 검증한다. 제시된 임워크를 이용하면,

디바이스의 동 상태 변경으로 인한 이슈를 효과 으

로 해결할 수 있고, 나아가 사용자들은 IoT 애 리 이

션을 통해 스마트 서비스를 제공받을 수 있음을 기 할

수 있다.

2. 련 연구

Ahamed의 연구에서는 네트워크 상에서 디바이스를

발견하기 해 사용될 수 있는 세가지 기법들을 제시한

다[6]. 이 기법들은 디바이스가 네트워크에 속 할 때

자신의 정보를 다른 디바이스들에게 송하여 자신이

서비스에 참여할 수 있음을 알린다는 공통 이 있다. 그

리고 자신의 정보를 송하는 주기와 디바이스 별 역할

에 따라 기법이 나뉜다. 이 연구에서는 각 기법에 한

상세한 알고리즘과 유효한 상황을 설명하고, 사례 연구

를 통해 제안한 알고리즘들의 비교하여 기법들을 용

할 때 사용할 수 있는 기 을 제시한다. 그러나 이 연구

는 Ad-hoc 네트워크 환경만 고려하여 IoT 컴퓨 환경

의 고유한 특성을 제한 으로 고려한다.

Cackovic의 연구에서는 M2M 애 리 이션을 한

ETSI(Ericsson Device Connection Platform) 표 기

반의 랫폼을 제시한다[7]. 이 랫폼은 디바이스 감지,

진단, IP제어를 통하여 디바이스간의 연결을 장한다.

이를 해 이 연구에서는 렛폼의 아키텍쳐와 아키텍

쳐 내의 컴포 트에 한 상세한 설명을 기술한다. 그러

나 이 연구에서는 랫폼의 아키텍쳐 수 의 설명 이외

에 상세한 기법은 다루고 있지 않다.

Takaaki의 연구에서는 동 으로 디바이스를 감지하기

를 한 기법을 제안한다[8]. 이 연구에서는 디바이스

감지 기법을 Active discovery, Passive discovery로

나 고, 각 감지 기법을 용할 수 있는 네트워크 로

토콜들을 비교한다. 그리고 이 연구에서는 이 두가지 기

법을 동시에 지원하는 새로운 디바이스 감지 기법을 제

시하고 있다. 그러나 이 연구에서는 디바이스 발견 기법

을 제외한 안정 인 IoT 디바이스 연결에 련된 기법

을 제시하지 않고 있다.

Ehsan의 연구에서는 디바이스 발견을 한 임워

크를 제시한다[9]. 이 임워크는 Bluetooth, UPnP

상에 있는 디바이스를 발견하는 기능을 제공한다. 그리

고 OSGi(Open Services Gateway Initiative) 표 을

용하여 동 으로 디바이스를 발견하기 한 아키텍처


그림 1 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인한 이슈

Fig. 1 Issues derived from IoT Device Dynamism

를 설명한다. 그러나 이 연구에서는 특정 네트워크 로

토콜 기반의 디바이스 동 발견에 을 맞추고 있다.

Simon의 연구에서는 웹 환경에 존재하는 IoT 디바이

스 사물을 발견하는 DiscoIoT 서비스를 제안한다[13].

이 서비스는 JSON과 RDF(Resource Description Frame-

work)와 같은 웹 자원 표기 포멧과 HTTP와 같은 웹 기

술을 이용하여 웹 서비스를 발견한다. 그리고 제안된 서

비스가 이용될 수 있는 3가지의 환경을 로 들고 있다.

그러나 제안된 서비스는 다양한 IoT 환경 웹만을 제

한 으로 고려하고 있으며, 디바이스 리를 한 기법

에서 디바이스 발견 기법에 을 맞추고 있다.

Lopez의 연구에서는 RFID, Ad-hoc 네트워크와 같은

여러 IoT 환경에서 사용될 수 있는 기술들을 통합한

렛폼을 제안하고 있다[14]. 그리고 이 이 렛폼을 구성

하는 아키텍쳐와 그 아키텍쳐를 이루는 컴포 트를 기

술한다. 이 렛폼은 디바이스 식별, 서비스 발견과 같

은 기법을 제공하여 IoT 환경을 하나의 렛폼에서 IoT

환경을 장할 수 있다. 그러나 이 렛폼은 IoT 디바

이스의 동 인 특성을 고려하지 않고 있다.

