가장 적합한 네트워크 배치를 선택하는 것은 모든 시스템의 효율적인 운영에 매우 중요합니다. 무선 네트워크의 경우 지연 시간, 전력, 속도, 이중화 등의 요소와 밀접하게 연관되므로 특히 중요합니다.
현대의 네트워크는 라우터, 스마트폰, 블루투스 이어폰, 스마트 전구 등 다양한 종류의 장치로 구성되며, 네트워크에 연결된 각 장치를 “노드(node)”라고 합니다.
네트워크 토폴로지는 네트워크 내 서로 다른 노드가 어떻게 연결되고 통신하는지를 설명합니다.
단순한 네트워크 토폴로지
업계에는 다양한 네트워크 토폴로지가 존재하며, 각 토폴로지는 서로 다른 장점과 단점을 가지고 있습니다.
가장 단순한 네트워크는 점대점(point-to-point) 방식입니다. 이는 두 노드 사이의 단일 네트워크 연결입니다. 실제로 특정 핵심 또는 특수 용도를 제외하면, 오늘날 두 개의 노드만 연결하는 경우는 거의 필요하지 않습니다. 현대적인 예로는 애플의 Airdrop 파일 공유 서비스나 모형 비행기 등의 원격 제어에 사용되는 블루투스를 통한 애드혹(ad-hoc) 연결이 있습니다. 네트워크에 더 많은 노드를 추가하는 가장 단순한 방법은 데이지 체인(daisy chain)을 사용하는 것이며, 여기에는 선형과 링형 두 가지 형태가 있습니다. 선형 데이지 체인은 세 번째 노드를 기존 노드 중 하나에 연결하고, 네 번째 노드를 세 번째 노드에 연결하는 방식으로 이어집니다. 이는 단순한 방법이지만 노드가 추가될수록 빠르게 비현실적이 됩니다. 링형 네트워크에서는 세 번째 노드가 두 개의 기존 노드에 동시에 연결되고, 이후 각 노드는 두 개의 기존 노드 사이에 추가되어 고리(루프)를 만듭니다. 각 노드는 정확히 다른 두 개의 노드에 연결됩니다. 데이터는 한 방향 또는 양방향으로 링을 따라 전송되며, 각 노드는 데이터를 검사하고 처리하거나 목적지에 도달할 때까지 재전송합니다. 데이지 체인은 스마트 전구와 같은 연결된 장치를 위한 네트워크를 만드는 데 사용할 수 있지만, 대부분의 사용 사례에는 더 나은 다른 솔루션이 있습니다.
규모 확장을 위한 솔루션
네트워크에 대량의 노드를 추가하게 되면 점대점 방식과 데이지 체인은 비효율적이 됩니다. 1,000개의 노드로 이루어진 링의 양쪽 끝에 있는 두 노드가 통신하려면, 데이터가 먼저 500개의 다른 노드를 거쳐야 합니다. 또한 데이지 체인은 단일 노드의 고장이 대규모 중단을 일으킬 수 있고, 최악의 경우 메시지가 아예 전달되지 않을 수 있으므로 오류에 취약합니다. 버스(bus) 토폴로지에서는 모든 장치를 중앙 백본(버스라고 함)에 연결하는데, 이는 선형 토폴로지와 유사하지만 여러 개의 단일 분기를 가진 단일 회선이라는 점이 다릅니다. 이는 유선 네트워크에서 흔한 토폴로지이지만, 무선 환경에서는 이와 실질적으로 유사한 토폴로지가 없습니다. 위에서 설명한 토폴로지를 이해하는 것은 매우 중요하지만, 현대 무선 생태계에서는 이러한 토폴로지들이 모두 흔하지 않습니다. 이제 더 일반적인 아키텍처를 살펴보겠습니다.