이 외에도 Guinard의 연구에서는 디바이스의 기능성

을 동 으로 제공하기 한 임워크를 제시한다[15].

이 임워크는 DPWS(Devices Profile for Web Ser-

vices)와 RestFul과 같은 웹 서비스 기술을 이용하여

네트워크에 연결된 다양한 디바이스를 사용할 수 있게

도와 다. 그러나 이 연구는 IoT의 다양한 네트워크 환

경 에서 웹 환경을 으로 고려한다. Katasonov

의 연구에서는 에이 트 기법으로 디바이스를 리하는

시스템을 제안한다[16]. 이 연구에서는 분산된 이질 인

컴포 트로 이루어진 시스템이 자가 리 할 수 있는 기

법을 제시한다. 그러나 이 연구는 디바이스 리를 한

기법의 동 모델을 알고리즘 수 으로 상세하게 설명

하지 않는다.

이 듯 IoT 디바이스를 효과 으로 리하기 한 연

구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 부분의 연구에서

는 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인해 발생할 수 있

는 디바이스 리 이슈에 한 설명이 미흡하다. 그리고

이러한 연구들이 제안하는 부분의 디바이스 리 기

법들은 IoT 환경의 특성을 제한 으로 고려하고 있다.

따라서 본 연구에서는 IoT 디바이스의 동 인 특성과

이에 따른 디바이스 리 이슈들을 설명한다. 그리고 이

러한 이슈들을 해결하기 한 디바이스 발견, 디바이스

상태 확인, 디바이스 선택 연결, 그리고 디바이스 교

체와 같은 4가지의 디바이스 리 기법을 제안하고, 이

들을 구 한 IoT 디바이스 리 임워크를 제안한다.

3. IoT 디바이스의 리 이슈

IoT 디바이스는 제한된 배터리 자원과 이동성이라는

IoT 디바이스의 특성으로 인해 동 인 특성을 갖게 된

다. 배터리로 작동하는 디바이스의 경우 배터리 자원의

부족으로 인해 네트워크 신호의 세기가 약해져 네트워

크 연결이 불안정해지거나, 배터리 자원이 모두 소진되

어 네트워크 연결이 끊어지는 상이 발생한다. 이동성

한 IoT 디바이스들의 리를 어렵게 만드는 부분이

다. 네트워크 상에 존재하던 디바이스가 네트워크 유지

범 를 벗어나 갑자기 사라지는 경우도 있고 반 로 기

존에 없었던 디바이스가 네트워크 유지범 내로 들어

와 가용상태가 되기도 하기 때문이다.

그림 1은 Sphero Ball, AR.Drone, TurtleBot 등의


IoT 디바이스를 통해 특정 작업을 수행하기 한 워크

로우이며, IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인해 생

기는 이슈를 보여 다. “Activity 1”은 기존의 네트워크

상에 존재하지 않던 디바이스가 런타임에 진입하는 경

우를 나타낸다. “Activity 2-a”는 해당 activity를 수행

해야 할 Sphero Ball의 연결이 끊겨 AR.Drone으로 교

체되는 경우를 나타내는데 Sphero Ball의 가용 배터리

자원이 거의 남지 않았거나 완 히 소진된 경우 이와

같은 연결 끊김 상이 나타난다. “Activity 2-b”는 해

당 activity를 수행할 수 있는 가용 디바이스 후보가 세

개가 있음을 나타낸다. 이 때 Sphero Ball의 가용 배터

리 자원이 거의 남지 않은 상태라면 네트워크 연결 상

태가 불안정하므로 해당 activity를 수행할 디바이스를

선택하는 과정에서 탈락하거나 우선순 가 낮아질 것이다.

“Activity 3”은 해당 activity를 수행해야 할 AR.Drone

이 이동성으로 인해 네트워크 유지범 에서 이탈하여

네트워크에서 사라진 경우를 보여 다. 그림 1의 에서

보여주는 문제들은 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인

해 발생하는 것이며 이로 인해 발생하는 이슈는 다음과

같이 정리된다.

∙한정된 자원으로 인한 네트워크 불안정성

IoT 디바이스는 배터리와 같은 한정된 력자원을 사

용하는 경우가 많으므로 네트워크 연결이 불안정하다.

이것은 IoT 디바이스가 제공하는 서비스의 신뢰성을

떨어뜨린다.

∙이동성으로 인한 네트워크 이탈

IoT 디바이스는 런타임에 재 참여하고 있는 네트워

크의 유지범 내에서 이탈할 수 있으며 해당 디바이

스가 제공하기로 했던 서비스를 제공할 수 없게 된다.

∙이동성으로 인한 네트워크 참여

IoT 디바이스는 런타임에 새로운 네트워크의 유지범

내에 참여할 수 있다. 해당 디바이스를 사용하기

해서는 새로운 네트워크에 연결되어야 한다.

이 듯 IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인해 발생하

는 이슈는 다양하다. 본 연구는 이러한 이슈로 인해 생

길 수 있는 문제 을 효과 으로 해결할 수 있는

임워크를 제안한다.

4. IoT 디바이스 리 임워크 요구사항

3장에서 설명한 IoT 디바이스의 이슈들로 인해 IoT

디바이스를 리 하는 데에 어려움이 있다. 본 장에서는

이러한 이슈들을 해결하기 한 임워크의 요구사항

을 설명한다.

IoT 디바이스의 동 인 특성으로 인한 이슈를 해결하

기 해 재 사용할 수 있는 디바이스를 확인 후

한 디바이스를 연결해야 한다. 그러므로 본 연구에서 제

시하는 임워크는 다음의 기능 요구사항을 만족해

야 한다.

∙FR 01. 디바이스 동 발견(Device dynamic discovery)

IoT 디바이스 리 임워크는 새롭게 네트워크에

진입한 디바이스를 사용하기 해 런타임시에 디바이

스를 발견해야 한다. 이를 기반으로 IoT 애 리 이

션은 가용한 디바이스를 조회하고, 한 디바이스를

선택할 수 있다.

∙FR 02. 디바이스 상태 모니터링(Device Status Moni-

toring)

네트워크 불안정성 네트워크 이탈로 인한 이슈를

해결하기 해 IoT 애 리 이션은 디바이스의 기능

성을 사용하기 에 가용한 상태인지 아닌지를 단

해야 한다.

∙FR 03. 디바이스 선택 연결(Device Selection and

Connection)

가용 디바이스들과의 연결 기능을 제공하여 IoT 애

리 이션이 원하는 디바이스를 사용 할 수 있어야 한

다. IoT 애 리 이션은 디바이스와의 연결을 기반으

로, 효과 으로 원하는 디바이스를 사용할 수 있다.

∙FR 04. 디바이스 동 교체(Device Dynamic Replace-

ment)

네트워크 불안정성으로 인해 디바이스가 가용하지 못

한 상태 이거나 선택된 디바이스보다 높은 품질의 기

능을 제공할 수 있는 디바이스가 발견되는 경우를

해 디바이스 교체 기능이 제공되어야 한다.

디바이스 리 임워크 사용으로 인한 오버헤드로

IoT 애 리 이션의 품질이 떨어질 수 있다. 그러므로

디바이스 리 임워크는 다음과 같은 비기능 요

구사항 역시 만족해야 한다.

∙NFR 01. 시간 효율성(Time Efficiency)

임워크를 통한 디바이스 리는 IoT 애 리 이

션의 성능 오버헤드를 유발할 수 있다. 따라서 제안된

임워크는 오버헤드를 최소화하여 디바이스 리

기능을 제공해야 한다.

5. IoT 디바이스 리 임워크(FMDD) 설계

모델

5.1 임워크 아키텍쳐

4장에서 나열한 요구사항을 만족시키는 IoT 디바이스

리 임워크(Framework for Managing Device

Dynamism, FMDD)는 그림 2와 같다. FMDD는 여러

IoT 애 리 이션과 IoT 디바이스들을 앙에서 리하

는 FMDD 서버와 IoT 디바이스들이 FMDD에서 리

되기 해 설치되는 FMDD 에이 트로 구성된다.