무선 네트워크의 스타 토폴로지
현재 무선 네트워크에 가장 유용한 토폴로지는 스타(star) 토폴로지로, 각 노드가 데이터를 필요한 곳으로 분배하는 중앙 허브에 연결됩니다. 가장 명확한 예는 모든 노드(전화, 프린터, 태블릿 등)가 무선 액세스 포인트(허브)에 연결되는 가정용 네트워크이며, 이 허브는 보통 로컬 네트워크의 라우터이자 인터넷으로 연결되는 다리 역할을 합니다. 스타 네트워크는 유선 및 무선 노드를 동시에 매끄럽게 연결하는 데 매우 적합합니다. 이는 무선 네트워크를 구현하는 단순한 방법이지만 두 가지 주요 문제가 있습니다. 시스템 중심에 있는 허브는 단일 장애점(single point of failure)입니다. 허브에 장애가 발생하면 전체 네트워크가 사라져 장치들이 전혀 통신할 수 없게 됩니다. 또한 스타 토폴로지의 장치는 모두 허브로부터 일정 거리 안에 있어야 합니다. 이중성과 통신 범위를 높이려면 더 영리한 아이디어가 필요합니다.
Mesh 네트워크
Mesh 네트워크에는 전체(full)와 부분(partial) 두 가지 유형이 있습니다. 전체 Mesh 네트워크에서는 각 노드가 다른 모든 노드에 직접 연결되며, 이는 이중성에는 도움이 되지만 통신 범위를 늘리지는 못합니다. 이러한 네트워크는 100% 이중성이 반드시 필요한 군사 네트워크 등의 용도에서만 구현됩니다. 반면 부분 Mesh 네트워크에서는 각 노드가 하나 이상의 다른 노드에 연결됩니다. 여러 노드에 연결하면 단일 전송 실패 지점이 사라져 이중성이 향상됩니다. 또한 노드 A가 노드 C와 직접 통신 범위에 있지 않더라도 노드 B를 통해 메시지를 전달할 수 있으므로 통신 범위도 개선됩니다. Mesh 네트워크는 IoT에서 가장 크게 발전하는 분야이며, 이론적으로 무한한 거리에 걸쳐 무한한 장치를 연결할 수 있습니다. Mesh 네트워크를 사용하면 이중성을 갖춘 스마트 홈, 스마트 기업, 스마트 시티가 현실이 됩니다.
하이브리드 네트워크
오늘날 단일 네트워크 토폴로지를 사용하는 사례는 실제로 점점 줄어들고 있습니다. 대부분의 네트워크는 하나 이상의 서로 다른 토폴로지를 결합한 하이브리드 형태입니다. 트리(tree) 네트워크는 하나의 버스 네트워크 위에 여러 스타 네트워크를 연결한 것입니다. 이는 여러 노드 클러스터가 존재할 때(예: WAN 네트워크) 흔히 사용됩니다. 이 경우 각 노드가 라우터에 연결되어 스타 네트워크를 형성하고, 그런 다음 각 라우터를 서로 연결하여 이들 사이에 버스 연결을 만듭니다. 이는 여러 스타 네트워크를 단일 중앙 노드에 연결하는 스노우플레이크(Snowflake) 네트워크, 즉 별들의 별(Star of Stars) 형태로도 구현할 수 있습니다. 인터넷은 궁극의 하이브리드 네트워크로, 버스, 스타, 링, Mesh 네트워크가 모두 결합된 다양한 유형의 개별 네트워크를 다수 포함합니다. 표준화가 Mesh 네트워크 도입을 늘리는 열쇠입니다. Mesh 분야의 참여 벤더들이 업계의 Mesh 네트워크 수요를 통해 이익을 얻으려 서두르기 때문에 다양한 표준이 등장하는 것이 일반적입니다. 시장에서 사실상의 표준(de facto standard)이 나타날 수도 있지만, 많은 서로 다른 표준이 이 세부 시장에서 공존하게 될 것입니다. 현재의 스마트 홈에는 한 공급업체의 Mesh 네트워크 전구와 다른 공급업체의 난방 제어 Mesh 네트워크가 있을 수 있으며, 이 두 네트워크는 모두 일반적인 스타 네트워크에 연결되어 사용자가 스마트폰으로 제어할 수 있습니다. 분명히 이러한 방식은 비효율적이며, 장기적으로 누구에게도 이롭지 않습니다. 업계의 주요 목표는 스마트폰, 노트북, 전구, 센서 등 모든 노드가 참여할 수 있는 표준 Mesh 네트워크를 구축하는 것입니다. 이 목표가 실현되기까지는 아직 갈 길이 멀지만, 일단 실현된다면 IoT는 진정한 잠재력을 발휘할 수 있을 것입니다.