FMDD 서버에는 세 개의 컴포 트와 하나의 장소가


그림 2 FMDD의 컴포 트

Fig. 2 Components of FMDD

배치된다. Device Registration Manager는 IoT 디바이

스가 실시간에 발견되거나 더 이상 사용되지 않을 때

해당 디바이스 정보를 등록 삭제하는 컴포 트이다.

Device Configuration Manager는 IoT 애 리 이션이

필요로 하는 IoT 디바이스들의 재 상태를 악하여

가용한 디바이스를 연결해주는 컴포 트이다. Device

Pool Manager는 IoT 디바이스 리를 한 핵심 컴포

트 하나로 재 네트워크에 존재하는 가용한 디바

이스들의 목록을 리하는 컴포 트이다. 그리고 이 세 개

의 컴포 트를 통해 수집된 정보는 모두 디바이스 로

일 장소에서 리된다.

FMDD 에이 트는 해당 디바이스의 상태를 FMDD

서버에 달하기 한 Identity Publisher 컴포 트가

배치된다.

5.2 디바이스 동 발견(Discovery) 기법

FMDD는 IoT 애 리 이션이 원하는 디바이스를 사

용할 수 있도록 가용한 디바이스를 발견하는 기능을 제공

해야 한다. 이를 해, Active Device Pool와 Identity

Publisher를 이용한 디바이스 발견 기법을 제안한다.

Active Device Pool은 FMDD를 통해 제어할 수 있

는 가용한 디바이스 로 일을 장하여 추후 IoT 애

리 이션들이 런타임시에 한 디바이스들을 발견

할 수 있도록 도와 다. Identity Publisher는 IoT 디바

이스 에 설치되어 각 디바이스가 이용 가능함을 FMDD

서버에 알려 으로써 FMDD 서버를 통해 리될 수 있

도록 비하는 역할을 한다. 그림 3은 디바이스를 발견

하기 한 Active Device Pool과 Identity Publisher간

의 계를 나타낸다.

Identity Publisher는 해당 디바이스의 로 일을

임워크의 Device Pool Manager에게 송한다. Device

Pool Manager는 그 디바이스 로 일을 Active Device

Pool에 장한다. 그림 4는 디바이스를 발견하기 한

FMDD 서버와 FMDD 에이 트 간의 워크 로우를 보

여 다.

Device Pool Manager는 Identity Publisher로부터

그림 3 디바이스 동 발견을 한 FMDD 구조

Fig. 3 FMDD Structure for Device dynamic discovery

그림 4 디바이스 동 발견을 한 워크 로우

Fig. 4 Workflow for Device dynamic discovery

달받은 정보들을 Active Device Pool에 장하고, 가

용한 디바이스가 발견되었음을 Device Registration

Manager에게 알린다. Device Registration Manager는

Active Device Pool에 장된 가용 디바이스 로 일

을 조회한다. 기존에 연결된 기록이 없는 디바이스 로

일이 있다면 Device Profile Repository에 등록한다.

리스트 1은 발견된 디바이스를 등록하기 한 Device

Pool Manager의 receiveDeviceProfile() 소스 코드이다.

리스트 1의 26번째 라인에서는 FMDD Agent로부터

받은 디바이스 로 일을 Active Device Pool에 장한

다. 그리고 27번째 라인을 통해 Device Configuration

Manger는 디바이스가 발견되었음을 Device Registration

Manager에게 알린다.

에서 제안한 기법을 통해, 가용한 디바이스의 로

일을 Identity Publisher가 송하고, 송된 디바이스

로 일은 Active Device Pool에 장 리 됨으로

써 런타임시에 가용한 디바이스 발견이 가능하다. 이 기

법은 허 와 같은 네트워크 장비의 도움 없이 디바이스

를 발견할 수 있게 하므로 네트워크 계층에 해 독립

으로 수행된다는 장 이 있다.

5.3 디바이스 상태 모니터링 기법

IoT 디바이스는 그 상태가 수시로 변할 수 있으므로,

Active Device Pool 이 가용한 모든 IoT 디바이스 목


리스트 1 receiveDeviceProfile() 메소드의 구 체

List 1 Implementation of receiveDeviceProfile() Method

리스트 2 디바이스 상태 모니터링 알고리즘

List 2 Algorithm for Device State Monitoring

록을 가지고 있다고 하더라도 IoT 디바이스는 상태를

지속 으로 확인해야 한다.

리스트 2는 Active Device Pool가 항상 최신 상태로

유지되기 해 디바이스 상태를 확인하는 알고리즘이다.

이 알고리즘은 백그라운드에서 디바이스의 상태를 주기

으로 확인하고 디바이스 리스트를 업데이트 한다.

리스트 2의 2번째 라인은 처음 메소드를 실행할 때

재 devicePool에서 디바이스 리스트를 가지고 오는 부

분이다. 5번째 라인에서는 iterator를 통해 해당 리스트

에서 아직 가져오지 않은 디바이스가 있는지 확인한다.

7번째 라인부터 마지막 라인까지는 idle 상태를 확인하고

checkLiveness 메시지를 보내는 부분이다. 8번째 라인은

각 디바이스별로 정해진 Threshold 값을 사용하여 디바

이스의 idle 상태를 확인한다. 디바이스가 FMDD에 연

결되었던 시간이 오래되면 idle 상태로 간주하고 디바이스

에 checkLiveness 메시지를 보낼지 결정한다. Threshold

값은 각 디바이스가 FMDD에 의해 사용되는 빈도에 따

라 다르게 측정된다. 그 기 때문에 FMDD가 디바이스

에 직 메시지를 송하는 횟수를 일 수 있다. 12번째

라인에서는 catch문을 통해 디바이스가 응답하지 않는

외상황을 처리하여 해당 디바이스를 Active Device

Pool에서 삭제한다

이 게 Active Device Pool 체 디바이스 idle

한 디바이스에만 checkLiveness 메시지를 보내어 재

상태를 확인하므로, refreshDevicePool 알고리즘의 실행

시간을 단축할 수 있다. 그리고 idle상태가 아닌 디바이

스는 근하지 않으므로 무분별한 디바이스 근으로

인한 배터리 자원 사용을 방지한다. 이는 각 디바이스의

자원을 효과 으로 사용할 수 있게 한다.

5.4 디바이스 선택 연결 기법

FMDD는 실행 인 IoT 애 리 이션이 원하는 기

능을 보유한 디바이스를 사용 할 수 있도록 디바이스와

의 연결 기능을 제공해야 한다. 그림 5는 본 논문이 제

안하는 디바이스 연결 기법의 흐름을 설명한다.

FMDD가 디바이스 연결 요청을 받으면 Device Con-

figuration Manager는 Device Pool Manager를 이용하


그림 5 디바이스 선택 연결의 동 모델

Fig. 5 Dynamic Model for Device Selection and Connection

리스트 3 lookupApplicableDevice() 메소드의 구 체

List 3 Implementation of lookupApplicableDevice() Method

여 Active Device Pool에서 재 가용한 디바이스들의

로 일을 검색한다. Active Device Pool에 IoT 애

리 이션이 원하는 기능성을 제공하는 디바이스의 로

일이 없다면 Device Registration Manager를 통하여

디바이스 로 일 장소에 등록된 디바이스의 로

일을 검색한다. 그리고 검색된 디바이스 로 일을 기

반으로 디바이스가 가용한 상태인지 확인한다. 가용한

상태가 아니라면 동일한 기능을 제공하는 다른 디바이

스의 로 일을 검색한다. 가용한 디바이스를 발견하면

해당 디바이스의 로 일을 IoT 애 리 이션에게

송하고, IoT 애 리 이션은 송된 로 일을 기반으

로 디바이스와 연결을 맺는다. 리스트 3은 디바이스를

선택하기 한 Device Configuration Manager의 lookup-

ApplicableDevice()에 한 소스코드이다.

리스트 3에서 5번째 라인은 [17]에서 제안한 유사성 검

사 알고리즘을 기반으로 IoT 애 리 이션이 원하는 기

능성을 가장 효과 으로 제공할 수 있는 디바이스의 로

일을 검색한다. 만일 검색된 디바이스 로 일이 없다

면 7-8번째 라인을 통해 Device Registration Manager

의 인스턴스를 생성하고, 그 인스턴스를 이용하여 디바이

스 로 일 장소에 등록된 로 일을 검색한다.

이 기법은 IoT 애 리 이션이 원하는 기능성을 지닌

디바이스와의 연결을 통해 네트워크 이탈로 인해 디바이

스의 기능성을 사용할 수 없는 문제를 효과 으로 해결한다.

5.5 디바이스 동 교체(Replacement) 기법

Device Configuration Manager는 ActiveDevice-


리스트 4 네트워크 연결 끊김을 한 교체 알고리즘

List 4 Algorithm for Device Replacement due to Network Disconnection

표 1 디바이스 동 교체 수행 조건

Table 1 Conditions of Device Dynamic Replacement

Conditions Details

Network disconnectedErrors occur due to unstability of

network signal

Device with Higher

Quality of Capabilities

Discovered

An IoT device discovered which

provides the same capability, but

with higher quality

Pool에서 리 인 IoT 디바이스가 그 기능을 수행할

수 없을 경우에 해당 디바이스를 다른 디바이스로 교체

할 수 있다. 디바이스 교체는 표 1에서 요약한 두 가지

조건에 의해 일어날 수 있다.

첫 번째는 네트워크 연결 끊김 시 발생하는 디바이스

교체다. FMDD와 디바이스가 연결할 때 혹은 디바이스

의 기능성을 실행할 때 네트워크 연결이 끊어져 에러가

발생하면 기존의 디바이스를 새로운 디바이스로 교체한

다. 리스트 4는 이를 상세화한 알고리즘이다.

리스트 4는 디바이스와 연결할 때(8번째 라인), 디바이

스에 하여 특정 기능성을 요청할 때(9번째 라인) 발생

할 수 있는 네트워크 연결 끊김 상에 응하여 10-13

번째 라인의 catch 구문을 통해 외 상황을 처리한다.

외 상황이 발생하면 FMDD는 해당 디바이스를 Active

Device Pool에서 삭제한다. 그리고 다시 6번째 라인으로

돌아가 5.4 의 리스트 3의 메소드 lookupApplicable-

Device ()를 호출하여 동일한 기능을 수행할 수 있는 다

른 디바이스를 찾는다. 만약에 임워크가 리하는 디

바이스 같은 기능을 가지는 디바이스가 하나 이상 존

재한다면 FMDD는 기존의 디바이스와의 연결을 끊고 새

로운 디바이스와 연결하여 서비스를 수행하도록 한다.

두 번째로, 기존의 디바이스보다 더 높은 품질의 서비

스를 제공할 수 있는 디바이스가 존재하는 경우 디바이

스 교체가 일어난다. 새로운 디바이스가 추가되면 이 디

바이스가 가지고 있는 기능성을 제공하기 해 비하

고 있는 디바이스를 검색한 뒤 어떤 디바이스가 더 높

은 품질의 기능성을 제공하는지 서로 비교하여 새로 추

가된 디바이스로 교체할지 결정한다. 리스트 5는 이것을

구 하는 알고리즘이다.

이 알고리즘은 FMDD에 추가된 새로운 디바이스 리

스트와 재 디바이스를 비교하기 하여 사용된다.

재 연결된 디바이스가 제공하는 기능성의 품질보다 더

나은 품질의 기능성을 제공하는 디바이스가 있는지 5라

인에서 비교하여 디바이스 교체 여부를 결정한다. 여기

서 IoT 디바이스가 제공하는 기능성의 품질은 해당 디

바이스 모델이 기능성을 성공 으로 수행했던 횟수를

기록한 로그를 바탕으로 0.0～1.0 사이의 값으로 결정된다.

6. 실험을 통한 임워크 평가

본 장에서는 FMDD를 평가하기 해 로토타입을

구 하고, 이를 이용하여 실험을 수행한다. FMDD는 자

바를 이용하여 구 되었고, Intel 서버 머신 에서 Tom-

cat 7.0 WAS와 MySQL DBMS환경에 구축되었다.

6.1 실험 시나리오

4장에서 정의한 요구사항이 충족되는지를 확인하기

해 TurtleBot과 Sphero Ball을 사용한 Ball Tracer

애 리 이션을 개발한다. 이 애 리 이션은 Sphero Ball

의 움직임을 TurtleBot이 감지하여 이를 쫓아가는 기능

을 수행한다.

본 실험에서는 FMDD를 평가하기 해, FMDD를 이용


리스트 5 기능성 품질 비교에 따른 디바이스 교체 알고리즘

List 5 Algorithm for Replacing IoT Devices with Higher Quality

그림 6 두 가지 버 의 공 추 애 리 이션

Fig. 6 Two versions of Ball Tracing Application

한 Ball Tracer와 FMDD를 사용하지 않은 Ball Tracer

두 가지 버 의 애 리 이션을 개발한다. 그림 6은

체 인 실험 환경을 보여 다. TurtleBot은 자체 컴퓨

워를 가지고 있으므로 에이 트를 TurtleBot 내부에

설치하고, Sphero Ball은 컴퓨 워가 없으므로 에이

트를 외부 PC에 설치하 고, 이 에이 트들이 FMDD

와 상호작용하도록 설치한다.

의 환경에서 수행한 실험 시나리오는 다음과 같다.

1. 2개의 디바이스를 다른 시기에 켬.

2. TurtleBot이 Active Device Poo에 등록된 후에 바로

연결을 시도함.

3. 추후에 Bluetooth 연결 범 에 벗어난 Sphero Ball

을 연결 시도함.

첫 번째 차를 통해 디바이스가 발견되는지를 확인

하며 (FR 01), 두 번째 차를 통해 재 상태에 따라

디바이스가 연결되는지를 확인(FR 02, FR 03)한다. 그

리고 세 번째 차를 통해, 디바이스 연결 실패 후 다른

한 디바이스로 체되는지를 확인(FR 02, FR 04)

한다. 마지막으로 시나리오의 모든 차가 빠른 시간 내

에 수행되는지(NFR 01)를 확인한다.

6.2 실험 결과 분석

차1 결과. 디바이스가 발견되는지 확인하기 해,

Active Device Pool에 발견된 디바이스가 제 로 장

되는지 확인한다. 그림 7은 IoT 디바이스가 켜졌을 때,

출력한 FMDD 에이 트와 FMDD 서버의 로그 화면이다.

TurtleBot 에이 트가 먼 실행되어 그림 7의 (1)과

같이 Active Device Pool에 해당 디바이스의 로 일

이 장되었다. 그 다음으로 Sphero Ball 에이 트가

실행되어 그림 7의 (2)와 같이 Sphero Ball 디바이스의

로 일이 Active Device Pool에 추가되었다. 이 실험

으로 통해 본 연구가 제안하는 기법으로 디바이스가 발

견됨을 확인하 다(FR 01).

차2 결과. 디바이스가 제 로 연결되는지 확인하기

해, FMDD를 이용한 디바이스 연결과 직 디바이스

연결한 경우를 비교한다. 그리고, 은 시간 지연으로

디바이스가 연결되는지를 확인하기 해, 제안된 기법을

통해 idle 상태의 디바이스만 확인 후 연결하는 것과

Active Device Pool에 있는 모든 디바이스를 확인 후

연결하는 경우를 비교한다. 그림 8은 에서 설명한 경

우들을 30번 수행한 결과이다.

실험 결과, IoT 애 리 이션이 직 디바이스를 연

결하는 것이 FMDD를 통해서 연결하는 것보다 빠르게

수행되었다. FMDD는 연결을 수행하기 가용한 디바


그림 7 디바이스 동 발견 로그 출력 화면

Fig. 7 Log Output of Device dynamic discovery

그림 8 디바이스 연결 시간 비교 결과

Fig. 8 Comparison of Time to Connect Device Connection Time

이스를 검색하고, 각 디바이스의 재 상태를 악 후

연결하기 때문에 이런 지연 상은 당연할 결과라고 볼

수 있다. 그러나, 이런 지연 상을 이기 해 본 논

문에서는 idle 상태에 있는 디바이스를 상으로 재

상태를 확인하는 기법을 활용하 다.

본 연구에서 제안한 디바이스 상태 확인 기법을 용

한 결과, idle 경계 값을 이용한 디바이스 상태 확인 후

연결에 걸린 평균 시간은 362.1ms이고, 그 지 않은 경

우의 평균 시간은 692.3ms 다. 즉, idle 경계 값을 이

용한 주기 인 Active Device Pool 갱신을 통해 임

워크 사용으로 인한 오버헤드를 반 가까이 일 수

있었다. 이 실험을 통해, 디바이스 상태 확인 연결

기법이 임워크로 인한 오버헤드를 감소시킬 수 있

음을 확인하 다(FR 02, 03, NFR01)

차3 결과. FMDD를 사용하여 디바이스 교체를 수

행한 경우와 FMDD를 사용하지 않은 경우를 비교하는

실험을 수행하 다.

FMDD를 사용하지 않는 Ball Tracer 애 리 이션의

경우 디바이스 상태 확인 기법이나 디바이스 교체 기법

을 지원하지 않는다(FR 02, 04). 그래서 Sphero Ball

이 블루투스 연결 범 밖에 있고 기능을 수행할 수 없

는 상황이 발생했을 때 네트워크 연결 에러를 발생시키

고 종료된다. FMDD를 사용하는 Ball Tracer 애 리

이션의 경우 디바이스 상태 확인 기법과 디바이스 교체

기법을 모두 사용했다. 그림 9은 두 개의 서로 다른

Sphero Ball로 교체 실험을 수행한 로그 화면이다.

실험에서 mac address 000666444e83으로 식별되는

Sphero Ball은 블루투스 연결 범 를 벗어나 있을 때

해당 디바이스로의 연결 요청을 받았다. 그러나, 디바이스

상태 확인 결과 디바이스 근이 불가한 것으로 단되

어 FMDD는 다시 00066644628b로 식별되는 Sphero

Ball에 근을 시도했다. 그 결과 다른 디바이스로의

체 연결이 수행되었다. 그림 10은 이 실험을 30회 수행

한 결과를 보여 다.


그림 9 디바이스 동 교체 로그 출력 화면

Fig. 9 Log Output of Device Dynamic Replacement

그림 10 디바이스 동 교체 실험 결과

Fig. 10 Results of Experiment for Device Dynamic Replacement

실험 결과, 평균 1.353 내에 다른 디바이스로의 연결

을 성공하 다. 이 실험을 통해 빠른 시간 안에 디바이스

간의 교체가 일어남을 확인하 다(FR 02, NFR 01).

7. 결 론

최근 각 받고 있는 연구 분야 하나인 IoT(Internet

of Things)는 센서와 엑 에이터와 같은 다양한 IoT

디바이스들이 인터넷에 연결된 환경을 의미한다. 이러한

환경에서 구동되는 애 리 이션은 IoT 디바이스간의

업을 통해 사용자에게 유용한 서비스를 제공하므로

이를 한 효과 인 IoT 디바이스 리기법이 필요하다.

그러나 부분의 디바이스 리 연구는 IoT 환경을

제한 으로 고려하거나 상세한 설명이 미흡하다. 이에

본 논문은 IoT 디바이스의 상태를 변화시키는 동 인

특성과 그에 따른 디바이스 리 이슈를 다음과 같이

나열하 다.

∙한정된 자원으로 인한 네트워크 불안정성

∙이동성으로 인한 네트워크 이탈

∙이동성으로 인한 네트워크 참여

와 같은 이슈를 기반으로 디바이스 리 임워

크가 만족해야 하는 기능 요구사항과 비기능 요구

사항을 정의하 다. 그리고 이러한 요구사항을 기반으로

디바이스 리 임워크인 FMDD의 아키텍쳐와 디바

이스 리를 한 디바이스 발견, 디바이스 상태 확인,

디바이스 선택 연결, 그리고 디바이스 교체 기법을

제안하 다. 마지막으로, FMDD가 IoT 디바이스의 동

특성으로 인한 이슈를 효과 으로 해결하는지를 확

인하기 해, FMDD를 구 하고 Ball Tracer 애 리

이션을 개발하여 실험을 수행하 다. 실험을 통해 FMDD

가 IoT 디바이스를 리하는데 효과 으로 용될 수

있음을 확인하 다. 본 논문에서 제시한 기법을 활용하

여 보다 효과 인 디바이스 리가 가능할 것으로 기


된다. 향후 연구에서는 제안한 디바이스 리 기법을 향

상시키고 IoT 디바이스의 이질성로 발생하는 문제들과

이를 한 기법도 함께 다룰 정이다.

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정보과학회논문지 : 소 트웨어 응용

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